Titandioxid nanopartikel

Transmissionselektronmikrofotografi av titandioxidnanopartiklar från NIST standardreferensmaterial 1898

Titandioxid nanopartiklar , även kallade ultrafin titandioxid eller nanokristallin titandioxid eller mikrokristallin titandioxid , är partiklar av titandioxid ( TiO 2 ₎ med diametrar mindre än 100 nm . Ultrafin TiO ₂ används i solskyddsmedel på grund av dess förmåga att blockera ultraviolett strålning samtidigt som den förblir transparent på huden. Den är i rutil kristallstruktur och belagd med kiseldioxid eller/och aluminiumoxid för att förhindra fotokatalytiska fenomen. Hälsoriskerna med ultrafin TiO ₂ från dermal exponering på intakt hud anses vara extremt låga och anses vara säkrare än andra ämnen som används för ultraviolett skydd .

Nanostora partiklar av titandioxid tenderar att bildas i den metastabila anatasfasen , på grund av den lägre ytenergin hos denna fas, i förhållande till rutilens jämviktsfas. Ytor av ultrafin titandioxid i anatasstrukturen har fotokatalytiska steriliserande egenskaper, vilket gör den användbar som tillsats i byggmaterial, till exempel i antidimbeläggningar och självrengörande fönster .

I samband med TiO ₂ -produktionsarbetare utgör exponering vid inandning potentiellt en lungcancerrisk, och standardkontroller av faror för nanomaterial är relevanta för TiO ₂ -nanopartiklar.

Egenskaper

Av de tre vanliga TiO ₂ polymorferna (kristallformer) produceras TiO _{2 nanopartiklar i} rutil- och anatasformerna . Till skillnad från större TiO ₂ -partiklar är TiO ₂ -nanopartiklar genomskinliga snarare än vita. Ultraviolett absorptionsegenskaper är beroende av kristallstorleken hos titandioxid och ultrafina partiklar har stark absorption mot både ultraviolett-A (320-400 nm) och ultraviolett-B (280-320 nm) strålning. Ljusabsorption i det ultravioletta området uppstår på grund av närvaron av starkt bundna excitoner. Vågfunktionen för dessa excitoner har en tvådimensionell karaktär och sträcker sig på {001}-planet.

TiO ₂ nanopartiklar har fotokatalytisk aktivitet Det är en halvledare av n-typ och dess bandgap mellan valens- och konduktivitetsbanden är bredare än för många andra ämnen. Fotokatalysen av TiO ₂ är en komplex funktion av partiklarnas fysikaliska egenskaper. Dopning av TiO ₂ med vissa atomer kan dess fotokatalytiska aktivitet förbättras.

Däremot har pigment-grade TiO ₂ vanligtvis en medianpartikelstorlek i intervallet 200–300 nm. Eftersom TiO ₂ -pulver innehåller en mängd olika storlekar kan de ha en bråkdel av partiklar i nanoskala även om den genomsnittliga partikelstorleken är större. Ultafina partiklar bildar i sin tur vanligtvis agglomerat och partikelstorleken kan vara mycket större än kristallstorleken.

Syntes

Mest tillverkad titandioxid i nanoskala syntetiseras genom sulfatprocessen, kloridprocessen eller sol -gelprocessen . I sulfatprocessen produceras anatas eller rutil TiO _{2 genom att smälta} ilmenit ( FeTiO ₃ ) eller titanslagg med svavelsyra . Ultrafin anatasform fälls ut från sulfatlösning och ultrafin rutil från kloridlösning.

I kloridprocessen kloreras naturlig eller syntetisk rutil vid temperaturer på 850–1000 °C, och titantetrakloriden omvandlas till den ultrafina anatasformen genom ångfasoxidation.

Det är inte möjligt att omvandla pigmentär TiO ₂ till ultrafin TiO ₂ genom malning. Ultrafin titandioxid kan erhållas genom olika typer av processer som fällningsmetod , gasfasreaktion , sol-gel- metod och atomskiktsdepositionsmetod .

Används

Ultrafin TiO ₂ tros vara ett av de tre mest producerade nanomaterialen, tillsammans med nanopartiklar av kiseldioxid och nanopartiklar av zinkoxid . Det är det näst mest annonserade nanomaterialet i konsumentprodukter, efter silvernanopartiklar . På grund av dess långa användning som en råvarukemikalie kan TiO ₂ betraktas som ett "legacy nanomaterial. "

Ultrafin TiO ₂ används i solskyddsmedel på grund av dess förmåga att blockera ultraviolett strålning samtidigt som den förblir transparent på huden. TiO ₂ -partiklar som används i solskyddsmedel har vanligtvis storlekar inom intervallet 5–50 nm.

Ultrafin TiO ₂ används i bostäder och byggnation som tillsats till färger, plaster, cement, fönster, kakel och andra produkter för dess ultravioletta absorption och fotokatalytiska steriliserande egenskaper, till exempel i anti- dimbeläggningar och självrengörande fönster . Konstruerade TiO ₂ nanopartiklar används också i lysdioder och solceller. Dessutom kan den fotokatalytiska aktiviteten hos TiO ₂ användas för att sönderdela organiska föreningar i avloppsvatten. TiO ₂ nanopartikelprodukter är ibland belagda med kiseldioxid eller aluminiumoxid , eller dopade med en annan metall för specifika tillämpningar.

Hälsa och säkerhet

Konsument

För solskyddsmedel anses hälsorisken från hudexponering på intakt hud vara extremt låg och uppvägs av risken för skador på ultraviolett strålning inklusive cancer från att inte använda solskyddsmedel. TiO ₂ - nanopartiklar anses säkrare än andra ämnen som används för ultraviolett skydd . Det finns dock oro för att hudskavsår eller hudutslag, eller oavsiktligt intag av små mängder solskyddsmedel, är möjliga exponeringsvägar. Kosmetika som innehåller nanomaterial behöver inte vara märkta i USA, även om de är i EU.

Yrkesmässig

Inandningsexponering är den vanligaste exponeringsvägen för luftburna partiklar på arbetsplatsen. US National Institute for Occupational Safety and Health har klassificerat inhalerad ultrafin TiO ₂ som ett potentiellt cancerframkallande ämne på grund av lungcancerrisk i studier på råttor, med en rekommenderad exponeringsgräns på 0,3 mg/m ³ som ett tidsvägt medelvärde i upp till 10 timmar/dag under en 40-timmars arbetsvecka. Detta i motsats till fin TiO ₂ (som har partikelstorlekar under ~4 μm), som inte hade tillräckliga bevis för att klassificeras som potentiellt yrkesmässigt cancerframkallande, och som har en högre rekommenderad exponeringsgräns på 2,4 mg/m ³ . Lungtumörsvaret som observerades hos råttor exponerade för ultrafin TiO ₂ härrörde från en sekundär genotoxisk mekanism relaterad till den fysiska formen av den inhalerade partikeln, såsom dess yta, snarare än till den kemiska föreningen i sig, även om det inte fanns tillräckligt med bevis för att bekräfta detta. i människor. Dessutom, om den vore brännbar, finspridd i luften och i kontakt med en tillräckligt stark antändningskälla, kan TiO _{2 nanopartiklar utgöra en} dammexplosionsrisk .

Standardkontroller och rutiner för nanomaterials hälso- och säkerhetsrisker är relevanta för TiO ₂ nanopartiklar. Eliminering och substitution , de mest önskvärda metoderna för riskkontroll , kan vara möjliga genom att välja egenskaper hos partikeln såsom storlek , form , funktionalisering och agglomeration / aggregationstillstånd för att förbättra deras toxikologiska egenskaper med bibehållen önskad funktionalitet, eller genom att ersätta en torr pulver med en slurry eller suspension i ett flytande lösningsmedel för att minska dammexponeringen. Tekniska kontroller , främst ventilationssystem som dragskåp och handskfack , är den primära klassen av riskkontroller på en daglig basis. Administrativa kontroller inkluderar utbildning i bästa praxis för säker hantering, lagring och kassering av nanomaterial, korrekt märkning och varningsskyltar och uppmuntran till en allmän säkerhetskultur . Personlig skyddsutrustning som normalt används för typiska kemikalier är också lämplig för nanomaterial, inklusive långbyxor, långärmade skjortor, skor med slutna tå, skyddshandskar, skyddsglasögon och ogenomträngliga laboratorierockar , och i vissa fall kan andningsskydd användas. Exponeringsbedömningsmetoder inkluderar användning av båda partikelräknare , som övervakar realtidsmängden av nanomaterial och andra bakgrundspartiklar; och filterbaserade prover, som kan användas för att identifiera nanomaterialet, vanligtvis med hjälp av elektronmikroskopi och elementaranalys .

Miljö

Solskyddsmedel som innehåller TiO ₂ nanopartiklar kan sköljas av i naturliga vattendrag och kan komma ut i avloppsvatten när människor duschar. Studier har visat att TiO ₂ - nanopartiklar kan skada alger och djur och kan bioackumuleras och biokoncentreras . Den amerikanska miljöskyddsmyndigheten tar i allmänhet inte hänsyn till fysikaliska egenskaper såsom partikelstorlek vid klassificering av ämnen, och reglerar TiO ₂ nanopartiklar identiskt med andra former av TiO ₂ .

Giftighet

Titandioxid har visat sig vara giftigt för växter och små organismer som maskar, nematoder och små leddjur. Toxiciteten hos TiO ₂ nanopartiklar på nematoder ökar med mindre nanopartikeldiameter, specifikt 7 nm nanopartiklar i förhållande till 45 nm nanopartiklar, men tillväxt och reproduktion påverkas fortfarande oavsett TiO 2 _{nanopartikelstorlek} . Utsläpp av titandioxid i jorden kan ha en skadlig effekt på ekosystemet på plats på grund av dess hinder för spridning och överlevnad av jordryggradslösa djur; det orsakar apoptos såväl som hämmar tillväxt, överlevnad och reproduktion hos dessa organismer. Dessa ryggradslösa djur är ansvariga för nedbrytningen av organiskt material och fortskridandet av näringsämnenas kretslopp i det omgivande ekosystemet. Utan närvaron av dessa organismer skulle jordsammansättningen bli lidande.

Metrologi

ISO /TS 11937 är en metrologistandard för att mäta flera egenskaper hos torrt titandioxidpulver som är relevanta för nanoteknik: kristallstruktur och anatas-rutil-förhållande kan mätas med röntgendiffraktion, medelpartikel- och kristallitstorlekar med röntgendiffraktion eller transmissionselektron mikroskopi och specifik yta med Brunauer-Emmet-Teller-gasadsorptionsmetoden . För bedömning av exponering på arbetsplatsen kan NIOSH-metod 0600 för masskoncentrationsmätningar av fina partiklar användas för nanopartiklar med en lämplig partikelstorleksselektiv provtagare, och om storleksfördelningen är känd kan ytarean härledas från massmätningen. NIOSH Method 7300 gör att TiO ₂ kan särskiljas från andra aerosoler genom elementaranalys med induktivt kopplad plasma atomemissionsspektroskopi . Elektronmikroskopimetoder utrustade med energidispersiv röntgenspektroskopi kan också identifiera partiklarnas sammansättning och storlek.

NIST SRM 1898 är ett referensmaterial som består av ett torrt pulver av TiO ₂ nanokristaller. Den är avsedd som ett riktmärke i miljö- eller toxikologiska studier och för att kalibrera instrument som mäter specifik yta av nanomaterial med Brunauer-Emmet-Teller-metoden.