ГЛАВА 1. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПРИМЕНЕНИЕ ТИТАНА 1.1. Свойства и применение титана Тита́н - химический элемент 4-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы четвёртой группы, IVB), четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 22. Относится к переходным металлам. Простое вещество титан в нормальных условиях — это лёгкий металл серебристо-белого цвета. Самыми распространёнными коммерческими формами являются диоксид титана (белый порошок) и металлический титан. Соотношение мировых производственных мощностей составляет примерно 96:4 в пользу диоксида титана. Титан получают из минерального сырья — титаносодержащих руд: · рутилов (содержание 93-96 % двуокиси титана); · ильменитов (44-70 %); · люкоксенов-лейкоксенов (90 %). Чистый диоксид титана (TiO2) — это бесцветное твердое кристаллическое вещество. Несмотря на бесцветность, в больших количествах диоксид титана чрезвычайно эффективный белый пигмент, если он хорошо очищен. TiO2 практически не поглощает никакого падающего света в видимой области спектра. Свет или передается, или преломляется через кристалл или же отражается на поверхностях. TiO2 — это стабильное (самый стабильное из всех известных белых пигментов), нелетучее, нерастворимое в кислотах, щелочах и растворах при нормальных условиях вещество. Диоксид титана отличается высокой реакционной устойчивостью к различным соединениям, в том числе и к токсичным, содержащимся в воздушной среде. Из-за своей инертности, диоксид титана не токсичен и, в общем, считается очень безопасным веществом. Он может контактировать с продуктами в упаковке, а в определенных концентрациях его можно использовать и как пищевой краситель. TiO2 - полиморфен и встречается в трех основных кристаллических формах. Существуют три формы, анатаз (октаэдрит), рутил и брукит, последний в природе встречаются редко и, хотя эту форму и готовят в лабораториях, коммерческого интереса она не представляет. Рутильный диоксид примерно на 30% лучше рассеивает свет (укрывистость), чем анатазный, поэтому последний используется гораздо реже. К тому же, анатаз менее атмосферостоек, чем рутил. Анатаз гораздо хуже работает в защите полимера (акрилата, пластмассы) от УФ лучей и приводит к фотокатализу и потере свойств полимера (происходит деструкция, выцветание, меление и т.д.). Рассеивающая способность – способность пигмента к отражению света видимой части спектра определенных длин волн. Этот показатель у диоксида титана напрямую зависит от диаметра частиц TiO2. При размере частиц 0,2 мкм сумма рассеянного света для всех длин волн максимальна. При увеличении размера частицы от 0,25 до 0,3 мкм рассеивание голубого света быстро понижается. Но рассеивание зеленого и красного практически не меняется. Тем не менее, при диаметре частиц 0,15 мкм наблюдается максимальное рассеивание синего в то время, как рассеивание красного и зеленого значительно ниже. Маслоемкость – это способность частиц пигмента удерживать на своей поверхности определенное количество масла. Выражается она в граммах на 100 грамм пигмента и колеблется обычно от 10 до 20. Укрывистостью называют способность пигмента при равномерном распределении в объеме делать невидимым цвет исходного материала. Укрывистость выражается в граммах пигмента, необходимого для того, чтобы сделать невидимым цвет поверхности площадью 1 м2. Белые пигменты обеспечивают укрывистость путем рассеивания световой волны любой длины видимого спектра. Чем меньше будет этот показатель, тем ниже расходная норма диоксида титана в композиции. Цвет – свойство тел вызывать определенное зрительное ощущение в соответствии со спектральным составом и интенсивностью отражаемого или испускаемого ими видимого излучения. Сухой диоксид титана характеризуется высокой яркостью, белизной и его отражающая способность близка к отражающей способности идеального диффузора. Светостойкость – свойство материала сохранять свой цвет под воздействием световых лучей. В процессе эксплуатации изделия, особенно наружного применения, изменяют свой первоначальный цвет под воздействием ультрафиолетовых лучей естественного света и источников искуственного освещения, излучающих ультрафиолетовые лучи. Атмосферостойкость – свойство полимерных композиций сопротивляться разрушающему действию солнечных лучей, дождя, мороза, снега, ветра и других атмосферных факторов (например, газов и пыли, загрязняющих нижние слои атмосферы). Обработка поверхности необходима для увеличения устойчивости к внешним воздействиям. Неорганическая (Al2O3, SiO2) увеличивает стойкость частиц диоксида титана к кислотному воздействию, которое может приводить к разрушению частиц пигмента. Органическая обработка улучшает распределение частиц пигмента в объеме композиции. Большая часть диоксида титана уходит на производство белых красок и лаков. Отличаются стойкостью, непрозрачностью и хорошей отражательной способностью. Диоксид титана имеет высокий показатель преломления и оптической дисперсии (выше, чем у алмаза). Также значительные объёмы направляются на производство пластмасс и отбеленной бумаги. Производство продуктов питания использует его в качестве белого пищевого красителя (если увидите на упаковке надпись Е171, то это как раз оно). Косметическая промышленность добавляет данное соединение в солнцезащитный крем и зубную пасту. Также диоксид титана реализуется производителям керамики, текстиля, напольных покрытий, кровельных материалов, сварочных электродов и других изделий. Исследуется возможность нанесения покрытия на основе диоксида титана на стёкла и тротуарную плитку для превентивной борьбы с загрязнениями. Ключевыми свойствами металлического титана являются: лёгкость (на 45% легче стали), прочность (в два раза прочнее алюминия), стойкость к коррозии (в том числе в морской воде и кислотах), ковкость, сопротивление усталости и высокая температура плавления (1670 °C). Металл немагнитен и нетоксичен. Электро- и теплопроводность достаточно низкая. Это единственный элемент, который горит в чистом газообразном азоте. Водой и углекислым газом потушить титан нельзя (только специальные сухие порошкообразные смеси). Главный недостаток – сравнительно высокая стоимость, обусловленная трудностью извлечения из земной коры и последующей переработки. Несмотря на свои замечательные свойства, в чистом виде металлический титан почти никогда не применяется. Титан сплавляют с железом, алюминием, никелем, цирконием, ванадием, медью, марганцем, молибденом и другими металлами. Основное направление использования сплавов – машиностроение, в том числе авиационно-космическое, автомобильное, железнодорожное, судостроение и производство двигателей (в том числе реактивных). На один самолёт типа «Боинг» или «Аэробус» тратится от 17 до 77 тонн титана, в том числе до 11 тонн в двигателях. Титан особенно востребован в оборудовании, работающем в агрессивной среде: реакторы, опреснительные установки, насосы, трубы, буровое оборудование и даже контейнеры для хранения ядерных отходов (срок хранения в таких ёмкостях – 100 тысяч лет). Может применяться при изготовлении свёрл, молотков и ударопрочной рабочей обуви. Медицина использует титановые сплавы в суставном и зубном протезировании, хирургических инструментах, инвалидных колясках, костылях, а также кардиостимуляторах. Люди с титановыми имплантатами могут без проблем проходить МРТ. Титановая оправа для очков легка, прочна и не вызывает аллергии. Титан добавляют при изготовлении корпусов некоторых престижных моделей часов, компьютеров и смартфонов, а также корпусов бортовых систем управления космическими аппаратами. Ювелирам он нужен, чтобы придать прочность золоту и для создания авторских украшений на основе титана. Кроме того, этот материал активно применяется любителями пирсинга. Создатели современного спортивного инвентаря закупают титан для производства велосипедов, теннисных ракеток, хоккейных масок, удочек, туристической посуды, фонарей, каркасов палаток и даже подков для скаковых лошадей. В некоторых моделях 3D-принтеров допускается возможность работы с титановым порошком. Военные предъявляют существенный спрос на титан. Пластины для бронежилетов, а также некоторые детали огнестрельного оружия изготавливают из этого металла. Первичной формой металлического титана является титановая губка. 1.2. Стандарты и технические характеристики титана Таблица 1.1 Физико-химические характеристики металлического титана | Свойство | Титан | | Атомный номер | 22 | | Атомная масса | 47 | | Плотность при 20°С, г/cм3 | 4,505 | | Температура плавления, °С | 1668 | | Температура кипения, °С | 3260 | | Скрытая теплота плавления, Дж/г | 358 | | Скрытая теплота испарения, кДж/г | 8,97 | | Теплота плавления, кДж/моль | 18,8 | | Теплота испарения, кДж/моль | 422,6 | | Молярный объем, см³/моль | 10,6 | | Удельная теплоемкость при 20°С, кДж/(кг·°С) | 0,54 | | Удельная теплопроводность при 20°С, Вт/(м·К) | 18,85 | | Коэффициент линейного термического расширения при 25°С, 10-6 м/мК | 8,15 | | Удельное электросопротивление при 20°С, Ом·см·10-6 | 45 | | Модуль нормальной упругости, гПа | 112 | | Модуль сдвига, гПа | 41 | | Коэффициент Пуассона | 0,32 | | Твердость, НВ | 130...150 | | Цвет искры | Ослепительно-белый длинный насыщенный пучок искр | | Группа металлов | Тугоплавкий, легкий металл | | Ковалентный радиус: | 132 пм | | Радиус иона: | (+4e) 68 (+2e) 94 пм | | Электроотрицательность (по Полингу): | 1,54 | | Электродный потенциал: | -1,63 | | Степени окисления: | 2, 3, 4 | Источник: по данным открытых источников информации Таблица 1.2 Физико-химические характеристики диоксида титана | Наименование показателя | Норма для марки | | Р-1 | Р-02 | Р-03 | Р-04 | Р-05 | А-1 | А-2 | А-01 | А-02 | | | | высший сорт | первый сорт | | | | | | | | 1. Массовая доля двуокиси титана, %, не менее | 98 | 93 | 90 | 90 | 90 | 92 | 98 | 98 | 94 | 94 | | 2. Массовая доля рутильной формы, %, не менее | 95 | 95 | 97 | 97 | 97 | 97 | Не нормируется | | 3. Массовая доля летучих веществ, %, не более | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | | 4. Массовая доля водорастворимых веществ, %, не более | 0,4 | 0,3 | 0,2 | 0,2 | 0,1 | 0,5 | 0,4 | 0,5 | 0,3 | 0,1 | | 5. Удельное электрическое сопротивление водной суспензии, Ом·см, не менее | Не нормируется | 6500 | Не нормируется | | 6. рН водной суспензии | 6,5-8,0 | 6,5-8,0 | 6,5-8,0 | 6,5-8,0 | 6,5-8,0 | 6,5-8,0 | 6,5-8,0 | 7,0-7,5 | 6,5-8,0 | 6,5-8,0 | | 7. Остаток на сите с сеткой 0045, %, не более | 0,15 | 0,03 | 0,01 | 0,01 | 0,01 | 0,02 | 0,1 | 0,05 | 0,02 | 0,01 | | 8. Остаток на сите с сеткой 016, %, не более | Отсутствие | Не нормируется | Отсутствие | Не нормируется | | 9. Разбеливающая способность, условные единицы, не менее | 1500 (1600) | 1600 (1700) | 1800 | 1750 | 1900 | 1700 | 1200 | Не нормируется | 1200 | 1300 | | 10. Укрывистость, г/м, не более | 40 | 40 | 35 | 35 | 30 | Не нормируется | 40 | То же | 40 | 40 | | 11. Диспергируемость, мкм, не более | Не нормируется | 15 | 15 | 15 | 12 | То же | Не нормируется | " | 15 | 12 | | 12. Диспергируемость в водно-целлюлозной среде | Не нормируется | Отсутствие белых вкраплений | Не нормируется | | 13. Белизна, условные единицы, не менее | 92 (95) | 92 (95) | 95 (96) | 93(95) | 95(97) | 95(96) | 95(96) | 97(97) | 95(96) | 97(97) | | 14. Массовая доля частиц размером до 1 мкм, %, не менее | Не нормируется | 96 | Не нормируется | | 15. Стабильность водной суспензии, %, не менее | То же | 95 | То же | | 16. Массовая доля соединений железа в пересчете на Fe2О3, %, не более | | 0,02 | | | 17. Массовая доля соединений фосфора в пересчете на Р2О5, %, не более | " | 0,05 | " | Источник: по данным ГОСТ 9808-84
|
