دی اکسید تیتانیوم (TiO₂) یک ترکیب معدنی با کاربردهای وسیع در صنایع مختلف است که علاوه بر داشتن خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به فرد، به عنوان پیگمنت سفید در رنگ‌ها، محصولات آرایشی و صنایع غذایی کاربرد دارد. این ماده به دلیل ویژگی‌های ویژه‌ای همچون قدرت پوشانندگی بالا، مقاوم بودن در برابر مواد شیمیایی و نور، و همچنین قابلیت جذب UV، در تولید کرم‌های ضد آفتاب و لوازم آرایشی محبوب است. دی اکسید تیتانیوم به سه شکل کریستالی (آناتاز، روتیل و بروکیت) وجود دارد و به صورت عمده در فرآیندهای صنعتی و فرمولاسیون‌های خاص استفاده می‌شود. در حالی که استفاده موضعی آن در آرایشی و بهداشتی ایمن به نظر می‌رسد، نگرانی‌هایی در خصوص اثرات نانوذرات و استنشاق گرد و غبار آن وجود دارد. این مقاله به بررسی خواص، روش‌های تولید، کاربردها، و مسائل ایمنی مربوط به دی اکسید تیتانیوم می‌پردازد.
دی اکسید تیتانیوم چیست؟
دی اکسید تیتانیوم (TiO₂) ترکیبی معدنی با فرمول شیمیایی TiO₂ است که به نام‌های دیگری مانند اکسید تیتانیوم (IV) یا تیتانیا نیز شناخته می‌شود. این ماده به صورت پودر یا غبار سفید ریز و به طور طبیعی وجود دارد.
خواص و ویژگی‌های تیتانیوم دی اکسید:
- دی اکسید تیتانیوم یک ترکیب معدنی بسیار پایدار است.
- از نظر شیمیایی، یک اکسید آمفوتریک اسیدی محسوب می‌شود.
- در دمای اتاق با عناصر و ترکیبات دیگر واکنش نشان نمی‌دهد و تحت تأثیر اکسیژن، نیتروژن، سولفید هیدروژن، یا دی اکسید کربن قرار نمی‌گیرد.
- در آب و چربی نامحلول است.
- در اسید رقیق، اسید معدنی و قلیایی نامحلول است و تنها در اسید فلوریک محلول می‌باشد.
- تحت تأثیر نور، می‌تواند تحت واکنش ردوکس مداوم قرار گرفته و فعالیت فتوشیمیایی داشته باشد. این فعالیت به ویژه در دی اکسید تیتانیوم نوع آناتاز تحت تابش فرابنفش مشهود است و آن را به یک کاتالیزور اکسیداسیون یا کاهش نور تبدیل می‌کند.
- دی اکسید تیتانیوم به دلیل خواص منعکس کننده نور و مقاومت شیمیایی بالا به طور گسترده در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد.
- به عنوان پیگمنت سفید استفاده می‌شود.
- دارای قدرت پوشانندگی بالا است، به این معنی که می‌تواند مواد زیرین را پنهان کند و این کار را مؤثرتر از سایر پیگمنت‌های سفید انجام می‌دهد.
- دی اکسید تیتانیوم به دلیل خصوصیات غیر سمی و سازگاری با محیط زیست، انتخاب امن و مؤثری برای استفاده در فرمولاسیون‌های مختلف است. با این حال، موضوع ایمنی آن بحث‌برانگیز نیز هست.
- خواص فیزیکی آن شامل شکل ظاهری جامد سفید، جرم مولی 79.866 g/mol، چگالی 4.23 g/cm³ (برای روتیل)، دمای ذوب ۱۸۴۳ درجه سانتی‌گراد و دمای جوش ۲۹۷۲ درجه سانتی‌گراد است. ضریب شکست آن نیز برای آناتاز 2.488، برای بروکیتیت 2.583 و برای روتیل 2.609 است.
منشأ و تولید دی اکسید تیتانیوم:
- دی اکسید تیتانیوم یک ماده معدنی طبیعی است که از زمین استخراج شده و سپس برای استفاده در محصولات مصرفی پردازش و تصفیه می‌شود.
- منابع اصلی آن ایلمنیت، روتیل و آناتاز هستند.
- دو روش اصلی برای تولید دی اکسید تیتانیوم وجود دارد: روش سولفات و روش کلرید.
- روش سولفات از سنگ معدن ایلمنیت و اسید سولفوریک استفاده می‌کند. مزیت این روش ارزان بودن مواد اولیه است، اما معایب آن شامل طولانی بودن فرآیند، استفاده زیاد از اسید سولفوریک و تولید ضایعات زیاد است.
- روش کلرید از سنگ معدن تیتانیوم غنی از روتیل استفاده می‌کند و فرآیند گران‌تر و نیازمند تجهیزات پیچیده‌تری است. مزیت این روش کوتاهی فرآیند و مصرف کمتر انرژی است.
اشکال و گریدهای دی اکسید تیتانیوم:
تیتانیوم دی اکسید به عنوان یک ماده آرایشی توجه زیادی را به خود جلب کرده است زیرا تیتانیوم اکسید دارای بالاترین ضریب شکست در بین رنگدانه های سفید و همچنین خاصیت پنهان کنندگی (concealing property) بالایی دارد. تیتانیوم اکسید به سه شکل کریستالی به نام‌های آناتاز (anatase)، روتیل (rutile) و بروکیت (brookite) وجود دارد و در لوازم آرایشی از روتیل برای بالاترین ضریب شکست و پایداری آن استفاده می‌شود. به طور خاص، تیتانیوم اکسید با اندازه ذرات تقریباً 200 نانومتر دارای بالاترین خاصیت پراکندگی نور است و انتظار می رود خاصیت پنهان کنندگی بالایی داشته باشد و به طور گسترده به عنوان رنگدانه 30 استفاده می شود (شکل زیر). علاوه بر این، تیتانیوم اکسید ریز مدت‌هاست که برای محافظت از پوست در برابر آفتاب سوختگی ناشی از اشعه ماوراء بنفش موثر است.
به طور خلاصه:
- دی اکسید تیتانیوم در چندین فرم بلوری وجود دارد که رایج‌ترین آن‌ها روتیل و آناتاز هستند. فرم بروکیتیت ساختار بلوری اورتورومبیک دارد و به ندرت استفاده می‌شود.
- فرم روتیل معمولاً بزرگتر از فرم آناتاز است و ساختار بلوری متراکم‌تری دارد.
- انتقال فاز آناتاز به روتیل در دمای حدود ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد رخ می‌دهد، اما برای پایداری فاز آناتاز در دماهای بالاتر می‌توان کاتیون اضافه کرد.
- بر اساس انجمن مواد و تست آمریکا (ASTM)، دی اکسید تیتانیوم به صورت پیگمنت در ۴ نوع موجود است که از نظر درصد TiO₂ و نوع گرید (آناتاز یا روتیل) متفاوت هستند و کاربردهای مختلفی در رنگ‌های داخلی و خارجی، لاک ناخن، و لعاب‌ها دارند.
- گریدهای مختلفی از اکسید تیتانیوم بر اساس کاربردشان در صنایع خاص وجود دارد، از جمله:
- گرید دارویی (Pharma Grade): برای رنگ سفید قرص‌ها، کپسول‌ها، پمادها و محافظت از مواد حساس به نور و افزایش ماندگاری داروها استفاده می‌شود.
- گرید خوراکی (Food Grade): برای سفید کردن مواد غذایی مانند آدامس، آب‌نبات، شیرینی، شکلات، خامه قهوه و تزئینات کیک استفاده می‌شود و به حفظ ماندگاری محصولات غذایی کمک می‌کند. در این کاربرد دارای شماره E E171 است.
- گرید آرایشی (Cosmetics Grade): به طور گسترده در محصولات آرایشی و بهداشتی مانند رژلب، کرم ضد آفتاب، خمیردندان، کرم و پودر به عنوان تقویت کننده رنگ، فیلتر UV و ایجاد رنگ مات سفید در صابون‌ها استفاده می‌شود.
- گرید روتیل (Rutile Grade): به طور عمده در صنعت رنگ و پوشش به کار می‌رود و جایگزین تمام رنگدانه‌های سفید در این صنعت شده است. همچنین در رنگ پلاستیکی و اسباب‌بازی‌ها، لوازم خانگی، ماشین‌ها و غیره استفاده می‌شود. این گرید دارای مقاومت و دوام بالایی است.
- گرید اولترافاین (Ultrafine Grade) یا نانومقیاس (Nanoscale): ذراتی با اندازه کمتر از ۱۰۰ نانومتر دارند و معمولاً در کاربردهای خاصی مانند کرم ضد آفتاب استفاده می‌شوند، جایی که شفاف به نظر می‌رسند اما به عنوان جاذب UV عمل می‌کنند. این گرید به عنوان رنگدانه استفاده نمی‌شود زیرا کدورت و رنگ سفید را ایجاد نمی‌کند.
کاربردهای دی اکسید تیتانیوم:
- دی اکسید تیتانیوم در صنایع آرایشی و بهداشتی: یکی از پرکاربردترین مواد در این صنعت است.
- به عنوان پیگمنت سفید در محصولات آرایشی مانند فونداسیون، پودر، رژگونه و سایه چشم استفاده می‌شود.
- به عنوان فیلتر UV در کرم‌های ضد آفتاب استفاده می‌شود، که اشعه‌های مضر UVA و UVB را جذب یا منعکس/پراکنده می‌کند. در ضد آفتاب‌های فیزیکی/معدنی کاربرد دارد..
- به عنوان غلیظ کننده یا پرکننده عمل می‌کند.
- می‌تواند چربی اضافی پوست را جذب کند.
- ماده‌ای غیر کومدون‌زا است، به این معنی که منافذ را مسدود نمی‌کند و باعث آکنه نمی‌شود.
- خواص ضد میکروبی دارد و می‌تواند به کاهش رشد باکتری‌ها روی پوست کمک کند.
- می‌تواند خواص ضد آب بودن را به برخی لوازم آرایشی مانند سایه‌ها و رژلب‌ها ببخشد.
- در خمیر دندان استفاده می‌شود.
- تیتانیوم دی اکسید صنایع رنگ و پوشش: کاربرد گسترده‌ای به عنوان رنگدانه سفید دارد. به دلیل قدرت پوشانندگی و دوام بالا در رنگ‌های داخلی و خارجی، رنگ پلاستیک، لعاب و غیره استفاده می‌شود.
- دی اکسید تیتانیوم در صنایع غذایی: به عنوان رنگدانه سفید (E171) در محصولاتی مانند شیرینی‌جات و آدامس استفاده می‌شود. همچنین در بسته‌بندی مواد غذایی برای افزایش ماندگاری و خواص ضد باکتریایی/فوتوکاتالیستی به کار می‌رود.
- دی اکسید تیتانیوم در صنایع دارویی: در تولید قاب کپسول‌ها و پوشش قرص‌ها به عنوان رنگدانه و محافظ مواد حساس به نور استفاده می‌شود.
- دی اکسید تیتانیوم در صابون سازی: به عنوان پیگمنت سفید برای ایجاد حداکثر روشنایی، کدورت و پنهان کردن رنگ‌های زیرین استفاده می‌شود. می‌تواند رنگ صابون را روشن کند و ظاهر ترد و عالی به آن بدهد.
- دی اکسید تیتانیوم به عنوان کاتالیست‌ها: نانو دی اکسید تیتانیوم به عنوان پشتیبان کاتالیست در سیستم‌های گاز اگزوز خودروها، کامیون‌ها و نیروگاه‌ها برای به حداقل رساندن آسیب‌های محیط زیست استفاده می‌شود. همچنین فعالیت‌های کاتالیزوری را برای واکنش‌های مختلف تسریع می‌کند.
- دی اکسید تیتانیوم در تصفیه آب و پساب: در غشاهای مورد استفاده در روش‌های فیلتراسیون به کار می‌رود.
- سایر کاربردهای دی اکسید تیتانیوم: در جوهر، کاغذ، پلاستیک، لاستیک، سرامیک، الیاف مصنوعی، میله جوش الکتریکی، نیمه‌رساناها و آینه‌های دی‌الکتریک نیز استفاده می‌شود.
استفاده دی اکسید تیتانیوم در صابون سازی:
- برای استفاده در صابون سازی، توصیه می‌شود دی اکسید تیتانیوم را ابتدا در یک مایع سبک (آب یا روغن) پراکنده کرد تا از ایجاد دانه‌های سفید در صابون جلوگیری شود.
- برخی منابع توصیه می‌کنند که ۱ قاشق چای‌خوری رنگدانه را در ۱ قاشق غذاخوری روغن سبک مانند روغن بادام شیرین یا روغن کانولا پراکنده کنید. برخی دیگر نسبت ۱ به ۳ را پیشنهاد می‌کنند، مثلاً ۱ قاشق چای‌خوری TiO₂ به ۳ قاشق چای‌خوری روغن یا آب.
- می‌توان آن را در آب یا روغن پراکنده کرد. انتخاب بین آب و روغن ممکن است ترجیح شخصی باشد.
- پراکنده‌سازی در آب ممکن است احتمال ایجاد “رودخانه های گلیسیرین” را افزایش دهد، به خصوص اگر دمای صابون بالا باشد. پراکنده‌سازی در روغن به جلوگیری از افزودن آب اضافی به صابون کمک می‌کند.
- برای کمک به کار کردن با کلوخه‌ها، می‌توان از همزن کوچک استفاده کرد. برخی صابون سازان برای ریزتر کردن ذرات و جلوگیری از رگه‌ها از آسیاب قهوه استفاده می‌کنند.
- TiO₂ پراکنده شده می‌تواند از قبل آماده شده و در یک بطری دربسته نگهداری شود. اگر در آب نگهداری می‌شود، بهتر است در یخچال نگهداری شود تا از رشد کپک جلوگیری شود.
- مقدار دقیق مورد نیاز به عوامل مختلفی بستگی دارد، از جمله روغن‌های استفاده شده و اندازه دستور پخت. توصیه می‌شود با مقدار کمی شروع کرده (مثلاً ۱-۲ قاشق چای‌خوری پراکنده شده) و به تدریج اضافه کنید تا رنگ دلخواه به دست آید.
- اضافه کردن مقدار زیاد TiO₂ می‌تواند بافت صابون را گچی و ناخوشایند کند.
- TiO₂ را می‌توان در مراحل مختلف صابون‌سازی اضافه کرد. یک زمان توصیه شده در “ترس نازک” است، زمانی که صابون امولسیون شده اما خیلی غلیظ نیست. می‌توان آن را به آب قلیا (پس از خنک شدن) یا روغن‌ها نیز اضافه کرد.
- می‌تواند به روشن شدن خمیر صابون کمک کند، اما لزوماً از تغییر رنگ ناشی از برخی عطرها جلوگیری نمی‌کند.
ایمنی و ملاحظات بهداشتی دی اکسید تیتانیوم:
- بحث‌هایی در مورد ایمنی دی اکسید تیتانیوم وجود دارد.
- آژانس بین‌المللی تحقیقات سرطان (IARC) دی اکسید تیتانیوم را به عنوان “احتمالاً سرطان‌زا برای انسان” (گروه 2B) بر اساس مطالعات استنشاق در حیوانات طبقه‌بندی کرده است.
- برخی مطالعات حیوانی که در سال ۱۹۸۵ انجام شد و در آن‌ها موش‌ها در معرض مقادیر زیادی غبار دی اکسید تیتانیوم برای مدت طولانی قرار گرفتند، افزایش جزئی در تومورهای ریه و مشکلات تنفسی را نشان داد. با این حال، چکیده این مطالعه بیان می‌کند که ارتباط بیولوژیکی این نتایج برای انسان ناچیز است.
- در سال ۲۰۲۱، اتحادیه اروپا استفاده از آن را به عنوان افزودنی در مواد غذایی (E171) ممنوع کرد، بر اساس شواهدی که نشان می‌داد ممکن است باعث سرطان روده شود.
- نگرانی‌هایی در مورد نانوذرات دی اکسید تیتانیوم وجود دارد. برخی تحقیقات نشان می‌دهند که ذرات اولترافاین (نانو) ممکن است بتوانند از طریق پوست به سلول‌ها نفوذ کنند، اگرچه این موضوع هنوز مورد بحث است. همچنین نگرانی‌هایی وجود دارد که نانوذرات در مواد غذایی ممکن است پس از بلعیده شدن از فیلترهای کلیه، سد روده و سد خونی مغزی عبور کرده و اثرات سمی مانند واکنش‌های التهابی یا مرگ سلولی ایجاد کنند.
- با این حال، منابع متعددی بیان می‌کنند که دی اکسید تیتانیوم، به ویژه زمانی که به صورت موضعی بر روی پوست استفاده می‌شود یا به عنوان پیگمنت در صابون‌ها به کار می‌رود، ایمن در نظر گرفته می‌شود. این ایمنی به این دلیل است که به راحتی شسته می‌شود و به راحتی توسط پوست جذب نمی‌شود. مطالعات نشان داده‌اند که نانوذرات TiO₂ توانایی نفوذ یا آسیب به پوست را ندارند و فقط در لایه‌های خارجی پوست یافت می‌شوند.
- استنشاق گرد و غبار دی اکسید تیتانیوم می‌تواند خطرناک باشد و ممکن است باعث تحریک دستگاه تنفسی شود . این نگرانی به ویژه برای نانوذرات استنشاقی بیشتر است، زیرا ممکن است به آلوئول‌های ریوی برسند و در آن‌ها اختلال ایجاد کنند.
- مواجهه شغلی در کارخانه‌ها یا هنگام کار با پودر TiO₂ ممکن است رخ دهد و اقدامات حفاظتی مانند کنترل‌های مهندسی و تجهیزات حفاظت فردی برای کاهش خطرات توصیه می‌شود.
- انجمن تولیدکنندگان دی اکسید تیتانیوم (TDMA) و اداره ایمنی مواد غذایی اروپا (EFSA) اعلام کرده‌اند که E171 به طور کامل آزمایش شده و نگرانی ایمنی ندارد، در حالی که برخی تحقیقات دیگر خلاف این را نشان می‌دهند. FDA نیز دی اکسید تیتانیوم را برای استفاده در لوازم آرایشی تأیید کرده است.
- برای کار با دی اکسید تیتانیوم، توصیه می‌شود از تجهیزات حفاظت فردی مناسب مانند دستکش، لباس محافظ، عینک ایمنی و در صورت وجود گرد و غبار، ماسک تنفسی ویژه استفاده شود.
در نهایت، دی اکسید تیتانیوم ماده‌ای با کاربردهای بسیار متنوع است که خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به فردی دارد. در حالی که استفاده موضعی آن در محصولات آرایشی و صابون‌سازی به طور کلی ایمن تلقی می‌شود، نگرانی‌هایی در مورد نانوذرات و خطرات استنشاق یا بلعیدن آن وجود دارد که منجر به ممنوعیت‌هایی در برخی مناطق (مانند اتحادیه اروپا برای مواد غذایی) شده است.
تیتانیوم دی اکسید (TiO2) یکی از 21 ماده شیمیایی ضد آفتاب مورد تایید FDA با سطح استفاده تایید شده از 2 تا 25 درصد است. هنگام استفاده، تیتانیوم دی اکسید روی سطح پوست باقی می ماند و نور UV را پخش می کند. این اغلب همراه با سایر مواد شیمیایی ضد آفتاب برای افزایش ارزش SPF محصول استفاده می شود، بنابراین خطر تحریک یا آلرژی ناشی از استفاده بیش از حد از ضد آفتاب های شیمیایی را کاهش می دهد. ترکیب آن در فرمولاسیون های ضد آفتاب، پایه های آرایش و مرطوب کننده های روز به اندازه خاص تیتانیوم دی اکسید مورد استفاده بستگی دارد.
هرچه اندازه ذرات کوچکتر باشد، کاربرد TiO2 محجوب تر است. از سوی دیگر، ذرات درشت، شست و شوی یا ظاهری سفید رنگ روی پوست باقی می‌گذارند. برخی از شرکت ها هنگام اشاره به اندازه ذرات دی اکسید تیتانیوم، «میکرو» یا «اولترا» را فهرست می کنند. بر اساس برخی منابع، تیتانیوم دی اکسید با توجه به ویژگی های شیمیایی، آرایشی و فیزیکی می تواند جزء ایده آل محافظت در برابر UVA/UVB باشد. دی اکسید تیتانیوم نیز برای ایجاد رنگ سفید در محصولات آرایشی استفاده می شود.
