鈦白粉及其應用

鈦白粉學(xué)名二氧化鈦（TiO2），是一種十分穩定的氧化物，具有優(yōu)良的光學(xué)和顏料性能，主要用作白色無(wú)機顏料。它的無(wú)毒、最佳的不透明性、最佳白度和光亮度，被認為是目前世界上性能最好的一種白色顏料，廣泛應用于涂料、塑料、造紙、印刷油墨、化纖、橡膠、化妝品等工業(yè)。

二氧化鈦有三種晶體形態(tài)，分別為金紅石型、銳鈦型和板鈦型。其中板鈦型不能用作顏料使用，在工業(yè)中作為顏料使用的主要是銳鈦型和金紅石型鈦白粉。

銳鈦型鈦白粉具有純度高、粒子細小均勻、光學(xué)性能好、折射力強、消色力高、遮蓋力強，且吸油量低、水分散性高等優(yōu)點(diǎn)，主要用于涂料、油墨、化纖、橡膠、玻璃、化妝品、肥皂、塑料和造紙等工業(yè)。金紅石型鈦白粉除具有銳鈦型鈦白粉的優(yōu)點(diǎn)外，還具有更好的耐候性和遮蓋力，主要用于高級工業(yè)顏料、有光乳膠涂料、塑料，有較高消色力和耐曬要求的橡膠材料、高級紙張涂料層和蠟紙等。從顏料性能看，金紅石型鈦白粉優(yōu)于銳鈦型鈦白粉，金紅石型鈦白粉中又以經(jīng)表面包覆處理的產(chǎn)品居多。2010年，我國金紅石型鈦白粉占鈦白粉總量的57%，遠低于世界90%的水平。未來(lái)我國金紅石型鈦白粉比重還有較大的提升空間。

目前，鈦白粉行業(yè)正在經(jīng)歷三大調整：（1）世界鈦白粉產(chǎn)量增長(cháng)相對緩慢，而亞太地區尤其是我國的鈦白粉產(chǎn)量快速增長(cháng)，世界鈦白粉行業(yè)向亞太地區尤其是我國進(jìn)行轉移的態(tài)勢非常明顯；（2）隨著(zhù)下游對鈦白粉性能提出更高的要求，對鈦白粉進(jìn)行包膜處理成為重要手段，各種專(zhuān)用型鈦白粉不斷涌現，鈦白粉行業(yè)由通用品向專(zhuān)用品方向發(fā)展方興未艾；（3）鈦白粉分為銳鈦型和金紅石型兩種類(lèi)型，銳鈦型鈦白粉盡管因其較高的性?xún)r(jià)比仍舊占據部分市場(chǎng)份額，但是金紅石型鈦白粉以其優(yōu)異的性能仍是行業(yè)未來(lái)發(fā)展的大趨勢。在我國鈦白粉產(chǎn)品結構中，金紅石型鈦白粉所占的比例不斷提升，約占57%，但是仍然遠遠低于世界90%的比例。我國鈦白粉產(chǎn)品結構正積極向金紅石型鈦白粉方向轉變。綜上所述，我國鈦白粉行業(yè)尤其是專(zhuān)用金紅石型鈦白粉前景依然看好。

鈦及鈦合金的應用

鈦是20世紀50年代發(fā)展起來(lái)的一種重要的結構金屬，鈦合金具有密度低、比強度高、耐蝕性好、導熱率低、無(wú)毒無(wú)磁、可焊接、生物相容性好、表面可裝飾性強等特性，廣泛應用于航空、航天、化工、石油、電力、醫療、建筑、體育用品等領(lǐng)域。世界上許多國家都已經(jīng)認識到鈦合金材料的重要性，相繼對其進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)，并得到了實(shí)際應用。

2011年，全球商業(yè)航空的消費比例達到46%，軍用鈦材比例為9%(主要為軍用航空)，整個(gè)航空領(lǐng)域消耗鈦材比例超50%；工業(yè)消耗鈦材比例為43%，新興市場(chǎng)消費鈦材比例為2%。

鈦制品需求結構在地區上存在明顯差異。在擁有發(fā)達的航空航天和軍工國防工業(yè)的北美和歐盟地區，尤其是美國，大約50%以上的鈦制品需求來(lái)自于航空航天和軍工國防領(lǐng)域。而在日本，來(lái)自化工等行業(yè)的工業(yè)用鈦占據了需求的主導地位。據日本鈦協(xié)會(huì )統計，航空航天只占到日本鈦需求的2%-3%。與日本的情況頗為類(lèi)似，我國鈦制品需求大部分來(lái)自化工和能源領(lǐng)域，航空航天只占到10%。雖說(shuō)中國已成為全球最大的鈦金屬生產(chǎn)國和消費國之一，不過(guò)大部分生產(chǎn)一直局限于等級較低的鈦，用于自行車(chē)架、高爾夫球桿或化工行業(yè)使用的防腐管材。但是近年來(lái)航空航天用鈦量在亞洲地區出現明顯增長(cháng)，可見(jiàn)，鈦市場(chǎng)的前景比較光明。

航空航天領(lǐng)域

航空航天領(lǐng)域用鈦大國集中在西方國家，尤其是美國，60%的鈦材都應用到這個(gè)領(lǐng)域。亞洲國家，日本和中國在此領(lǐng)域中鈦的投入量均在10%左右。但是近年來(lái)隨著(zhù)亞洲航空航天的飛速發(fā)展，鈦在航空航天領(lǐng)域的消費量將會(huì )隨之增長(cháng)。從全球角度來(lái)看，航空業(yè)對鈦市場(chǎng)起著(zhù)決定性的作用，從歷史上看，鈦行業(yè)大的周期輪回都和航空業(yè)的冷暖密切相關(guān)。

2011年，全球鈦材產(chǎn)量達到14.8萬(wàn)噸，其中商用航空用鈦材約6.4萬(wàn)噸，未來(lái)全球經(jīng)濟增長(cháng)對航空運輸的需求量依然巨大，預計未來(lái)20年新增飛機需求約在3萬(wàn)架左右，同時(shí)，新型飛機對鈦的需求量高于老式飛機，預計20年內商用飛機對鈦材的平均需求量將達到40噸/架；據此推算，未來(lái)20年全球商用航空領(lǐng)域新增鈦材需求約120萬(wàn)噸，年復合增長(cháng)率約17%，平均每年新增6萬(wàn)噸鈦材需求，民用航空用鈦材領(lǐng)域將呈現快速增長(cháng)。軍用航空領(lǐng)域也將出現新的機會(huì )；由于全球地緣政治形勢緊張，全球各國軍費開(kāi)支增加，軍用航空領(lǐng)域也有望出現新的需求。

民用客機

鈦合金在飛機的主要用途如下：

(1)減輕結構重量、提高結構效率：先進(jìn)的戰技性能(如超音速飛機)要求飛機具有比較低的結構重量系數(即：機體結構重量/飛機正常起飛重量)，而鈦合金具有強度接近中強鋼但密度小的特點(diǎn)，代替結構鋼和高溫合金，能大幅度減輕結構重量，同時(shí)也能節省費用；以發(fā)動(dòng)機為例，有統計數據顯示，飛機發(fā)動(dòng)機的質(zhì)量每降低一公斤，使用費用可降低約220-440美元。

(2)符合高溫部位的使用要求：鈦合金具有耐熱性好的特點(diǎn)，如常用的Ti-6Al-4V能在350℃下長(cháng)期工作，因此在飛機的高溫部位(如后機身等)可取代因高溫使用性能不能滿(mǎn)足要求的鋁合金；TC11能在500℃下長(cháng)期工作，在發(fā)動(dòng)機的壓氣機部位可取代高溫合金和不銹鋼。

(3)符合與復合材料結構相匹配的要求：為減輕結構重量和滿(mǎn)足隱身要求，先進(jìn)飛機大量使用復合材料，鈦合金與復合材料的強度、剛度匹配較好，能獲得很好的減重效果。同時(shí)，由于二者電位比較接近，不易產(chǎn)生電偶腐蝕，因此相應部位的結構件和緊固件宜采用鈦合金。

(4)符合高抗蝕性和長(cháng)壽命的要求：鈦合金具有較高的疲勞壽命和優(yōu)良的耐腐蝕性能，可以提高結構的抗腐蝕能力和壽命，滿(mǎn)足先進(jìn)飛機、發(fā)動(dòng)機高可靠性和長(cháng)壽命的要求。

軍事飛機

軍用武器的開(kāi)發(fā)與采購不斷向著(zhù)輕便、靈活方向發(fā)展，為了滿(mǎn)足戰斗機對戰斗性能要求，除了采用先進(jìn)的設計技術(shù)外，還必須采用額性能優(yōu)良的材料以及先進(jìn)的工藝制造技術(shù)。大量選用鈦合金、提高先進(jìn)鈦合金應用水平就是重要措施之一。自20世紀60年代以來(lái)，國外軍用飛機的鈦量逐年增加，當前歐美設計的各種先進(jìn)軍用戰斗機和轟炸機中鈦合金用量已經(jīng)穩定在20%以上，并且新機型的用鈦量占比正在大幅提升。

汽車(chē)行業(yè)

降低燃油消耗、減少有害廢棄物（CO2、NOX 等）排放已經(jīng)成為汽車(chē)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的主要動(dòng)力和方向之一。研究表明，輕量化是實(shí)現節省燃料、減少污染的有效措施。汽車(chē)的質(zhì)量每降低10%，燃料消耗可節省8%-10%，廢氣排放可減少10%。在駕駛方面，汽車(chē)輕量化后加速性能提高，車(chē)輛控制穩定性、噪音、振動(dòng)方面也都有改善。從碰撞安全性考慮，汽車(chē)輕量化后，碰撞時(shí)慣性小，制動(dòng)距離減少。

汽車(chē)輕量化的首選途徑就是用高比強度的輕質(zhì)材料，如鋁、鎂、鈦等替代傳統的汽車(chē)材料（鋼鐵）。2009年全球汽車(chē)用鈦量已達3000噸。鈦在賽車(chē)上的應用已有許多年的歷史目前賽車(chē)幾乎都使用了鈦材，日本汽車(chē)用鈦已超過(guò)600噸，隨著(zhù)全球汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，汽車(chē)用鈦還在快速增加。

汽車(chē)使用鈦的優(yōu)點(diǎn)有：減輕重量，降低燃料消耗；改善動(dòng)力傳輸效果，降低噪音；減少振動(dòng)，減輕部件載荷；提高車(chē)的持久性及環(huán)境保護。

醫療行業(yè)

鈦在醫療領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用。鈦與人體骨骼接近，對人體組織具有良好的生物相容性、無(wú)毒副作用。人體植入物是與人的生命和健康密切相關(guān)的特殊的功能材料。同其它金屬材料相比較，使用鈦及鈦合金的優(yōu)勢主要有以下幾點(diǎn)：1 質(zhì)輕；2 彈性模量低；3無(wú)磁性；4 無(wú)毒性；5 抗腐蝕性；6 強度高、韌性好。外科植入物中的鈦合金用量正以每年5%-7%的速度增長(cháng)。采用鈦及鈦合金制造的股骨頭、髖關(guān)節、肱骨、顱骨、膝關(guān)節、肘關(guān)節、肩關(guān)節、掌指關(guān)節、頜骨以及心辨膜、腎辨膜、血管擴張器、夾板、假體、緊固螺釘等上百種金屬件移植到人體中，取得了良好的效果，被醫學(xué)界給予了很高的評價(jià)。

化工行業(yè)

鈦具有優(yōu)良的耐腐蝕性能、力學(xué)性能和工藝性能，被廣泛應用于國民經(jīng)濟許多部門(mén)。特別是在化工生產(chǎn)中，用鈦代替不銹鋼、鎳基合金和其它稀有金屬作為耐腐蝕材料。這對增加產(chǎn)量，提高產(chǎn)品質(zhì)量，延長(cháng)設備使用壽命，減少消耗，降低能耗，降低成本，防止污染，改善勞動(dòng)條件和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率等方面都有十分重要的意義。

鈦金屬已成為化工裝備中主要的防腐蝕材料之一，并在化工裝置中已確立了他的耐腐蝕地位。作為化工設備中的理想材料，鈦也愈來(lái)愈引起工程技術(shù)人員的重視。

經(jīng)過(guò)多年的推廣，鈦及其合金已作為一種優(yōu)異的耐腐蝕結構材料在化工生產(chǎn)中得到了廣泛應用。目前鈦設備的應用已從最初的純堿與燒堿工業(yè)擴展到氯酸鹽、氯化銨、尿素、有機合成、染料、無(wú)機鹽、農藥、合成纖維、化肥、和精細化工等行業(yè)，設備種類(lèi)已從小型、單一化發(fā)展到大型、多樣化。

調查結果表明鈦換熱器占57%，鈦陽(yáng)極占20%，鈦容器占16%，其他占7%。在化學(xué)工業(yè)中以“兩堿”為主，化工設備中鈦換熱器用量最大。

近年來(lái)，我國鈦材的生產(chǎn)技術(shù)提高迅速，航空航天用鈦，軍事用鈦，汽車(chē)用鈦等增長(cháng)都很迅速，尤其是航空航天領(lǐng)域，有趕超化工用鈦的趨勢?？傮w而言，化工用鈦的技術(shù)含量小，產(chǎn)品附加值低，化工用鈦比例不可避免會(huì )逐步下降。

海洋工程

隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和陸地資源日趨枯竭，人類(lèi)開(kāi)發(fā)利用海洋已經(jīng)提到日程上來(lái)了。鈦對于海水有優(yōu)異的耐蝕性能，大量運用于海水淡化、艦船、海洋熱能開(kāi)發(fā)和海底資源開(kāi)采等領(lǐng)域。

早在20世紀60年代，我國就已經(jīng)開(kāi)始了對鈦及鈦合金在船舶及海洋工程裝備上的應用研究，并做了大量工作，已基本形成了牌號較多、性能各異、品種規格齊全的船用鈦合金體系。由于鈦及鈦合金自身所具備的特性，使其在艦船以及海工裝備的應用上具有得天獨厚的優(yōu)勢，因而被廣泛應用于核潛艇、深潛器、原子能破冰船、水翼船、氣墊船、掃雷艇以及螺旋槳推進(jìn)器、海水管路、冷凝器、熱交換器等。

在艦船應用方面，目前我國艦船用鈦量非常少，占船舶總重量的比例不超過(guò)1%，艦船及海工裝備用鈦及鈦合金領(lǐng)域發(fā)展潛力巨大。此外，在海水淡化以及濱海電站方面，由于我國目前海水淡化以及濱海電站市場(chǎng)需求巨大，在進(jìn)一步降低鈦合金成本以及提高產(chǎn)品質(zhì)量穩定性的情況下，鈦的市場(chǎng)應用前景將非常廣闊。

日常生活

鈦在日常生活中的應用非常廣泛，可謂無(wú)處不在，例如高爾夫球頭、自行車(chē)車(chē)架、網(wǎng)球拍、輪椅、眼鏡架等都會(huì )應用到鈦。

鈦以其輕質(zhì)、強度高的特性在體育用品中的應用，從最早的網(wǎng)球拍、羽毛球拍逐步擴展到了高爾夫球頭、球桿以及賽車(chē)等。2008年我國體育休閑占總消費量的13%，其中僅高爾夫球頭和球桿的用鈦量就超過(guò)了1000噸。鈦合金做成的自行車(chē)車(chē)架也頗受歡迎，目前有近50價(jià)公司生產(chǎn)鈦自行車(chē)，美國早已是最大的鈦自行車(chē)生產(chǎn)商和消費國。鈦輕質(zhì)的特點(diǎn)也應用到眼鏡架中，而且鈦又不易與皮膚發(fā)生過(guò)敏，并且鈦表面經(jīng)陽(yáng)極處理可有絢麗色彩，因此從20世紀80年代初就開(kāi)始應用于鏡架中。

近幾年，鈦在人類(lèi)日常生活中的應用在不斷擴展，且發(fā)展速度很快，應用技術(shù)也更趨成熟、完善。在鈦的日常生活品應用方面，美國和日本走在前面。