Titandioxid (TiO2) ist mittlerweile zu einem alltäglichen Begleiter in unserem Leben geworden. Man findet es in Konsumgütern wie bspw. Kosmetika, in Farben und Lacken, in Textilien, Papier und Kunststoffen, in Lebensmitteln und Medikamenten oder mittlerweile sogar in Pflastersteinen: Viele Alltagsprodukte nutzen Titandioxid. 2009 wurden weltweit 4,68 Millionen Tonnen TiO2 produziert [1], innerhalb der EU sind es 1,5 Mio. Tonnen pro Jahr [2]. Vor der Finanzkrise, in den Jahren 2007 und 2008, lag die Produktion sogar noch höher.

 

Eigenschaften und Anwendungen

Dies hat es vor allem seiner Vielseitigkeit in Größe und Gestalt zu verdanken. Mal kommt es als mikroskaliges Pigment zum Einsatz, mal als Nanoobjekt. Auch seine Kristallstruktur kann variieren; je nach Anordnung der Atome unterscheidet man die Rutil-und die Anatasmodifikation.

Am häufigsten wird TiO2 als Weißpigment eingesetzt, da es einen hohen Brechungsindex hat und somit in der Lage ist, das einfallende Licht stark zu streuen und zu reflektieren. Deshalb und wegen seiner hohen UV-Beständigkeit gilt es als das Standardpigment für weiße Dispersionsfarben mit hoher Deckkraft. Die Weißpigmente aus Titandioxid sind fast ausschließlich Partikel in der Rutilmodifikation mit Korngrößen im Mikrometerbereich, da der Effekt der Lichtstreuung bei zu kleinen - nanoskaligen - Partikeln nicht mehr auftritt. Dieses weiße Pigment findet nicht nur in Farben, sondern auch in Lacken, Kunststoffen, Papier sowie Textilien Verwendung. Unter der Kennzeichnung E171 wird es als Lebensmittelzusatzstoff geführt und kommt in Zahncremes, verschiedenen anderen Kosmetika und Medikamenten zur Anwendung. Am schnellsten wächst derzeit der Markt für TiO2-Pigmente für den Einsatz in Kunststoffen. Insbesondere die hohe Nachfrage der Verpackungsindustrie führt hier zu steigendem Verbrauch an Titandioxidpigmenten.

 

Nanoskaliges Titandioxid, das für spezifische Anwendungen hergestellt wird, ist etwa um den Faktor 100 feinteiliger als die Pigmentform und weist andere physikalische Eigenschaften auf. Das Produktionsvolumen von nano-TiO2 beträgt weniger als 1 % der produzierten Menge von TiO2-Pigmenten [3]. Im Gegensatz zur pigmentären Form wird nanoskaliges Titandioxid nicht in Lebensmitteln eingesetzt. Derzeit wird es vor allem als Wirkstoff in Sonnencremes mit hohem Lichtschutzfaktor, Textilfasern oder Holzschutzmitteln genutzt. Verglichen mit den lange in Sonnencremes eingesetzten Titanoxid-Mikropartikeln, die klebrige und alles andere als einfach und angenehm auf die Haut aufzubringende Pasten ergaben und zudem einen deutlichen weißen Film auf der Haut hinterließen, ist nanoskaliges Titandioxid dagegen transparent und lässt sich wesentlich leichter auftragen. Die Schutzwirkung gegen gefährliche UV-Strahlung ist zudem bei Nanopartikeln wesentlich besser; hohe Lichtschutzfaktoren können derzeit nur durch den Einsatz solcher Nanopartikel erreicht werden [4].

Der Industrieverband Körperpflege und Waschmittel e.V. berichtet, dass Titandioxid derzeit in Sonnenschutzmitteln ausschließlich in seiner Nanogestalt vorkommt [5]. Zudem ist es mit weiteren Materialien beschichtet („gecoatet“) um bessere Dispersionseigenschaften zu erhalten und die Photostabilität zu gewährleisten [6].

 

Eine weitere Eigenschaft von Titandioxid ist seine photokatalytische Aktivität, die durch das hohe Oberflächen/Volumen-Verhältnis von Nanopartikeln im Vergleich zu Mikropartikeln beträchtlich gesteigert wird. Jedoch ist nicht jede Modifikation hierfür geeignet. Anders als in den bislang genannten Anwendungen in Lichtschutz und Farben, bei denen vor allem Rutil-TiO2 zum Einsatz kommt, ist für die Photokatalyse vor allem die Anatas-Modifikation geeignet. In Gegenwart von UV-Strahlung kann Anatas-TiO2 aus Wasser bzw. Luft Radikale bilden, die organische Schadstoffe oxidativ abbauen können. In Fulda wurde von den Franz Carl Nüdling Basaltwerken ein Pflasterstein entwickelt, der mit Hilfe von Titandioxid die Luft von Autoabgasen „befreit“; ähnliche Pflastersteine, aber auch Kacheln sind in Japan entlang von KfZ-Verkehrswegen schon im Einsatz. Forscher an der Universität Kassel fanden einen Weg, nano-TiO2 mit Farbstoffmolekülen derartig zu verzahnen, dass der photokatalytische Prozess auch durch sichtbares Licht und nicht ausschließlich durch UV-Strahlung ausgelöst werden kann.

Aufgrund des hydrophilen Charakters von Titandioxid bildet Wasser auf derartigen Oberflächen einen geschlossenen Film, welcher Schmutz und Abbauprodukte leicht abtransportieren kann. TiO2-Partikel, eingebracht in Fassadenfarben oder Kacheln, führen somit zu selbstreinigenden, schmutzabbauenden Oberflächen. Die hydrophilen Eigenschaften des nanoskaligen Titandioxids werden zudem bei sog. „Anti-Fog“-Beschichtungen ausgenutzt. Der ultradünne Wasserfilm auf einer Glasscheibe, die mit einer transparenten Schicht von nanoskaligem TiO2 beschichtet wurde, verhindert die Bildung von Wassertröpfchen und folglich auch das Beschlagen. Ein weiteres mögliches Anwendungsgebiet von nanoskaligem Titandioxid liegt im Gebiet der Farbstoffsolarzellen (Grätzel-Zellen).

 

Natürliches Vorkommen und Herstellung

Titandioxid kommt meist in Verbindung mit anderen Gesteinsarten vor und muss von diesen abgetrennt werden. Eines der bekanntesten Mineralien ist das Ilmenit (FeTiO3). Zur Raffinierung dieser Vorkommen werden unterschiedliche Verfahren genutzt.

In der EU wird Titandioxid zu 70 Prozent nach dem Sulfatverfahren aus natürlichen Mineralien gewonnen, während die verbleibenden 30 Prozent nach dem Chloridverfahren gewonnen werden. In der Bundesrepublik Deutschland sind beide Verfahren zu gleichen Teilen vertreten. Das Sulfatverfahren geriet vor einigen Jahrzehnten in die Kritik, da hier verdünnte Schwefelsäure (sog. Dünnsäure) entsteht, die bis in die 1980er Jahre in der Nordsee verklappt wurde. Seit 1990 ist dies in Deutschland verboten. Die Dünnsäure wird nun aufbereitet oder in andere Herstellungsprozesse eingeleitet. Beim Cloridverfahren reagieren die TiO2-Erze mit Chlorgas unter Bildung von Salzsäure. Diese kann zum einen wieder in den Produktionsprozess zurückgeführt werden und ist zudem industriell wetaus bedeutender und kann somit auch verkauft werden.

 

Zur Produktion von nanoskaligem TiO2 sind weitere Prozesse von Nöten. Zum Einen können sogenannte Titan-Alkoxylate hydrolisiert und anschließend thermisch behandelt werden. Hierbei ist es abhängig von der Temperatur welche Kristallmodifikation die Partikel nach dem Prozess haben. Des Weiteren erden nanoskalige Titandioxid-Partikel durch die Umsetzung von Titanchlorverbindungen mit Ammoniak hergestellt. Das entstehenden Titanoxidhydrat geht unter Wärmeeinwirkung in Rutil-TiO2 über. Ein in den 1940er Jahren von der Degussa entwickeltes Verfahren, das sog. Aerosilverfahren, wurde in den 1950er Jahren von Siliziumdioxid auf Titandioxid übertragen. Dadurch ist es ebenfalls möglich aus Titanchlorverbindungen mittels Umsetzung mit Wasserdampf zu nanoskaligem Titandioxid zu gelangen.

 

NanoCare - Datenblätter

 

Literatur arrow down

  1. PR Web.com (EN) (30.08.2010) . Global Titanium Dioxide Industry Stabilises and Heads for Recovery, TZMI Pressemitteilung.
  2. Cefig.org (EN): Titanium Dioxide Manufacturers Association (TDMA) (Stand letzter Zugang: Sep 2011).
  3. Cefig.org (EN): Industry responds to Nano-TiO2 study published in American Association for Cancer Research Journal, Offener Brief des Titanium Dioxide Stewardship Council vom 3. März 2010. (PDF-Dokument).
  4. Schweizer Kosmetik- und Waschmittelverband (SKW) (01.10.2009). Stellungnahme: Sicherheit von Nanopartikeln in Sonnenschutzmitteln. (PDF-Dokument).
  5. NanoTrust Dossier No.008 (Jan 2009). Nanotechnologie in Kosmetika, NanoTrust, Institut für Technikfolgen-Abschätzung (ITA), Wien.
  6. Scientific Committee on Consumer Products (SCCP) (19.06.2007). Safety of nanomaterials in cosmetic products.