Najbelší z bielych

Biela farba sa v decembri mnohým ľuďom spája so snehom a s Vianocami. Málokto však vie, že vo svete chémie sa za ňou veľmi často skrýva oxid titaničitý, jedna z miliónov chemických látok. Stojí vôbec za to zaoberať sa ňou? Čím je taká zvláštna? Predsa už jej vzorec TiO2 je podozrivo jednoduchý.

Položme si otázku: ktorá z dvoch nasledujúcich látok je známejšia, titán alebo oxid titaničitý? O titáne väčšina z nás síce vie, že je to nejaký dobrý kov, ale málokto ho niekedy videl. Samozrejme s výnimkou návštevníkov krásneho Guggenheimovho múzea v španielskom meste Bilbao, ktoré je celé pokryté plátmi tohto nekorodujúceho kovu, a tých, ktorí si potrpia na drahé šperky vyrobené z titánu. Vo všeobecnosti sa však nedá predpokladať, že by kvôli titánu bolo niekomu umožnené pustiť sa do rozoberania častí moderných vojenských lietadiel, ponoriek, chemických reaktorov a kozmických lodí, prípadne sa v nemocnici prehrabávať v chirurgických nástrojoch.

Oxid titaničitý

Plastové okenné profily patria do skupiny tzv. konštrukčných plastov na báze PVC. Biely TiO2 pigment je jednou z niekoľkých jeho zložiek.

Na otázku, či poznáte oxid titaničitý, väčšina čitateľov asi odpovie negatívne. Paradox je, že s touto látkou prichádzame do styku takmer každý deň a dokonca je veľmi nepravdepodobné, že sa na ňu práve nedívame. Napríklad aj práve teraz pri pohľade na stránky časopisu Quark, kde je oxid titaničitý v podobe bieleho pigmentu súčasťou samotného papiera aj tlačiarenských farieb. Spôsobov využitia tohto oxidu je však oveľa viac. O jeho nesmiernom význame hovorí napríklad to, že jeho ročná svetová výroba sa pohybuje okolo 7 miliónov ton, čo je približne 30-krát viac ako výroba čistého titánu. Prečo je to tak? Oxid titaničitý tvoria štyri rôznorodé látky. Dve z nich majú takú unikátnu kombináciu niekoľkých chemických a fyzikálnych vlastností, že jej ostatné biele pigmenty naozaj nemôžu konkurovať. Oxid titaničitý tvorí tri najznámejšie polymorfné modifikácie: rutil, anatas a brookit.

Automobilový priemysel patrí k významným spotrebiteľom týchto pigmentov.

Ďalšiu formu tejto látky tvoria nanorúrky s označením TiO2 B. S výnimkou posledného prípadu sú tieto názvy síce primárne názvami minerálov, ktoré sú súčasťou mnohých hornín a môžu sa v prírode vyskytovať aj ako samostatné kryštály, avšak tie sa používajú aj na umelé, ľuďmi vytvorené produkty. Praktický význam v podobe bieleho pigmentu majú však iba dva z nich: anatas a rutil. V oboch prípadoch sa však používajú výlučne syntetické látky, teda také, ktoré sa nevyrábajú jednoduchým odstránením minerálnych prímesí zo zdrojových hornín, ale chemickým postupom syntetizujúcim tieto minerály nanovo. Teda aj v takom prípade, ak tieto minerály primárna surovina obsahuje. Hlavnou surovinou je však šedý alebo čierny minerál ilmenit FeTiO3, z ktorého sa vyrába aj samotný titán.

Čo sú pigmenty

Pigmenty označujú jemné anorganické alebo organické prášky, ktoré nie sú rozpustné v disperznom prostredí, teda v tom prostredí, v ktorom sú rozptýlené pri ich aplikácii. To je rozdiel oproti farbám, ktoré v takomto prostredí rozpustné sú. Väčšina anorganických pigmentov nie je rozpustná ani vo vode, ani v organických kvapalinách. Nátery na báze pigmentov, čo je ich najvýznamnejšie použitie, tvoria čiastočky pigmentu a zároveň spojivová, prípadne iná látka.

Umelé farebné povrchy a nátery športovísk a detských ihrísk patria k tým produktom, pri ktorých sú nároky na dlhodobú svetelnú a tepelnú stabilitu pigmentov najvyššie. Preto takmer vždy obsahujú pigmenty na báze rutilu a anatasu.

Veľkosť častíc pigmentu sa pohybuje od niekoľkých desiatok nanometrov až po niekoľko mikrometrov. Zväčša je to však v intervale 0,1 µm až 2 µm. Výroba pigmentov vždy bola, je a aj bude mimoriadne lukratívnym odvetvím. Platí to najmä pre anorganické pigmenty, ktoré sa vo všeobecnosti vyznačujú neporovnateľne väčšou chemickou a tepelnou stabilitou ako organické. To znamená, že ich sfarbenie sa vplyvom svetla, tepla a ďalších podmienok mení omnoho pomalšie ako pri organických. Pri bielych pigmentoch sme na zmenu sfarbenia mimoriadne citliví, pretože aj jej veľmi malý farebný posun, napríklad k žltej, symbolizuje nejaký defekt alebo skutočné, respektíve morálne zastarávanie produktu. Napríklad kuchynský elektrospotrebič niekedy vyhadzujeme nie preto, že je nefunkčný, ale preto, že jeho biely povrch sa časom premenil na žltkastý. Nad bielymi pigmentmi môže síce niekto ohŕňať nos, pretože sa mu farebné (chromatické) pigmenty môžu páčiť viac. Väčšinovo to však neplatí, pretože výroba bielych pigmentov výrazne prevyšuje výrobu tých farebných. Súvisí to aj s tým, že zložkou mnohých farebných produktov sú zároveň biele pigmenty. Predsa len však má celosvetový rebríček objemu výroby pigmentov iného favorita. Je ním obyčajná a nezáživná uhlíková čerň. Je to na prvý pohľad prekvapujúce, pretože čierne náterové farby sú v porovnaní s bielymi pomerne zriedkavé. Ak si však uvedomíme, aké široké je spektrum čiernych plastových a gumárenských výrobkov, asi toto prvenstvo uznáme.

TiO2 pigmenty môžu byť zložkou rôznych častí športovej obuvi. Pri bežnej, napríklad koženej obuvi, je tento pigment v povlaku ich povrchovej úpravy.

Najdôležitejšie vlastnosti

Prečo sú teda anatas a rutil takými obľúbenými pigmentmi? Odpoveď nájdeme pri ich porovnávaní s vlastnosťami najbežnejších tradičných bielych pigmentov. Tými sú vápenec CaCO3, barytová bieloba BaSO4, olovnatá bieloba 2 PbCO3 · Pb(OH)2, zinková bieloba ZnO a litopón ZnO · BaSO4. Aj keby sme ignorovali skutočnosť, že z hry hneď vypadáva jedovatá a v súčasnosti už zakázaná olovnatá bieloba, obe formy TiO2 vedú v najdôležitejších vlastnostiach. Sú nimi vysoký index lomu, farbiaca výdatnosť a krycia schopnosť. Zároveň sú aj zdravotne neškodné. (Poznámka: pigmenty na báze BaSO4 nepredstavujú napriek toxicite bária významné zdravotné riziko vďaka veľmi malej rozpustnosti tejto látky vo vode.) Pri vzájomnom porovnávaní je vo všetkých troch parametroch rutil lepší ako anatas.

Rutil (tmavý minerál). Vstupnou rutilovou, anatasovou a ilmenitovou surovinou na výrobu bielych TiO2 pigmentov je zväčša málo zaujímavý tmavošedý a niekedy (v prípade anatasu) aj červenohnedý prášok.

Napríklad jeho index lomu je 2,7, anatas ho má 2,55. Ďalšie dva parametre, čiže farbiacu výdatnosť a kryciu schopnosť, možno tiež vyjadriť konkrétnym číslom. Význam vysokého indexu lomu spočíva v tom, že častice pigmentu väčšinu dopadajúceho svetla odrážajú a rozptyľujú na prechode rozhrania medzi nimi a spojivovou látkou. S indexom lomu priamo súvisí aj krycia schopnosť pigmentu, čo znamená, že napríklad na dokonalé prekrytie nejakého podkladu potrebujeme menej náteru. Nie je totiž problém prekryť podklad hrubou vrstvou, ale riešiť následné komplikácie s jeho eróziou a odpadávaním nie je nič jednoduché. Už spomenutá farbiaca výdatnosť v prípade bielych pigmentov znamená ich zosvetľujúci efekt. Ten taktiež súvisí s množstvom pigmentu potrebného na dosiahnutie určitého výsledného efektu. Táto vlastnosť je významná aj preto, lebo biele pigmenty sa často používajú v kombinácii s tými farebnými. Výsledkom je dosiahnutie menej intenzívnych pastelových odtieňov farieb.

Pokračovanie článku si môžete prečítať v časopise Quark 12/2020. Ak chcete mať prístup k exkluzívnemu obsahu pre predplatiteľov, prihláste sa. Ak ešte nie ste naším predplatiteľom, objednajte si predplatné podľa vášho výberu tu.

Text a foto prof. Ing. Karol Jesenák, CSc.
Prírodovedecká fakulta
Univerzita Komenského v Bratislave

Komentáre