Полиморфы диоксида титана: Рутил против анатаза

Введение

Диоксид титана (TiO₂) - широко используемое в различных отраслях промышленности соединение, которое ценится за свои уникальные оптические, физические и химические свойства. В природе он встречается в трех полиморфных формах: анатазе, рутиле и бруките. Из них анатаз и рутил наиболее значимы для промышленного применения, в то время как брукит редко используется из-за своей нестабильности. В этой статье мы рассмотрим ключевые различия между анатазом и рутилом, выделим их структуры, свойства и области применения.

[1]

Кристаллическая структура и стабильность

И анатаз, и рутил относятся к тетрагональной кристаллической системе, но отличаются структурой кристаллической решетки и стабильностью.

• Анатаз: этот полиморф имеет более открытую кристаллическую структуру с элементарной ячейкой, содержащей четыре молекулы TiO₂. Его кристаллическая решетка менее компактна, что приводит к меньшей плотности. Анатаз стабилен при комнатной температуре, но превращается в более стабильную фазу при повышенных температурах, обычно около 730°C. Это превращение необратимо и экзотермично, что подчеркивает более высокую термодинамическую стабильность конечной фазы.
• Рутил: характеризуется более плотной и компактной кристаллической структурой, каждая элементарная ячейка содержит две молекулы TiO₂. Такое плотное расположение приводит к большей плотности и стабильности. Это самая термодинамически стабильная форма TiO₂, и анатаз и брукит превращаются в эту стабильную фазу при нагревании.

Физические свойства

--Плотность и твердость

Относительная плотность анатаза колеблется от 3,8 до 3,9 г/см³, а его твердость по шкале Мооса составляет от 5,5 до 6,0. Более низкая плотность и твердость делают анатаз менее прочным, чем рутил.

Рутил имеет относительную плотность от 4,2 до 4,3 г/см³, он более плотный и компактный. Его твердость по шкале Мооса составляет от 6,0 до 7,0, что делает его более подходящим для применений, требующих высокой прочности и износостойкости.

--Диэлектрическая постоянная

Диэлектрическая проницаемость анатаза составляет около 48, что значительно ниже, чем у рутила. Такая низкая диэлектрическая проницаемость ограничивает его использование в приложениях, требующих высоких диэлектрических свойств.

Рутил имеет гораздо более высокую диэлектрическую проницаемость, в среднем около 114. Такая высокая диэлектрическая проницаемость в сочетании со стабильностью делает его идеальным для применения в электронике.

Оптические свойства

-Коэффициент преломления

Коэффициент преломления материала определяет его способность изгибать свет, а TiO₂ известен тем, что имеет очень высокий коэффициент преломления, что выгодно для оптических применений. Коэффициент преломления анатаза составляет примерно 2,55. Несмотря на высокий показатель, он все же ниже, чем у рутила.

Рутил имеет еще более высокий коэффициент преломления, около 2,71, что делает его исключительно эффективным в приложениях, требующих максимального рассеивания света и непрозрачности.

--Рассеивающая способность

Способность TiO₂ рассеивать свет имеет решающее значение для его использования в качестве пигмента в красках, покрытиях и других материалах. Несмотря на хорошие светорассеивающие свойства, анатаз имеет более низкий коэффициент преломления, что делает его менее эффективным, чем рутил.

Благодаря более высокому коэффициенту преломления рутил обеспечивает превосходное светорассеяние, повышая непрозрачность и яркость красок и покрытий. Это делает его предпочтительным выбором для белых пигментов.

Электрические свойства

-Проводимость

Диоксид титана действует как полупроводник, а его электропроводность зависит от температуры и наличия кислородных вакансий. Как правило, анатаз обладает более низкой электропроводностью. Он менее чувствителен к изменениям температуры по сравнению с рутилом.

Электропроводность рутила значительно увеличивается с ростом температуры. При температуре около 420°C его электропроводность может увеличиваться на несколько порядков, что делает его ценным материалом для электронных компонентов, таких как керамические конденсаторы. Такая чувствительность к температуре и содержанию кислорода делает его полезным в сенсорных приложениях.

Применение

Анатаз и рутил имеют различные области применения, основанные на их соответствующих свойствах.

1. Анатаз

• Фотокатализ: Анатаз широко используется в фотокаталитических приложениях благодаря своей более высокой реакционной способности под воздействием ультрафиолетового света. Он эффективно разлагает органические загрязнители, что делает его полезным для систем очистки воздуха и воды, самоочищающихся поверхностей и антимикробных покрытий.
• Солнечные элементы: Благодаря своим фотоактивным свойствам анатаз используется в солнечных элементах, чувствительных к красителю, для повышения эффективности.

2. Рутил

• Пигменты: Высокий коэффициент преломления и превосходное рассеяние света делают его идеальным для использования в качестве белого пигмента в красках, пластмассах и бумаге. Он обеспечивает превосходную непрозрачность и яркость.
• Оптические компоненты: Благодаря высокому коэффициенту преломления он используется в производстве оптических компонентов, таких как линзы и покрытия.
• Электроника: Высокая диэлектрическая проницаемость и электропроводность при высоких температурах делают рутил пригодным для изготовления электронных устройств, включая конденсаторы и варисторы.
• Высокотемпературные применения: Стабильность при высоких температурах делает его пригодным для изготовления керамической глазури, огнеупорных материалов и других высокотемпературных применений.

Краткие факты о рутиле и анатазе

Stanford Advanced Materials (SAM) предлагает высококачественную титановую продукцию по конкурентоспособным ценам. Мы поставляем как анатазную, так и рутиловую формы диоксида титана, при этом возможны варианты индивидуализации для удовлетворения ваших конкретных потребностей. Свяжитесь с нами для получения дополнительной информации или размещения запроса.

Заключение

Понимание различий между анатазом и рутилом необходимо для оптимизации их использования в различных промышленных приложениях. Анатаз, обладающий более высокой фотокаталитической активностью, подходит для экологических и самоочищающихся технологий. Рутил, с другой стороны, отличается повышенной стабильностью, плотностью и оптическими свойствами, что делает его идеальным для пигментов, покрытий и электронных компонентов.

Выбор между ними зависит от конкретных требований к применению. Используя уникальные свойства этих полиморфов TiO₂, промышленные предприятия могут повысить производительность и эффективность своей продукции.

Ссылки:

[1] Stawarz, Sylwester & Witek, Natalia & Kucharczyk, Wojciech & Bakar, Med & Stawarz, Magdalena. (2019). Термозащитные свойства полимерных композитов с нанодиоксидом титана. Международный журнал механики и материалов в дизайне. 15. 10.1007/s10999-018-9432-7.