بررسی جامع کاربردهای نانو TiO₂ در صنایع مدرن؛ از پوشش‌های خود تمیز شونده تا کرم‌های ضدآفتاب

چکیدهٔ کوتاه

نانو-TiO₂ (ذرات TiO₂ در محدودهٔ نانومتری) یک خانوادهٔ مواد نسبتاً ارزان و بسیار همه‌کاره است که خواص فوتوکاتالیتیکی، پوشش‌دهی و جذب/پراکندگی نورِ عالی دارد. این خصوصیات باعث شده تا در پوشش‌های فوتوکاتالیتیک (خود-پاک‌کن / تصفیهٔ هوا)، محصولات آرایشی-ضد UV (کرم‌های ضدآفتاب)، بتن/قالب‌های خود-تمیزشونده، فیلتراسیون/تصفیهٔ آب و هوا، الکترونیک/انرژی (DSSC، باتری‌ها در موارد تحقیقاتی) و فرمولاسیون‌های صنعتیِ دیگر کاربرد وسیعی پیدا کند. اندازه نانو (سطح ویژهٔ بالا، رفتار کوانتومی موضعی) عملکردهایی ایجاد می‌کند که در پیگمنت‌های ریزتر (micro) وجود ندارد؛ در عین حال مسائل ایمنی (به‌ویژه در معرض استنشاق) و مقررات باعث شده‌اند بازار و الگوی کاربردها متفاوت از TiO₂ پیگمنت معمولی باشد. (مرورها و گزارش‌های صنعتی).

۱ - تعریفِ فنی، انواع و روش‌های تولیدِ نانو-TiO₂

• ساختارها: همانند TiO₂ معمولی، نانو-TiO₂ عمدتاً در فازهای آنازِیس (anatase) و روتایل (rutile) تولید می‌شود. آنازِیس به‌خاطر فعالیت فوتوکاتالیتیکی بالاتر معمولاً برای نانو-کاربردهای فوتوکاتالیز ترجیح داده می‌شود؛ روتایل برای پیگمنت/پوشش‌هایی که نیاز به پایداری فتو-شیمیایی بیشتر دارند مناسب‌تر است. 

• فرم‌های صنعتی: گردِ پودری خشک (powder), سوسپانسیون‌های آبی/آلی (nano-liquid dispersions), تیتانیای سطح-اصلاح‌شده (doped/ coated) برای افزایش فعالیت در نور مرئی یا پایداری.

• روش‌های متداول تولید نانو-ذرات: سول–ژل، هیدرولیز کنترل‌شده، رسوب‌گذاری (precipitation) و روش‌های شعله‌ای (flame synthesis). هر روش روی اندازه، توزیع اندازه ذرات، سطح ویژه و هیدروکسید/اکسید سطحی تأثیر دارد.

۲ - کاربردهای کلیدی در صنایع مختلف

۲.۱ پوشش‌ها و رنگ‌های فوتوکاتالیتیک (self-cleaning / anti-pollution coatings)

• چی کار می‌کند؟ نانو-TiO₂ جذب فوتون (معمولاً UV) را به الکترون–حفره تبدیل می‌کند؛ این زوج‌های الکترون-حفره رادیکال‌هایی تولید می‌کنند که آلاینده‌های آلی (مثل NOx یا ذرات آلی روی سطح) را اکسید کرده و سطح را «خود-تمیز شونده» می‌کنند. 

• مقادیر معمول در فرمول: در لایه‌های نازک پوششی یا افزودن به ملات/شاقول نما، پژوهش‌ها و مطالعات میدانی مقادیر نسبت به وزن سیمان/چسب یا لایهٔ پوششی از حدود 0.5٪ تا 5٪ وزنی را گزارش می‌کنند؛ در برخی مطالعات بتنی تا 1–4٪ نسبت‌به وزن سیمان استفاده شده است. به‌عنوان مثال، مطالعات روی خود-تمیزشوندگی و کارایی نشان می‌دهد که مقادیر 1–3٪ وزنی در کاربردهای بتن/ملات معمول هستند. 

• مثال واقعی از ساختمان/پروژه: «Jubilee Church» (رم) یکی از مثال‌های مشهور استفادهٔ TiO₂ در ملات/بتن برای دستیابی به سطح سفید و خاصیت خود-پاک‌کنندگی است — در مطالعات موردی این پروژه از سیمان/ملات دارای TiO₂ استفاده شده و نشان داده شد که افزودن TiO₂ فوتوکاتالیتیک می‌تواند در شرایط واقعی اثر پاک‌کنندگی و کاهش لکه‌ها داشته باشد. (مطالعات موردی و مرورها). 

۲.۲ محصولات آرایشی/کرم‌های ضدآفتاب (sunscreens)

• نقش نانو-TiO₂: محافظت UV فیزیکی: جذب/پراکندگی پرتو UV-A/UV-B بدون اثر سفیدی قوی روی پوست (برخلاف TiO₂ ماکرو که پوشانندگیٔ سفید ایجاد می‌کند).

مقادیر معمول در فرمولاسیون: اسناد فنی و نظرهای کمیته‌های علمی نشان می‌دهد که تا ~25٪ TiO₂ (به‌ویژه در فرمول‌های معدنی غلیظ) در کرم‌های ضدآفتاب به‌کار می‌رود؛ کمیتهٔ علمی محصولات مصرفی اروپا (SCCS) در بررسی‌های خود اشاره کرده که استفاده از نانو-TiO₂ به‌عنوان فیلتر UV در غلظت‌های مرسوم تا سطوح مشخصی مجاز و بدون نگرانیِ پوستی است (مشروط به جلوگیری از استنشاق)

۲.۳ خود-پاک‌کنندگی در بتن و مصالح ساختمانی

• مقادیر افزوده شده: مقالات آزمایشی نشان داده‌اند که اضافه کردن 1–4٪ وزنی نسبت به سیمان برای دستیابی به اثرات فوتوکاتالیتیک مرسوم است؛ برخی آزمایش‌ها حتی تا 5٪ آزمایشی استفاده کرده‌اند. این یعنی برای هر 1,000 تن سیمانِ استفاده‌شده در یک پروژهٔ بزرگ ساخت‌وساز، حدود 10–40 تن نانو-TiO₂ (اگر کل به صورت نانو اضافه شود) درگیر خواهد بود — البته در عمل معمولاً مقداری به‌صورت پوشش سطحی یا در ملات موضعی مصرف می‌شود، نه کل سیمان پروژه. (مطالعات تحقیقاتی و آزمایشگاهی).

۲.۴ تصفیهٔ هوا و آب (فوتوکاتالیز صنعتی و نمونه‌های میدانی)

• موارد کاربرد: پوشش سقف‌های ایستگاه‌ها/ایستگاه‌های اتوبوس، پنل‌های داخلی که NOx و VOCها را تجزیه می‌کنند، واحدهای تصفیهٔ آب سطحی که آلاینده‌های آلی را تجزیه می‌کنند. چندین پروژهٔ پایلوت و پژوهشی در اروپا و آسیا نشان داده‌اند که پوشش‌های TiO₂-دار می‌توانند NOx شهری را کاهش دهند (میزان دقیق وابسته به سطح پوشش، شدت نور و شرایط محیطی است). 

۲.۵ پلاستیک‌ها، مستر‌‌بِچ‌ها و رنگ‌های صنعتی

• نانو-TiO₂ گاه به‌عنوان افزودنی در فرمولاسیون پلاستیک/مستر‌بچ برای بهبود خواص نوری و مقاومت در برابر اشعهٔ UV استفاده می‌شود؛ درصدهای مورد استفاده در پلاستیک معمولاً کمتر از پیگمنت‌های مرسوم (چون هزینهٔ نانو و تفاوت عملکرد متفاوت است) و می‌تواند در محدودهٔ کسری از درصد تا چند درصد باشد (بسته به کاربری). (مستندات فنی تولیدکنندگان). 

نمونه‌ها: TiO₂ نانویی در برخی انواع دیتکتورها، حسگرها، پیل‌های خورشیدی حساس به رنگ (DSSC) و پژوهش‌های باتری/فوق‌خازن مورد بررسی است؛ این کاربردها بیشتر تحقیقاتی یا نیمه-صنعتی‌اند و حجم بازار آنها در مقایسه با صنایع پوشش/پلاستیک کمتر است.

۲.۶ الکترونیک، انرژی و سایر حوزه‌های تحقیقاتی

نمونه‌ها: TiO₂ نانویی در برخی انواع دیتکتورها، حسگرها، پیل‌های خورشیدی حساس به رنگ (DSSC) و پژوهش‌های باتری/فوق‌خازن مورد بررسی است؛ این کاربردها بیشتر تحقیقاتی یا نیمه-صنعتی‌اند و حجم بازار آنها در مقایسه با صنایع پوشش/پلاستیک کمتر است.

۳ -موارد واقعی مصرف صنعتی (شرکت‌ها / پروژه‌ها) و اعداد گزارش‌شده

• پوشش‌های فوتوکاتالیتیک تجاری — شرکت‌هایی مثل Cristal / Tronox / Lomon Billions / Chemours /Kronos گریدهای «ultrafine» یا «nanograde» TiO₂ عرضه می‌کنند که برای پوشش‌های فوتوکاتالیتیک طراحی شده‌اند؛ گزارش‌های بازار و صفحات محصول شرکت‌ها اشاره به خطوط تولید و گریدهای نانویی دارند (شرکت‌ها محصولاتی برای کاربردهای نانو معرفی کرده‌اند). (گزارش‌های صنعتی و صفحات محصول). 

پروژهٔ Jubilee Church (رم) — سیمان/ملاتی با TiO₂ در ساخت این بنا برای دستیابی به نمای سفید و خاصیت خود-پاک‌شوندگی به کار رفت؛ مطالعات موردی مورد استفاده در ادبیات فنی وجود دارند که عملکرد در فضای شهری را بررسی کرده‌اند. این نمونه یک مورد تاریخی و شناخته‌شده است که اغلب در مقالات مروری دربارهٔ کاربردهای بتنی TiO₂ ذکر می‌شود. 

• تولیدکنندگان بزرگ و عرضهٔ گریدهای نانویی — گزارش‌های بازار و تحلیل‌های صنعتی شرکت‌های بزرگ را به‌عنوان عرضه‌کنندهٔ گریدهای ریز/نانو لیست می‌کنند (مثلاً Tronox پس از ادغام‌ها و Lomon Billions در چین و Chemours در آمریکا). این شرکت‌ها علاوه بر پیگمنت‌های معمول، نانو/ultrafine grades برای بازارهای تخصصی معرفی کرده‌اند. (فهرست‌های بازار).

واحدهای تحقیق و پایلوت در تصفیهٔ هوا/شهرسازی — در شهرهای اروپایی و آسیایی چند پروژهٔ تجربی (فایل‌های پژوهشی و پروژه‌های شهری) از پوشش‌های TiO₂ برای کاهش NOx و آلودگی سطحی استفاده کرده‌اند؛ عملکرد وابسته به مساحت پوشش و شدت تابش UV است — بنابراین تخمین مصرف نانو-TiO₂ در این پروژه‌ها برحسب مساحت پوشش و غلظت در ملات/روکش بیان می‌شود (مثلاً در یک پنل یا fachada چند گرم تا کیلوگرم TiO₂ بسته به ضخامت لایه مصرف می‌شود).

۴ - ارقام تولید و بازار (برآوردها، محدوده‌ها و قیاس بین کشورها)

چون «نانو-TiO₂» بخشی از بازار کلی TiO₂ است، باید میان تولید کل TiO₂ و کسر نانو-موجود فرق گذاشت.

• بازار نانومواد TiO₂ (ارزش دلاری): گزارش‌های تخصصی بازارِ «نانو TiO₂» ارزش بازار جهانیِ نانومواد TiO₂ را در بازهٔ ~12–23 میلیارد دلار (سال 2024) برآورد کرده‌اند و پیش‌بینی رشد تا دههٔ آینده را ارائه می‌دهند (عدد دقیق بسته به تعریف «nanomaterial» و پوشش بازار متفاوت است). این نشان می‌دهد که بازار مالی نانو-TiO₂ بسیار بزرگ و رو به رشد برآورد شده است. 

• مقدار (تن/سال) تولید نانو-TiO₂: برآوردها متفاوت‌اند: برخی منابع قدیمی-تر تولید سالانه نانو-TiO₂ را در سطح چند هزار تن (مثلاً ~3,000 t/yr در برخی برآوردهای مرجع قدیمی) تخمین زده‌اند، در حالی که برخی ثبت‌های ملی (مثل رجیستری فرانسه) عددی بین 10,000 تا 100,000 تن در سال (اعلام/واردات/تولید اعلام‌شده در فرانسه) را گزارش کرده‌اند؛ بنابراین محدودهٔ واقعی جهانی تولید/واردات نانو-TiO₂ می‌تواند از چند هزار تا چند ده‌هزار تن در سال متغیر باشد و تخمین قطعی به‌علت روش‌های گزارش‌دهی متفاوت سخت است. (منابع پژوهشی و رجیستری‌ها). 

• توزیع جغرافیایی (کلی و نسبی): منطقهٔ آسیا-اقیانوسیه (به‌ویژه چین) بیشترین سهم تولید/ظرفیت کلی TiO₂ و همچنین بخش عمده‌ای از تولید گریدهای نانویی را دارد؛ گزارش‌های بازار نشان می‌دهند >50٪ از ارزش بازار و ظرفیت نانو-TiO₂ در آسیا متمرکز است، و کشورهای توسعه‌یافتهٔ اروپا و آمریکای شمالی سهم بزرگی در کاربردهای فناوری‌محور (مثلاً آرایشی و الکترونیکی) دارند.

• تفسیر مقایسه‌ای: اگر تولید کلی TiO₂ پیگمنت را چند میلیون تن در سال در نظر بگیریم، تولید واقعی «در مقیاس نانو» کمتر از ۱٪ تا چند درصد از کل است؛ اما چون قیمت هر کیلو نانو-TiO₂ بسیار بالاتر است (گریدهای ویژه، پوشش‌ها)، از نظر ارزش دلاری بازار نانو سهم قابل‌توجهی دارد. (مطالعات مروری و گزارش‌های بازار).

۵ - نمونه محاسباتی (مثال کاربرد و مقادیر مصرفی برای یک کارخانه یا پروژه)

• ۱) کارخانهٔ رنگ متوسط:

• فرض: تولید سالانه رنگ سفید = 10,000 تن رنگ. اگر فرمول میانگین TiO₂ = 10٪ وزنی باشد، مصرف TiO₂ = 1,000 تن/سال.

• حال اگر کارخانه بخواهد پوششی فوتوکاتالیتیک (نانو-TiO₂) در بخشی از محصول داشته باشد (مثلاً 1٪ از محصولات با نانو-TiO₂ با غلظت 1 درصد در فرمول)، مقدار نانو-TiO₂ مورد نیاز می‌شود: 10,000 تن × 1٪ × 1٪ = 1 تن/سال — این مثال نشان می‌دهد که مصرف نانو نسبت به مصرف کل پیگمنت می‌تواند بسیار کوچکتر باشد، اما از نظر نوآوری مهم است. (مبنا: درصدهای مرسومی که در بخش‌های قبلی ذکر شد). 

• ۲) پروژهٔ ساختمانی بزرگ:

• فرض: یک پروژه ساختمانی که 10,000 تن سیمان مصرف کند و تصمیم دارد 2٪ وزنی TiO₂ نانویی به سیمان اضافه کند برای خاصیت فوتوکاتالیتیک. مصرف نانو-TiO₂ = 10,000 × 2٪ = 200 تن TiO₂ (اگر کل TiO₂ از نوع نانو باشد). این عدد بزرگ به‌نظر می‌رسد ولی در پروژه‌های واقعی معمولاً تنها پوشش‌های سطحی یا مقادیر موضعی TiO₂ استفاده می‌شوند، نه اضافه‌کردن کامل به کل سیمان. (مطالعات موردی و ارقام معمول آزمایشگاهی). 

۶ - مسائل ایمنی، مقررات و پیامدهای بازار

• مقررات غذایی (E171): نانو/میکرو TiO₂ به‌عنوان افزودنی غذایی (E171) در اتحادیهٔ اروپا از سال 2022 ممنوع شد؛ EFSA نتیجه‌گیری کرد که E171 دیگر «ایمن» نیست و اتحادیهٔ اروپا استفادهٔ آن را در مواد غذایی ممنوع کرد. این تصمیم روی تقاضا در بخش خوراکی تأثیر مستقیم داشت. 

• طبقه‌بندی و برچسب‌گذاری در اروپا (ECHA): به دلیل نگرانی از مواجهه تنفسی، توصیه‌ها و راهنماهایی برای طبقه‌بندی TiO₂ به‌عنوان مادهٔ دارای خطر سرطان‌زایی در صورت استنشاق منتشر شده است (راهنمای ECHA، 2021 — از منظر عرضه در مخلوط‌هایی که قابلیت استنشاق دارند). این مقررات تأثیر جدی بر بسته‌بندی، برچسب‌گذاری، روش‌های تولید و بازار گذاشته‌اند.

• نظر کمیته‌ متخصصِ محصولات آرایشی (SCCS): در اروپا SCCS و دیگر نهادها بررسی کرده‌اند که استفادهٔ نانو-TiO₂ در ضدآفتاب‌ها وقتی روی پوست استفاده شود و در معرضِ استنشاق قرار نگیرد، معمولاً نگرانی پوستی ایجاد نمی‌کند؛ اما کاربردهایی که ممکن است باعث استنشاق شوند (مثلاً پودرهای آئروسل) بیشترین نگرانی را دارند. 

۷ - چالش‌ها و فرصت‌ها برای صنعت 

• فرصت‌ها: کاربردهای فوتوکاتالیتیک در شهرسازی (کاهش NOx، خود-پاک‌کنندگی)، بازار قوی محصولات آرایشی بدون شیمی‌فیلتر، فیلم‌ها و پوشش‌های تخصصی در الکترونیک/انرژی. رشد بازار نانومواد TiO₂ از نگاه ارزش دلاری سریع‌‌تر از تولید پیگمنت معمولی بوده است. 

• چالش‌ها: مقررات ایمنی به‌ویژه در اتحادیهٔ اروپا، نگرانی‌های زیست‌محیطی و کارگری (افراط در مواجههٔ تنفسی)، و هزینهٔ بالاتر گریدهای نانویی نسبت به پیگمنت‌های مرسوم. در نتیجه بسیاری از کاربردهای نانویی هنوز در مرحلهٔ تحقیق/پایلوت یا کاربردهای تخصصی قرار دارند. 

۸ - نتیجه‌گیری کلیدی 

• نانو-TiO₂ یک مادهٔ چندمنظوره است که در حوزه‌هایی مثل پوشش‌های فوتوکاتالیتیک، ضدآفتاب‌ها، مصالح ساختمانی خود-پاک‌شونده و برخی کاربردهای تحقیقاتی در انرژی و الکترونیک اهمیت ویژه دارد.

• از لحاظ مقدار (تن/سال) نانو-TiO₂ بخش کوچکی از کل بازار TiO₂ را تشکیل می‌دهد، اما از لحاظ ارزش دلاری سهم قابل‌توجهی دارد (بازار نانومواد TiO₂ در بازهٔ ده‌ها میلیارد دلار برآورد می‌شود). 

مقررات (خصوصاً در اروپا) و مسائل بهداشتی نقش مهمی در شکل‌دهی تقاضا و مسیر توسعهٔ بازار دارند؛ تولیدکنندگان باید روی کنترل انتشار ذرات، روش‌های بسته‌بندی، و اثبات ایمنی محصول برای کاربردهای تماسی تمرکز کنند.

اگر قصد تهیه و خرید این محصول ارزشمند را دارید، می‌توانید آن را با بالاترین کیفیت و مرغوبیت و با قیمتی مناسب از مجموعه ما تهیه کنید. لینک محصول