Pigmenty dwutlenku tytanu (popularnie zwane bielą tytanową) są najważniejszymi i najbardziej rozpowszechnionymi pigmentami nieorganicznymi. Swoją popularność zawdzięczają przede wszystkim unikalnej zdolności do nadawania nieprzezroczystości, jasności i jaskrawości pigmentowanym wyrobom, połączonej z wysokim bezpieczeństwem stosowania. Poza wyjątkowymi walorami pigmentacyjnymi dwutlenek tytanu jest doskonałym absorberem destrukcyjnego promieniowania ultrafioletowego, jest bierny chemicznie, nierozpuszczalny (tym samym niepodatny na migrację), stabilny termicznie oraz nietoksyczny.

Wprowadzenie

Brak negatywnego oddziaływania dwutlenku tytanu na organizm ludzki oraz bardzo niski poziom zawartości metali ciężkich pozwala na spełnianie najbardziej rygorystycznych wymagań stawianych pigmentom przez przemysł tworzyw sztucznych (w tym producentów opakowań do żywności czy zabawek). Wypadkowa powyższych właściwości decyduje o stale rosnącym zapotrzebowaniu na biel tytanową.

Zastosowanie bieli tytanowej w przemyśle tworzyw sztucznych

Szybki rozwój technologii tworzyw sztucznych doprowadził do zdecydowanego wzbogacenia ich asortymentu oraz rozszerzenia obszarów zastosowań. Rosnące zapotrzebowanie tworzywa sztuczne zawdzięczają stosunkowo niskim kosztom produkcji, względnie wysokiej wytrzymałości, wysokiej trwałości i odporności na korozję oraz walorom estetycznym. Z tego względu tworzywa sztuczne coraz częściej wypierają tradycyjne materiały: drewno, stal, szkło, wyroby ceramiczne, skórę, kauczuk naturalny itp. Do najbardziej popularnych tworzyw sztucznych należą polietylen, polichlorek winylu, polipropylen, polistyren i jego kopolimery. Większość polimerów w swojej czystej postaci jest przezroczysta i pozbawiona koloru. Niektóre z nich znajdują zastosowanie w stanie transparentnym, jednak zdecydowana większość wymaga pigmentowania w celu nadania ostatecznym wyrobom nieprzezroczystości, trwałości i odpowiedniej barwy. Dwutlenek tytanu jest najszerzej stosowanym pigmentem w przetwórstwie tworzyw sztucznych, wykorzystywanym przede wszystkim do produkcji poliolefin (gł. polietylenu, polipropylenu), polichlorku winylu czy tworzyw konstrukcyjnych: PS, ABS, SAN. W innych zastosowaniach (żywice poliestrowe, tworzywa poliamidowe, poliakrylowe, poliwęglanowe, fenolowo-formaldehydowe) rola pigmentu dwutlenku tytanu jest zdecydowanie mniejsza, co związane jest z innymi wymaganiami w zakresie nieprzezroczystości i barwy. Spośród dwóch form krystalograficznych dwutlenku tytanu (anatazu i rutylu) w tworzywach sztucznych znajduje zastosowanie niemal wyłącznie forma rutylowa, znacznie bardziej odporna na oddziaływanie czynników atmosferycznych i posiadająca wyższy współczynnik załamania światła, a tym samym wyższą zdolność do nadawania nieprzezroczystości i wyższą zdolność rozjaśniania innych barw. Formę anatazową, z uwagi na jej mniejszą twardość i bardziej neutralny odcień, stosuje się głównie we włóknach sztucznych. Od pigmentów dwutlenku tytanu stosowanych w tworzywach sztucznych wymaga się dobrej dyspergowalności, neutralnego odcienia barwy, wysokiej siły krycia, wysokiej zdolności rozjaśniania kolorowych pigmentów oraz zdolności do zwiększania odporności pigmentowanych wyrobów na oddziaływanie podwyższonych temperatur czy czynników atmosferycznych. Niekiedy nadanie nieprzezroczystości wyrobowi może być łączone ze zwiększeniem właściwości ochronnych pakowanego produktu (np. mleka i jego przetworów czy soków). Ilość użytego pigmentu w stosunku do masy pigmentowanego wyrobu jest relatywnie (w porównaniu do powłok) niska i zwykle nie przekracza kilku procent. Zazwyczaj jest ona uzależniona od grubości wyrobu i wymagań co do jego nieprzezroczystości. W przypadku produktów grubych, takich jak butelki, skrzynki, arkusze, pudełka, zawartość dwutlenku tytanu wynosi średnio od 0,5% do 2%, z kolei w wyrobach cienkich (np. folie) może dochodzić nawet do 20%.

Poliolefiny

Poliolefiny, stosowane w dużej mierze do produkcji folii, pigmentowane są najczęściej za pomocą przedmieszek (z ang. masterbatches), co wymaga użycia pigmentów łatwo dyspergujących się, o wąskim rozkładzie wielkości cząstek, pozbawionych aglomeratów. Najlepsze rezultaty osiąga się, stosując gatunki nieobrabiane lub korzystniej nieznacznie obrabiane powierzchniowo. Pozwala to uzyskać najlepszą przetwarzalność pigmentu oraz uniknąć pęcherzenia pigmentowanego wyrobu zachodzącego w wyniku uwalniania się pod wpływem temperatury związanych z powierzchnią pigmentu cząsteczek wody.

Polichlorek winylu

Spośród wyrobów z polichlorku winylu dwutlenek tytanu stosuje się głównie do pigmentowania rur, profili okiennych, płytek, kabli i przewodów. Zastosowania te wymagają użycia pigmentów łatwo dyspergujących się, o wysokiej sile krycia, o dobrych właściwościach optycznych i zazwyczaj wysokiej odporności na warunki atmosferyczne. Najlepsze rezultaty osiąga się, stosując obrabiane powierzchniowo gatunki rutylowe. W przypadku wyrobów stabilizowanych związkami ołowiu zachodzi potrzeba stosowania bieli tytanowej o najwyższej odporności, w celu zapobieżenia procesowi szarzenia wywołanego redukcją jonów ołowiawych do metalicznego ołowiu w obecności wilgoci i promieniowania słonecznego, przy katalitycznym udziale cząstek pigmentu.

Polistyren

Większość wytwarzanego polistyrenu i kopolimerów akrylonitrylu, butadienu i styrenu stosowana jest do produkcji materiałów opakowaniowych. Do tych zastosowań nadają się łatwo dyspergowalne pigmenty o dużej sile krycia.

Optymalny dobór pigmentu

Bardzo szeroki asortyment polimerów, różnorodność technik pigmentowania i przetwarzania pigmentowanych wyrobów, ekonomika produkcji oraz mnogość zastosowań tworzyw sztucznych wymagają stosowania różnych gatunków bieli tytanowej. Wybór optymalnego gatunku uwzględniający wszystkie wymagania danego zastosowania, biorąc pod uwagę mnogość oferowanych na rynku gatunków bieli tytanowej, nie jest sprawą prostą.

Generalnie wyróżnia się trzy zasadnicze rodzaje bieli tytanowej przeznaczonej do pigmentowania tworzyw sztucznych (wszystkie odmiany rutylowej):

- gatunki nieobrabiane powierzchniowo, przeznaczone do pigmentowania tańszych wyrobów, o raczej niskich wymaganiach. Zapotrzebowanie na te gatunki systematycznie spada. Gatunki te trudniej się dyspergują i nie chronią dostatecznie pigmentowanego wyrobu przed oddziaływaniem światła czy innych czynników atmosferycznych;

- gatunki lekko obrabiane powierzchniowo, o wąskim rozkładzie wielkości cząstek i małej ich średnicy, o hydrofobowej powierzchni, przeznaczone gł. do produkcji koncentratów, pigmentowania folii, wyrobów cienkościennych. Z uwagi na łatwość przetwarzania, w ostatnich latach gatunki te cieszą się dużym zainteresowaniem. Z reguły nie poleca się ich do wyrobów, od których wymaga się wysokiej odporności na warunki atmosferyczne;

- gatunki głębiej obrabiane powierzchniowo, o wąskim rozkładzie wielkości cząstek i trochę większej średnicy, o hydrofobowej powierzchni, przeznaczone dla wyrobów odpornych na warunki atmosferyczne, gł. do produkcji twardego polichlorku winylu; raczej rzadko stosowane do produkcji koncentratów pigmentowych.

Każdorazowo wskazane jest, by wybór odpowiedniego gatunku poprzedzić analizą:

- wymagań wynikających z końcowego zastosowania (rodzaj tworzywa, jego grubość, stopień nieprzezroczystości, kolorystyka, przeznaczenie wyrobu itp.);

- właściwości pigmentu (właściwości fizykochemiczne, barwa, łatwość dyspergowania, odporność);

- technicznych możliwości pigmentowania.

W celu zminimalizowania ryzyka wybór ten należy potwierdzić wykonaniem odpowiednich testów. Spośród wielu producentów bieli tytanowej pigmenty przeznaczone do tworzyw sztucznych oferują także Zakłady Chemiczne „POLICE” SA będące jedynym producentem bieli tytanowej w kraju. Z szerokiej palety gatunków do tworzyw sztucznych poleca się: TYTANPOL® R-001 (poliolefiny, miękki PCV, linoleum), TYTANPOL® RS (koncentraty pigmentowe, miękki PCV, linoleum), TYTANPOL® R-210 i TYTANPOL® R-211 (oba do tworzyw wymagających wysokiej odporności na warunki atmosferyczne, głównie twardy PCV).