ไททาเนียมไดออกไซด์ (Titanium dioxide:TiO2) เป็นสารประกอบออกไซด์ของโลหะไททาเนียม ที่ถูกนำมาใช้มากในอุตสาหกรรมด้านต่างๆ เนื่องจากมีความเสถียรสูง ไม่เป็นพิษ และราคาถูก มีชื่อทางการค้า คือ ไททาเนียมไดออกไซด์ (Titaniumdioxide) ไททานิกแอนไฮไดร (Titanic anhydride) และไททาเนีย (Titania)
ไททาเนียมเป็นแร่ที่ถูกค้นพบครั้งแรกเมื่อ ค.ศ. 1791 ในเหมืองแร่เหมืองคอร์นวอลล์ ประเทศอังกฤษ โดยนักธรณีวิทยาชื่อ William Gregor ใช้สัญลักษณ์แทนคือ Ti มีเลขอะตอม 22 มีคุณสมบัติแข็งแรง ทนต่อสภาพกัดกร่อนของคลอรีน น้ำทะเล และกรด-ด่าง ได้ดี ไททาเนียมไดออกไซด์โดยธรรมชาติจะพบน้อยมาก ส่วนใหญ่อยู่ในรูปของแร่อิลเมไนต์ (ilmenite) หรือ ลิวโซซีน (leuxocene) โดยทำให้บริสุทธิ์ได้โดยวิธี rutile beach sand
คุณสมบัติเฉพาะ
– มวลโมเลกุล 79.9 กรัม/โมล
– ความหนาแน่น 3.84-4.26 กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร
– จุดเดือด 2,500 องศาเซลเซียส
– จุดหลอมเหลว 1,850 องศาเซลเซีย
– ไม่ละลายน้ำ
คุณสมบัติทางกายภาพ และเชิงกล
– สถานะภาพเป็นของแข็งสีขาว
– พื้นที่ผิว 50 ตารางเมตร/กรัม
– ขนาดอนุภาคเฉลี่ย 20 นาโนเมตร
– ความหนาแน่น 130 กรัม/ลิตร
– ความถ่วงจำเพาะ 0.7 กรัม/ลูกบาศก์เดซิเมตร
– Modulus of Rupture 140 MPa
– กำลังแรงกด 680 MPa
– Poisson’s Ratio 0.27
– Fracture Toughness 3.2 Mpa.m-1/2
– Shear Modulus 90 GPa
– Modulus of Elasticity 230 GPa
– Microhardness (HV0.5) 880
– ค่าความต้านทาน (Resistivity, 25°C) 1012 ohm.cm
– ค่าความต้านทาน (Resistivity, 700°C) 2.5×104 ohm.cm
– Dielectric Constant (1MHz) 85
– Dissipation factor (1MHz) 5×10-4
– Dielectric strength 4 kVmm-1
– Thermal expansion (RT-1000°C) 9 x 10-6
– Thermal Conductivity (25°C) 11.7 WmK-1
ด้านความปลอดภัย
– การกินจากอุบัติเหตุ (Ingestion) มีความเป็นอันตรายต่ำ
– การสูดดม (Inhalation) ทำให้เกิดอาการคัน และอันตรายต่อระบบทางเดินหายใจในระยะยาว
– การสัมผัสผิวหนัง (Skin) มีความเป็นอันตรายต่ำ สามารถล้างออกได้
– การสัมผัสนัยน์ตา (Eyes) มีความเป็นอันตรายต่ำ มีอาการแสบ คันเล็กน้อย สามารถล้างออกได้
ประโยชน์ไททาเนียมไดออกไซด์
ปัจจุบันไททาเนียมไดออกไซด์ที่นิยมนำมาใช้ประโยชน์มาก มักใช้ในรูปของผลึกแบบ รูไทล์ (rutile) ที่เกี่ยวข้องกับอุตสาหกรรมในด้านต่างๆ ซึ่งพบมากในธรรมชาติ ส่วนชนิดอนาเทส (anatase) นิยมใช้ในกระบวนการใช้แสงขั้นสูง การนำมาใช้ประโยชน์เกี่ยวข้องกับด้านต่างๆ ได้แก่
1. ใช้สำหรับสารให้สี
อุตสาหกรรมสีที่เกี่ยวข้อง มักใช้ไททาเนียมไดออกไซด์เป็นส่วนผสมของสีทาบ้าน ด้วยคุณสมบัติให้สารสีขาว สามารถดูดกลืน และหักเหช่วงแสงที่ตามนุษย์มองเห็นได้สูง ขนาดอนุภาคเล็ก มีความยืดหยุ่นสูงทำให้ปกปิดรอยร้าว รอยตำหนิได้ดี และทนต่อสภาพความเป็นกรด-ด่าง ทนต่อแสง และความร้อน รวมถึงใช้เป็นส่วนผสมของสีสำหรับงานพิมพ์ งานศิลปะ เนื่องจากมีคุณสมบัติให้สีขาวสว่าง
2. ใช้เป็นสารเคลือบผลิตภัณฑ์
มักใช้เป็นสารเคลือบในอุตสาหกรรมต่างๆ อาทิ อุตสาหกรรมพลาสติก อุตสาหกรรมแก้ว กระจก อุตสาหกรรมผลิตกระเบื้อง การผลิตสุขภัณฑ์ การผลิตเซรามิก อุตสาหกรรมโลหะสำหรับการเคลือบผิวโลหะ อุตสาหกรรมกระดาษสำหรับการเคลือบกระดาษเพื่อลดการทะลุผ่านของแสง ด้วยคุณสมบัติที่สามารถยึดเกาะ และเคลือบติดผิวได้ง่าย มีความทนทานต่อการกัดกร่อน รวมถึงคุณสมบัติที่กล่าวในข้างต้น นอกจากนั้น การใช้ไททาเนียมไดออกไซด์สำหรับเคลือบผิวผลิตภัณฑ์สามารถช่วยลดต้นทุนการผลิต และลดน้ำหนักของผลิตภัณฑ์ได้อีกทาง
3. เป็นสารกึ่งตัวนำผลิตกระแสไฟฟ้า
การผลิตเซลล์แสงอาทิตย์นิยมใช้ไททาเนียมไดออกไซด์เป็นส่วนประกอบ ทำหน้าที่เปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้า
4. ใช้ในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์
อุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ที่เกี่ยวข้องกับวงจรไฟฟ้ามักใช้ไททาเนียมไดออกไซด์เป็นตัวเก็บประจุไฟฟ้า ด้วยคุณสมบัติมีค่าคงที่ทางไฟฟ้า และค่าความต้านทานไฟฟ้าสูง
5. ใช้เป็นส่วนผสมในเครื่องสำอาง
เครื่องสำอางบางยี่ห้อมีการใช้ไททาเนียมไดออกไซด์เป็นส่วนผสมสำหรับทำหน้าที่ให้ผงละเอียดสีขาว มีคุณสมบัติทึบแสง สามารถสะท้อน และหักเหแสงได้สูง และสะท้อนรังสียูวีได้ดี ไม่เป็นอันตรายต่อผิว ผลิตภัณฑ์ที่พบใช้เป็นส่วนผสมมาก ได้แก่ ครีมบำรุงผิว ครีมกันแดด แป้งรองพื้น และทาทับ เป็นต้น
6. ใช้ในด้านการบำบัดมลพิษ
6.1 ใช้เป็นสารดูดซับ โดยใช้งานในด้านการบำบัดมลพิษทางอากาศ และมลพิษทางน้ำ ทำหน้าที่เป็นสารตัวดูดซับมลพิษ
6.2 ใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสังเคราะห์แสง
ไททาเนียมไดออกไซด์เมื่อได้รับแสง และความร้อน จะแตกตัวให้สาร และรังสีที่มีคุณสมบัติหลายประการที่สามารถกำจัดของเสียหรือมลพิษในน้ำ และอากาศ รวมถึงการกำจัด และต้านเชื้อจุลินทรีย์ โดยมีกลไก ดังนี้
– สำหรับการต้านเชื้อจุลินทรีย์ เมื่อแผ่นนาโนไททาเนียมไดออกไซด์ได้รับแสงจะปลดปล่อยไฮดรอกซิล แรดิคัล (OH+) และซุปเปอร์ออกไซด์ไอออน (O2-) ออกมาสู่อากาศ และอะตอมดังกล่าวจะเข้าดึงอะตอมไฮโดรเจน และคาร์บอนจากผนังเซลล์ของเชื้อจุลินทรีย์ รวมถึงสารอินทรีย์ที่ทำให้เกิดกลิ่นทำให้จุลินทรีย์ และสารมลพิษต่างๆสลายตัวไป
– สำหรับการบำบัดมลพิษทางอากาศ เช่น การกำจัดก๊าซไนโตรเจนไดออกไซด์ (NOx) ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO2) และสารอินทรีย์ระเหยง่าย (VOCs) ด้วยการผ่านแสงอุลตร้าไวโอเลตในช่วงคลื่น 300-400 นาโนเมตร จะทำให้เกิดอนุภาคข้างต้นเข้าทำปฏิกิริยากับสารมลพิษดังกล่าวทำให้กลายเป็นกรดไนตริก และกรดซัลฟูริก ส่วนสารอินทรีย์ระเหยง่ายจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสรา้งกลายเป็นสารอื่นที่มีความเป็นอันตรายน้อยลง
– สำหรับบำบัดมลพิษในน้ำ ด้วยการให้แสงแก่แผ่นตัวกลางนาโนไททาเนียมไดออกไซด์ที่แขวนอยู่ในน้ำ เมื่อได้รับแสงจะเกิดการปลดปล่อยอนุภาคดังที่กล่าวข้างต้นเข้าทำปฏิกิริยากับสารอินทรีย์ที่แขวนลอยในน้ำกลายเป็นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์
CnOmH + OH+ + O2- = nCO2 + (n-m-1) H2O
ชนิดไททาเนียมไดออกไซด์ แบ่งตามโครงสร้างของผลึก ได้แก่
1. รูไทล์ (rutile) มีโครงสร้างผลึกแบบเททระโกนัล (tetragonal) เป็นชนิดที่พบมากที่สุดในธรรมชาติ มีความคงทน และเสถียรต่อการเปลี่ยนแปลงต่ออุณหภูมิที่สูง
2. อนาเทส (anatase) มีโครงสร้างผลึกแบบเททระโกนัล (tetragonal) เป็นชนิดที่พบในธรรมชาติปานกลาง หากให้ความร้อนสูงกว่า 915 องศาเซลเซียส จะเปลี่ยนโครงสรา้งผลึกเป็นแบบรูไทล์
3. บรูคไคท์ (brookkite) มีโครงสร้างผลึกแบบออร์โทรอมบิก (orthorhombic) เป็นชนิดที่พบได้น้อยในธรรมชาติ มีความเสถียรต่ออุณหภูมิต่ำ หากได้รับความร้อนมากกว่า 750 องศาเซลเซียส จะเปลี่ยนโครงสรา้งผลึกเป็นแบบรูไทล์
นาโนไททาเนียมไดออกไซด์
เป็นการประยุกต์ใช้ประโยชน์จากไททาเนียมไดออกไซด์ เพื่อทำให้เกิดแผ่นฟิล์มบางๆของไททาเนียมไดออกไซด์ด้วยวิธีต่างๆ คือ
1. วิธีสปัตเตอริ่ง (sputtering) เป็นการให้ศักย์ไฟฟ้าแก่ก๊าซ Ar+ ทำให้อิออน Ar+ วิ่งเข้าชนกับแผ่นไททาเนียม จนอะตอมของไททาเนียมหลุดออกไปทำปฏิกิริยากับออกซิเจนแล้วฝังติดบนแผ่นฐานรองจนเป็นแผ่นฟิล์มบางๆ
2. วิธีโกล์วดิสชาร์จ (glow discharge) เป็นวิธีการให้ศักย์ไฟฟ้าแก่พลาสมาของไททาเนียม ทำให้อะตอมไททาเนียมหลุดออกไปทำปฏิกิริยากับออกซิเจน และจับตัวในตำแหน่งที่ต้องการ
3. วิธีการตกเคลือบด้วยไอเคมี (chemical vapor deposition: CVD) เป็นวิธีให้ความร้อนแก่ไททาเนียมจนเกิดไอของไททาเนียมเข้าทำปฏิกิริยากับออกซิเจนได้เป็นไททาเนียมไดออกไซด์รวมตัวกันในตำแหน่งที่ต้องการ