از تیتانیوم و کاربرد های آن چه می دانید؟
تیتانیوم چیست؟
تیتانیم یک عنصر شیمیایی با نماد Ti و عدد اتمی ۲۲ است.
تیتانیم یک فلز واسطه براق نقرهای رنگ است، و چگالی کم و مقاومت بالایی دارد. این فلز به شدت در برابر خوردگی در آب دریا، تیزآب سلطانی و کلر مقاوم است.
تاریخچه تیتانیوم
تیتانیم نخستین بار در کورنوال بریتانیا از سوی ویلیام گرگور در سال ۱۷۹۱ شناسایی شد؛نام این عنصر از سوی مارتین هاینریش کلاپروت از روی تیتان از اساطیر یونان انتخاب شد.
این عنصر در بسیاری کانیها به ویژه روتیل و ایلمنیت وجود دارد. این کانیها در پوسته زمین و سنگ کره پراکندهاند؛ علاوه بر این تیتانیم تقریباً در همه موجودات زنده، سنگها، آب بدن و خاکها حضور دارد. با کمک هر دو فرایند کرال و فرایند هانتر میتوان تیتانیم را از سنگ معدنش بدست آورد.
فراوانترین ترکیب تیتانیم، دیاکسید تیتانیم است که یک فوتوکاتالیست معروف است و از آن در تولید رنگدانههای سفید استفاده میشود.
از دیگر ترکیبات تیانیم میتوان به تتراکلرید تیتانیم یا (TiCl۴ ) اشاره کرد که از آن در تولید مواد دودزا و فروکافت بهره برده میشود. همچنین کلرید تیتانیم (III) یا (TiCl۳) هم به عنوان فروکافت در تولید پلیپروپیلن مورد استفاده قرار میگیرد.
خصوصیات تیتانیوم
مهمترین ویژگیهای این فلز عبارتند از: مقاومت در برابر خوردگی و داشتن بالاترین نسبت مقاومت به چگالی در برابر دیگر عناصر فلزی. تیتانیم در هنگامی که هنوز با فلز دیگری آلیاژ نشده، مقاومتی برابر با فولاد و چگالی کمتر از آن دارد.
دو دگرشکلی و پنج ایزوتوپ طبیعی از ۴۶Ti تا ۵۰Ti برای این عنصر وجود دارد که ۴۸Ti با فراوانی طبیعی ۷۳٫۸٪ از سایرین فراوانتر است. با اینکه تیتانیم و زیرکونیم تعداد الکترونهای ظرفیت برابر دارند و در یک گروه جدول تناوبی قرار دارند با این حال در بسیاری ویژگیهای شیمیایی و فیزیکی متفاوتاند.
کاربرد تیتانیوم
عمده مصرف تیتانیوم در صنایع به دو صورت فلزی و دیاکسید تیتانیوم میباشد. مصرف فلز آن به دلیل مشکلات تهیه و خالصسازی آن مصرف چندانی ندارد، اما در عوض مصرف اکسید آن به صورت TiO2 در صنعت کاربرد بسیار گستردهای دارد؛ بهطوریکه ۹۰ درصد از صنایع اولیه، مصرفکننده اکسید تیتانیوم میباشند.
امروزه فلز تیتانیوم به عنوان یک فلز استراتژیک در موتور و ساختمان داخلی هواپیما، تجهیزات حمل و نقل، صنایع شیمیایی، واحدهای مولد برق، صنایع آلیاژی، ساخت زیر دریاییها، کارخانههای ساخت مواد شیمیایی، دستگاههای خنککننده نیروگاههای اتمی و حرارتی و دهها مورد دیگر کاربرد دارد.
مصرف عمده دیاکسید تیتانیوم در صنایع رنگسازی به عنوان رنگدانه میباشد و همچنین این ماده در صنایع سرامیک، پلاستیک، کاغذ و الکترونیک کاربرد دارد. مصرف این ماده در کشورهای پیشرفته تقریباً ۱۰ برابر کشورهای در حال توسعه میباشد.
فلز تیتانیوم در محیطهای فرسایشی بسیار مقاوم میباشد. تیتانیوم خالص یا آلیاژهای آن با ناخالصی کم در کارخانههای سولفور زدایی مشتقات نفتی، در تجهیزات مربوط به چاههای نفت و در اتصالات مورد نیاز و همچنین در موارد پزشکی مورد استفاده قرار میگیرد.
از طرفی ورقهای فولادی با پوشش تیتانیوم هماکنون در جهان تولید شده که بعلت خاصیت ضد فرسایشی کاربرد وسیعی در صنعت نفت و در مراحل سولفور زدایی مشتقات نفتی در پالایشگاهها پیدا کردهاند. دیگر مصرف عمده این فلز در صنعت هواپیماسازی است.
سایر مصارف عمده تیتانیوم
ساخت کاربرد تیتانیم، سرامیک، فرایند شیمیایی و الکتروشیمیایی، ساخت ورقههای فلزی و بازیافت آنها، صنعت نفت، سولفور زدایی گاز مایع، نمک زدایی آب (تصفیه آب)، ساخت پمپهای مخصوص مکش آب از دریا، ساختمان سازی، پزشکی (قطعات تعویضی در بدن، دندانها)، صنایع اتومبیل سازی، ساخت انبارههای مخصوص، جهت نگهداری از موادی نظیر ضایعات اتمی و غیره، الیاف تقویتکننده جهت استفاده در ترکیبات فلزی، رباتهای صنعتی، جواهر سازی، ساخت انواع آلیاژها، ذخیرهسازی انرژی، بالا بردن قابلیت هدایت حرارتی آلیاژها، پرکننده، سنگهای جواهرات مصنوعی و نرمافزار.
ایلمنیت و اکسیدهای تیتانیم برای تهیه تیتانیم در آلیاژهای مهم و راهبردی استفاده میگردد.
آلیاژهای تیتانیم در بدنه هواپیماهای جنگی، سفینههای فضایی، موشکها، موتور هواپیماها، ادوات رزمی، توربینهای گازی، دوچرخه و لپ تاپ مورد استفاده قرار میگیرند. تیتانیوم اغلب با آلومینیوم، آهن، منگنز، مولیبدن و فلزات دیگر تشکیل آلیاژ میدهد.
ایلمنیت همچنین در تهیه اکسید تیتانیم که در صنایع رنگ سازی، کاغذسازی و پلاستیک به عنوان ماده رنگی، براق کردن سطح فلزات، لعاب، لاستیک سازی، شیشه، فایبرگلاس، سرامیک، الکتروسرامیک و . . . مصرف میشود، کاربرد دارد.
تنها در حدود ۵٪ تولید سالانه جهانی تیتانیوم صرف تولید فلز تیتانیوم شده و ۹۵٪ باقیمانده در تولید ماده رنگ دیاکسید تیتانیوم مورد استفاده قرار میگیرد.
این ماده دارای دو شکل آلوتروپی روتیل و آناتاز است که به واسطه رنگ سفید، ضریب شکست بالا (۴۹/۲–۹۰/۲)، درخشندگی عالی، بیاثر (خنثی بودن) و مقاومت سایشی و حرارتی بالای آن، درجه دیرگدازی بالا و توان زیاد در توزیع و انتشار یکنواخت در ترکیبات دیگر به عنوان عمدهترین ماده اولیه رنگ سفید در صنایع رنگ سازی، کاغذسازی، پلاستیک، لاستیک و … شناخته میشود.
مصارف دارویی
پودر تیتانیم دیاکسید (روتیل) که از آن پراکسید تیتان، تیتانیم سالسیلات و تیتانیم تانات تهیه میکنند، عملی همانند اکسید روی بر روی پوست بدن ایجاد میکند.
تیتانیم دیاکسید برای التیام سوزشهای پوستی مورد استفاده قرار میگیرد و منعکسکننده اشعه ماوراء بنفش خورشید است و بدین جهت در ساختن کرمها و لوسیونهای ضدآفتاب (ضد سوختگی) استفاده میشود.
از پودر تیتانیم دیاکسید در ساخت قاب کپسولهای دارویی و پوشش قرصها نیز استفاده میشود.
مصارف آرایشی
تیتانیم دیاکسید در ساخت وسایل آرایشی به کار میرود.
مصرف سالیانه عنصر تیتانیوم و ترکیبات آن، ۱۰۵ تا ۱۰۶ تن میباشد. تقریباً ۹۵٪ تیتانیم به فرم اکسید تیتانیم TiO4 مصرف میشود و یک رنگدانه دایمی و به شدت سفید رنگ با قدرت پوششی خوب در رنگها، کاغذ و پلاستیک است.
رنگها با وجود اکسید تیتانیوم یک بازتابنده بسیار عالی اشعه مادون قرمز را میسازد و بنابراین بهطور گستردهای توسط اختر شناسان مورد استفاده قرار میگیرد. از آنجایی که این فلز مقاومت بالا، وزن سبک، مقاومت غیرعادی در برابر خوردگی و توانایی ایستادگی در برابر دماهای بسیار بالا میباشد.
شرح فرایند تیتانیوم
ابتدا به لقمه تیتانیومیِ آماده شده (میتواند خروجیِ فرایند فورج باشد) حرارت داده میشود. در حین عملیات حرارتدهی و جابهجایی برای فرایند اکستروژن لایهای اکسیدی در فاز آلفا بر روی سطح لقمه تشکیل میشود که برای فرایند اصلاً مطلوب نیست؛ لذا با غوطهور کردن لقمه درست قبل از فرایند اکستروژن در موادی حاوی شیشه، لایه نامطلوب زدوده شده و لایهای از جنس شیشه به آن اضافه میشود. این کار به دلیل آن است که قابلیت شکلپذیری و ماشینکاری بر روی تیتانیوم افزایش یابد و نیز برای اینکه شیشه در طول فرایند نقش روانکننده را بازی کند.
دمای فرایند بین ۸۰۰ و ۱۱۵۰ درجه سلسیوس است. چنانچه دمای فرایند بیش از ۱۰۰۰ درجه سلسیوس باشد پوشش شیشهای لازم میشود چنانکه برای اکستروژن تیتانیوم Ti-6Al-4V، فرایند در دمایی حدود ۱۱۵۰ درجه سلسیوس (۲۱۰۰ درجه فارنهایت) با پوشش شیشه انجام میگیرد. اگر دما بیش از حد نیاز باشد بروز عیوب و ترک در سطح لقمه پیش میآید و چنانچه دما کمتر از حد لازم باشد امکان عدم عبور یا عبور صحیح از دهانه قالب وجود دارد.
برای هرچه بهتر انجام شدن فرایند، از اکستروژن تک قالبه و تک لقمه استفاده میشود. در این صورت هم کیفیت سطح ارتقا مییابد و هم تغییر شکلِ قطعه به قطعه کاهش مییابد.
غالباً این فرایند با سرعت بالا بین ۱٫۵ و ۵ ثانیه صورت میپذیرد. فشار لازم برای فرایند نیز تا حدود ۲۰۰۰ تن است. برای زدودن لایه شیشهای پس از فرایند در صورت نیاز از عملیات سابپاشی استفاده میشود که البته کیفیت سطح را نیز بهبود میبخشد.
خطرات استفاده از تیتانیوم
این فلز حتی در مقادیر بسیار زیاد نیز سمی نیست و نقش خاصی را در بدن انسان ندارد. به طور معمول روزانه ۰/۸ میلیگرم از این عنصر توسط انسان مصرف میشود. این میزان کم در بافتها تجمع پیدا نمیکند مگر در مواردی که بافت شامل سیلیکا (SiO2) باشد.
برخی مطالعات، ارتباطی را میان این فلز و سندرم ناخن زرد پیدا کردهاند. گیاهان تحت مکانسیمهایی ناشناخته از این عنصر برای تحریک تولید کربوهیدراتها استفاده میکنند. به همین دلیل بیشتر گیاهان شامل ۱ppm از این فلز هستند. این میزان برای گیاهان خوراکی در حدود ۲ppm و برای گیاه گزنه ۸۰ppm است.
اگر پودر این فلز یا تراشههای آن در حضور هوا حرارت ببینند، خاصیتی انفجاری از خود بروز میدهند که آب و دیاکسید کربن در خاموش کردن شعله آن تاثیری ندارند. همچنین این عنصر نباید در معرض گاز کلر قرار بگیرد چراکه این گاز در ترکیب با آن موجب بروز شعلههای تیتانیوم-کلرید میشود
برخی تامین کنندگان تیتانیوم در سناماین👇
