TiO2在化工中的应用
摘要：
纳米TiO2因消色力强、折射率高、光泽与白度好、毒性低、易回收等优点，作为光催化剂、紫外吸收剂、抗菌剂等广泛应用于防晒化妆品、涂料、食品包装、药物添加剂、纺织品的抗紫外整理剂，以及塑料、纤维与橡胶防老化剂等领域。（1）
二氧化钛的物理性质（10）
1、相对密度
在常用的白色颜料中，二氧化钛的相对密度最小，同等质量的白色颜料中，二氧化钛的表面积最大，颜料体积最高。
2、熔点和沸点
由于锐钛型在高温下会转变成金红石型，因此锐钛型二氧化钛的熔点和沸点实际上是不存在的。只有金红石型二氧化钛有熔点和沸点，金红石型二氧化钛的熔点为1850℃、空气中的熔点为(1830±15)℃、富氧中的熔点为1879℃，熔点与二氧化钛的纯度有关。金红石型二氧化钛的沸点为为(3200±300)℃，在此高温下二氧化钛稍有挥发性。
3、介电常数
由于二氧化钛的介电常数较高，因此具有优良的电学性能。在测定二氧化钛的某些物理性质时，要考虑二氧化钛晶体的结晶方向。锐钛型二氧化钛的介电常数比较低，只有48。
4、电导率
二氧化钛具有半导体的性能，它的电导率随温度的上升而迅速增加，而且对缺氧也非常敏感。金红石型二氧化钛的介电常数和半导体性质对电子工业非常重要，可利用该性质生产陶瓷电容器等电子元器件
5、硬度
按莫氏硬度十分制标度，金红石型二氧化钛为6～6.5，锐钛型二氧化钛为5.5～6.0，因此在化纤消光中为避免磨损喷丝孔而采用锐钛型。
6、吸湿性
二氧化钛虽有亲水性，但其吸湿性不太强，金红石型较锐钛型为小。二氧化钛的吸湿性与其表面积的大小有一定关系，表面积大，吸湿性高，还与表面处理与性质有关。
7、热稳定性
二氧化钛属于热稳定性好的物质。
二氧化钛的化学性质（11）
总体来说，二氧化钛是一种化学性质十分稳定的（偏酸性）氧化物。在常温下，几乎不与其他化合物（包括元素）作用。不溶于水、稀酸、脂肪酸、有机酸和弱无机酸；大气中的二氧化碳、氮、硫化氢、二氧化硫、氨、氧等气体对它也不起作用。微溶于碱和热硝酸，只有在长时间煮沸的条件下，才能完全溶于浓硫酸和氢氟酸。若没有还原剂存在，即使在1800℃的高温下也不与氯气作用。二氧化钛这种化学稳定性，完全由其晶体特性所决定。在二氧化钛晶体结构中，一个钛粒子被六个氧粒子所包围，而四价钛粒子与二价氧粒子之间又有很强的结合力。然而，在某些特定条件下，二氧化钛也会发生脱氧反应，生成钛酸盐或钛的其他化合物。
二氧化钛不溶于水、对酸的作用是很弱，只有在高温和长时间煮沸下，才溶于氢氟酸和浓硫酸。
TiO2 + 6HF → H2TiF6 + 2H2O
TiO2 + 2H2SO4 → Ti(SO4)2 + 2H2O
TiO2 + H2SO4 → TiOSO4 + H2O
其溶解速度常和生产二氧化钛的煅烧温度有关，一般煅烧温度越高，则溶解速度越慢。为了加速溶解，可在硫酸中加入硫铵、碱金属硫酸盐或过氧化氢。二氧化钛与酸式硫酸盐（如硫酸氢钾）或焦硫酸盐（如焦硫酸钾）共溶，即转变可溶性硫酸氧钛。
TiO2+ 2KHSO4 → Ti(SO4)2 + K2SO4 + H2O
二氧化钛能微溶于碱，与强碱（氢氧化钾）或碱金属碳酸盐（碳酸钠、碳酸钾）熔融，则转化为可溶于酸的钛酸盐。
TiO2 + 4NaOH → NaTiO4 + 2H2O
以上两种方法，在化学分析方法中被广泛应用。
在高温下，如有还原剂（如碳）存在，二氧化钛能被氯气氯化生成四氯化钛。
TiO2 + 2C+ 2Cl2 → TiCl4 + 2CO
如没有还原剂则不发生反应。这就是氯化法生产中钛矿氯化时发生的反应。二氧化钛在高温下可被氢、钠、镁、铝、锌、钙及某些变价元素的化合物还原成低价钛的化合物，但很难还原成金属钛。如将干燥的氢气通入炽热的二氧化钛，可得到Ti2O3；在2000℃、150个大气压的氢气中，也只能获得TiO,但是若将金红石型二氧化钛喷入等粒子室中，呈细液滴状的二氧化钛与氢气等粒子遗流接触，则可被还原成钛和水蒸气。
2TiO2 + H2 → Ti2O3 + H2O
TiO2 + H2 → TiO + H2O
TiO2+ H2 → Ti + 2H2O
若在溶融氯化钙中电解二氧化钛，或在高于钛的熔点温度下，将二氧化钛溶解在氟化钙中，可制备金属钛。若用CaH2还原二氧化钛得到TiH4，如进一步脱氢，则可以得到粉末钛。
二氧化钛与金属钠反应，可生成Ti2O3、TiO和钛酸钠。在不同的条件下，二氧化钛与碳作用，分别生成Ti2O3和TiC。总之，二氧化钛的化学性质非常稳定，只有在一些特定条件下，才能发生某些反应。
防晒化妆品中的纳米二氧化钛
二氧化钛由于具有高折光性和高光活性，一直被作为一种主要的防晒剂。其抗紫外线能力及其机理与其粒径有关：当粒径较大时，对紫外线的阻隔是以反射、散射为主，且对中波区和长波区紫外线均有效。防晒机理是简单的遮盖，属一般的物理防晒能力较弱；随着粒径的减小，光线能透过二化钛的粒子面，对长波区紫外线的反射、散射性明显，而对中波区紫外线的吸收性明显增强。防晒机理是吸收紫外线，主要吸收中波区紫外由此可见，二氧化钛对不同波长紫外线的防晒理不一样，对长波区紫外线的阻隔以散射为主中波区紫外线的阻隔以吸收为主（7）。纳米二氧化钛由于粒径小，活性大，既能反射、散射紫外线，又能吸收紫外线，从而对紫外线有更强的阻隔能力。
纳米二氧化钛对紫外线的吸收机理可能是(8,9)纳米二氧化钛的电子结构是由价电子带和空轨道形成的传导带构成的，当其受紫外线照射时，比其禁带宽度(约为2．3eV)能量大的光线被吸收，使价带的电子激发至导带，结果使价电子带缺少电子而发生空穴，形成容易移动且活性极强的电子一空穴对。这样的电子．空穴对一方面可以在发生各种氧化还原反应时相互之间又重新结合，以热量或产生荧光的形式释放能量，另一方面可离解成在晶格中自由迁移到晶格表面或其它反应场所的自由空穴和自由电子，并立即被表面基团捕获。通常情况下二氧化钛会表面水活化产生表面羟基捕获自由空穴，形成羟基自由基，而游离的自由电子很快会与吸收态氧气结合产生超氧自由基，因而还会将周围的细菌与病毒杀死。可见，紫外线照射、表面水活化程度及吸氧率是二氧化钛光活性的3个基本条件。
二氧化钛薄膜
（1）TiO2薄膜材料具有硬度高、抗磨损和化学稳定性好等特点（4）。
（2） TiO2，薄膜电阻率约为109～1011Q•cm，是一种重要的绝缘膜（3）。
(3)当 TiO2 薄膜含有Ti3+时，是一种非常重要的气敏材料（3）。
(4)同时 TiO2薄膜也是一种优良的光电极材料(5)。
研究采用溶胶．凝胶技术以载玻片为基质制备了纳米TiO2薄膜，向溶胶中添加乙酰丙酮后改善了溶胶的稳定性及薄膜的牢固性。用扫描探针显微镜(DFM)、X射线衍射(XRD)、红外光谱(IR)及x射线光电子能谱(XPS)对薄膜进行了表征。结果表明：扫描探针显微镜(DFM)观察到薄膜中颗粒的粒径为20-4Onm，X射线衍射(XRD)表明TiO2为锐钛型，用红外光谱(IR)表征了溶胶及粉末样品的物性并探讨了反应的机理，x射光电子能谱(xPs)结果显示薄膜中除含有Ti、0元素外，还有少量从玻璃表面扩散至薄膜中的Na和Si元素。TiO2薄膜对光降解甲基橙水溶液具有很好的光催化性，通过掺SnO2、酸处理途径明显提高了其性能。（12）
反应型乳化剂在聚丙烯酸酯与纳米二氧化钛复合乳液中的应用
采用原位聚合法，分别用CTAB、DMC、SVS作乳化剂制备了3种复合乳液。
TEM结果表明，以CTAB、DMC作乳化剂时，纳米二氧化钛均匀地分布在体系中，没有团聚； SVS作乳化剂时，形成了以乳胶粒为核、纳米二氧化钛为壳的复合乳液。当CTAB、DMC作乳化剂时，复合乳液的贮存稳定性较好；以CTAB作乳化剂时，复合乳液的机械稳定性较好；以DMC、SVS作乳化剂时，复合乳胶膜的耐水性较好。
采用原位聚合法，分别用CTAB、DMC、SVS作乳化剂制备了3种复合乳液。TEM结果表明，以CTAB、DMC作乳化剂时，纳米二氧化钛均匀地分布在体系中，没有团聚；~XSVS作乳化剂时，形成了以乳胶粒为核、纳米二氧化钛为壳的复合乳液。当CTAB、DMC作乳化剂时，复合乳液的贮存稳定性较好；以CTAB作乳化剂时，复合乳液的机械稳定性较好；以DMC、SVS作乳化剂时，复合乳胶膜的耐水性较好。当DMC作乳化剂时，用原位聚合法制备的复合乳液
虽然不是核壳结构，但TiO，纳米粒子分散性更好，且在稳定性提高之后，可以大幅度提高其中纳米二氧化钛的含量，干燥成膜后纳米二氧化钛均匀地分布在膜表面。当SVS作乳化剂时，制备的复合乳胶粒是典型的有机聚合物为核、TiO，为壳的核壳结构。在条件相同的情况下，用反应型乳化剂DMC和SVS制备的乳胶膜耐水性好。复合乳液的稳定性测试结果表明，用CTAB、DMC乳化剂复合乳液的贮存稳定性较好，而用SVS的乳液贮存稳定性最差：用CTAB乳化剂机械稳定性较好，而用DMC、SVS乳化剂机械稳定性较差。
参考文献
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