二氧化钛

二氧化钛（英文名称：Titanium Dioxide），无机化合物，由钛元素和氧元素组成。俗称钛白粉、钛白，化学式为TiO2，摩尔质量为79.866g/mol，密度为3.9g/cm3~4.3g/cm3。二氧化钛为白色无定形粉末，微热即成黄色，强热即成棕色，无臭，无味，不溶于水、脂肪酸和其他有机酸及弱无机酸，微溶于碱和热硝酸。二氧化钛在自然界中有三种结晶形态，即金红石型、锐钛矿型和板钛矿型，^[3]其中只有金红石型是最稳定的，其他两种晶形都会在高温下转化为金红石型。制备二氧化钛的方法有硫酸法、水解法和氯化法。^{[1][2][3][4][5][6][7][8][9][10][11][12]}

二氧化钛因其具有很强的着色力和较大的折射率，在化工领域应用广泛；是合成纤维最理想的消光材料；是电焊条表层药皮中的主要成分；可以用来生产各种高技术领域中的功能陶瓷元件。纳米二氧化钛颗粒可以用于复合食品包装材料中；是用于防晒的化妆品中最常用的无机添加剂。^{[11][13][14][15][16]}

钛以多种矿物组分存在，其中有四种矿可用作制造二氧化钛的原料：钛铁矿、金红石、锐钛矿和白钛石。^{[17][18][19][20][21]}据美国地质调查局统计，全球钛矿储量8.17亿吨，其中钛铁矿资源储量为7.7亿吨，约占94.2%；金红石资源储量0.47亿吨，约占5.8%。除南极洲外，其余六大洲均有丰富的钛矿资源，分布在三十多个国家。钛铁矿资源主要集中在中国、澳大利亚、印度、 南非和巴西等国；金红石钛矿资源量则主要分布在澳大利亚、南非、印度和塞拉利昂。^[22]

二氧化钛为白色无定形粉末，化学式为TiO2，无味，无臭，不溶于水，摩尔质量为79.866g/mol，密度为3.9g/cm3~4.3g/cm3，熔点为1850℃，沸点为2500℃~3000℃（锐钛型和板钛型二氧化钛在高温下都会转变成金红石型，因此板钛型和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）^[1][5]

①白色颜料中二氧化钛的折射率最大（金红石型大于锐钛型）。^[23]

②二氧化钛对蓝光的反射最强，因此看起来呈蓝白色。^[23]

③二氧化钛的平均粒径在0.2μm时，遮盖力最强。^[23]

④二氧化钛具有不透明度，是由其光学本质与周围介质折射率之差造成的。^[23]

⑤将二氧化钛加热到200℃~600℃，二氧化钛会变成黄褐色，冷却后又恢复原色，这种现象称为光色互变现象。发生这种现象的原因是二氧化钛具有光化学活性。^[24][23][6]

二氧化钛的介电常数较高，因此具有优良的电学性能；二氧化钛具有半导体的性能；二氧化钛虽有亲水性，但吸湿性不太强，金红石型较锐钛型小。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，它还与表面处理及性质有关。^[5][24]

二氧化钛的化学性质极为稳定，是一种偏酸性的两性氧化物；常温下几乎不与其他元素和化合物反应，不溶于水、脂肪酸和其他有机酸及弱无机酸，微溶于碱和热硝酸。悬浮在某些有机介质中时，在光作用下，二氧化钛可发生连续的氧化还原反应，具有光化学活性。^[6]

二氧化钛在长时间煮沸的条件下，能完全溶于浓硫酸和氢氟酸，分别生成硫酸钛或硫酸氧钛及氟钛酸。其反应方程式如下：^[6][7]

二氧化钛能溶于碱，与强碱（氢氧化钠、氢氧化钾）或碱金属碳酸盐（碳酸钠、碳酸钾）熔融，可转化为溶于酸的钛酸。^[6][7]

二氧化钛与氧化钠、过氧化钡、氧化铅、氧化锌等金属氧化物在不同的条件下反应生成不同的产物。^[7]

二氧化钛具有很强的着色力和较大的折射率，在化工领域应用广泛。在涂料中使用二氧化钛生产出的涂料色彩鲜艳、遮盖力高、着色力强、耐候性好、耗油量也比较低；在纸张中添加二氧化钛可以赋予纸张不透明度和白度；在橡胶中二氧化钛除了用作着色剂外，还有补强、填充、防老化的作用；在塑料制品中的应用二氧化钛，除了利用它的高遮盖力、消色力以及与其他颜料拼用性能好外，它还能改善塑料制品的机械强度和电性能。^[10][25]

化学纤维在纺丝前要加入消光剂消光。二氧化钛是合成纤维最理想的消光材料，二氧化钛在所有白色颜料里的折射率最高（颜料与纤维的折射率相差越大其消光效果越明显）^[10][25]

因为在白色颜料中只有二氧化钛具有高的遮盖力、颜料体积浓度高，且能均匀分散在展色剂中，所以是高级白色油墨和浅色油墨不可缺少的色料。^[11][25]

二氧化钛是电焊条表层药皮中的主要成分，它是焊药的良好的造渣剂、脱氧剂、稀释剂、粘结剂和稳定剂。^[11][25]

二氧化钛在冶金工业中可用于制造各种超高温合金钢、不锈钢、硬质合金、非铁合金、砂钢片以及Ti-Fe和Ti-AI中间合金的原料。^[11][25]

由于二氧化钛的介电常数、电阻率都很高，用它制成的钛酸盐大量用于制造各种电容器陶瓷、压电陶瓷、热敏陶瓷及透明电光陶瓷等的材料。利用它的电磁性能、光学性能、半导体性能等，可以用来生产各种高技术领域中的功能陶瓷元件。^[11][25]

纳米二氧化钛颗粒作为一种新型材料，是一种无机光催化抗菌材料，在光照下能够起到抗菌的作用，并且杀菌范围广、速度快、杀菌效率高的特点，可将其融入复合食品包装材料中，可防止微生物和有机物对食品的污染。^[13][25]

纳米二氧化钛在医学可以用于抗菌；在口腔医学上是制作义齿常用的材料；还可以用于临床上肿瘤的诊断与治疗。^[14]

纳米晶TiO2太阳能电池是将一种色素附着在TiO2粒子上，然后浸泡在一种电解液中，色素受到光的照射，生成自由电子和空穴，自由电子被TiO2吸收，从电极流出进入外电路，再经过用电器，流入电解液，最后回到色素中。染料敏化太阳能电池结构简单，不需要高精度的工艺设备，而且所需要的材料和电解质较廉价，染料成本随规模化生产而降低，且环境友好。^[15]

二氧化钛在化妆品领域有很大的应用价值，是用于防晒的化妆品中最常用的无机添加剂。由于纳米TiO2具有粒径小、比表面积大、安全无毒、透明、遮盖力强、能反射、散射和吸收紫外线的特点，所以对紫外线有更强的阻隔力。^[16]

用硫酸法生产钛白粉，是采用浓硫酸将钛铁矿分解为可溶性的钛盐。然后分离去硫酸亚铁，再进行水解变成偏钛酸，经洗涤、煅烧和表面处理而得钛白粉。其反应式如下：^[8]

四氯化钛经精制后，用电导水水解，经灼烧，得到高纯二氧化钛。^[9]

钛铁矿经氯化后得到四氯化钛，经精制后，用空气氧化，经后处理得到二氧化钛。^[9]

TiO2共有十二种结晶形态，自然界中有三种结晶形态，即金红石型、锐钛矿型和板钛矿型。其中锐钛型结构是由TiO6八面体共边组成，而金红石型和板钛型结构都是由TiO6八面体共顶点且共边组成。金红石型、锐矿型和板钛型的基本结构单元见下图。^{[4][5][6][24]}

TiO2的三种同分异构体中只有金红石型最稳定，也只有金红石型可通过热转换获得。锐钛型在常温下是稳定的，但在高温下要向金红石型转化，其转化强度与制造方法及煅烧过程中是否加有抑制或促进剂等条件有关。金红石型和锐钛型都属于四方晶系，但具有不同的晶格。金红石型的晶体细长，呈针形，通常是孪晶；而锐钛型一般近似规则的八面体。板钛型属斜方晶系，是不稳定的晶型，在650℃以上即转化成金红石型，因此在工业上没有实用价值。^[4][5]

象形图[1]

GHS分类^[1]

二氧化钛属于低毒类物质。动物吸入二氧化钛粉尘，未能证明对肺组织有特殊毒性作用。长期吸入二氧化钛粉尘的工人，肺部无任何变化，也没有产生接触性皮炎、过敏反应和被皮肤吸收。^[12]世界卫生组织国际癌症研究机构把二氧化钛归类为2B类致癌物，其可能具有致癌性。^[26][1]

中国：允许^[27]

美国：依照21CFR73.575一般公认安全，允许。^[28]

英国和欧洲：依照1994年6月30日欧盟议会委员会94/36号公告“关于色素在食品中的应用”允许使用。^[28]

加拿大：允许^[28]

澳大利亚：不允许^[28]