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RÉSUMÉ
Le dioxyde de titane TiO2 dans ses formes cristallines anatase et rutile est utilisé dans l'industrie en très grande quantité. Il entre dans les compositions de céramiques, de peintures, de polymères, de papiers, de textiles, de cosmétiques et de composés alimentaires. Il est aussi utilisé dans les composants photovoltaïques pour la production d'électricité, dans les applications pour la photocatalyse, pour les procédés d'autonettoyage et de désinfection ainsi que pour le contrôle du comportement hydrophile des surfaces. Cet article fait le point sur les ressources minérales permettant d'obtenir les poudres de TiO2, ainsi que sur les applications actuelles et celles en cours de développement.
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Philippe BLANCHART : Professeur émérite - ENSIL – ENSCI, Institut de Recherche sur les Céramiques (IRCER) - ESTER Technopole, Limoges, France
INTRODUCTION
Le dioxyde de titane (TiO2) est utilisé dans l’industrie depuis de nombreuses décennies, comme pigment de peintures ou d’émaux, dans les produits cosmétiques tels que les crème solaires ou les dentifrices, dans les produits pharmaceutiques, mais également dans l’industrie alimentaire en tant que colorant. Le dioxyde de titane est aussi utilisé dans de nombreuses applications liées à ses propriétés photocatalytiques. De nouvelles applications émergentes sont liées au comportement des particules de taille nanométrique.
Dans toutes ces applications, la nature chimique du dioxyde de titane est considérée comme non toxique. C’est aussi un composé peu cher puisque la technologie industrielle de synthèse du dioxyde de titane à partir de ressources minérales se fait relativement simplement par voies chimiques.
Depuis 1950, le marché mondial des charges minérales à base de TiO2 est principalement orienté vers la production de pigments. Environ 90 % de ces pigments sont utilisés dans les peintures, les matières plastiques et les papiers. Le pourcentage restant est utilisé dans des applications très diverses. Le marché des matières premières à base d’oxyde de titane et celui des industries connexes représente une valeur d’environ 9 milliards de dollars américains par an.
Le dioxyde de titane est fortement associé à notre vie quotidienne. Environ 5 millions de tonnes de dioxyde de titane sont produites annuellement dans le monde. Cette industrie est principalement concentrée en Inde et en Chine.
Depuis 1990, la demande globale a augmenté d’environ 3 % par an et, selon les estimations de l’industrie, ce niveau de croissance devrait se poursuivre, stimulé par de nombreux marchés, dont les peintures architecturales, l’aéronautique ou l’embouteillage plastique. La consommation est concentrée en Amérique du Nord et en Europe, mais la Chine est devenue un acteur majeur dans l’industrie mondiale du dioxyde de titane.
L’objectif de l’article est de décrire les différentes variétés de dioxyde de titane, les ressources minérales à l’origine de ces oxydes et les méthodes de transformations industrielles permettant d’obtenir les poudres de dioxyde de titane.
L’article présente aussi les propriétés physiques de ces oxydes et les applications industrielles induites par ces propriétés remarquables.
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7. Glossaire
Rutile ; rutile
Forme minérale de TiO2 qui reste stable depuis la température ambiante et jusqu’à la température de fusion (1 855 °C). Sa densité est de 4,250.
Anatase ; anatase
Forme minérale de TiO2 qui se transforme de façon irréversible en rutile dans l’intervalle de température de 600-800° C. Sa densité est de 3,994.
TiO2–x
Formes minérales de TiO2 sous-stœchiométriques en oxygène. Elles sont généralement obtenues à haute température et sous atmosphère réductrice. TiO2– x est un semi-conducteur de type n.
Photocatalyse ; photocatalysis
Transformation chimique induite au contact d’un catalyseur activé par un rayonnement visible ou UV.
Pigment ; pigment
Phase granulaire de dimension submicronique (0,1-1 µm), dispersée dans un milieu transparent (verre, peinture, polymère…). Le pigment opacifie le milieu transparent et change sa couleur.
TTIP
Le tétraisopropoxyde de titane est un composé liquide de type organométallique. Il est utilisé dans les procédés de synthèse de matériaux.
Dépôt chimique en phase vapeur ; chemical vapor deposition (CVD)
Procédés de dépôt chimique en phase vapeur pour réaliser des couches minces (< 100 µm) de matériaux sur différents supports métalliques ou céramiques.
Dépôt physique en phase vapeur ; physical vapor deposition (PVD)
Procédés de dépôt physique en phase vapeur pour réaliser des couches minces (< 100 µm) de matériaux sur différents supports métalliques ou céramiques.
Superhydrophile ; super-hydrophilic
Matériau pouvant être recouvert d’un film continu d’eau, avec un angle de mouillage tendant vers zéro.
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - O’REGAN (B.), GRÄTZEL (M.) - A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films. - Nature, 353, 737-740 (1991).
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(2) - HAYLE (S.T.), GONFA (G.G.) - Synthesis and characterization of titanium oxide nanomaterials using sol – gel method. - Am. J. Nanosci. Nanotech., 2, 1-7 (2014).
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(3) - CHAO (S.), PETROVSKY (V.), DOGAN (F.) - Effects of sintering temperature on the microstructure and dielectric properties of titanium dioxide ceramics. - J. Mater. Sci., 45, 6685-6693 (2010).
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(4) - RICHARDS (B.S.) - Single-material TiO2 double-layer antireflection coatings, - Sol. Energy Mater Sol. Cells, 79, 369-390 (2003).
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(5) - HOSSAIN (M.A.), AHMED (A.N.), KHAN (M.A.A.) - Vitreous enamel coating on mild steel substrate : characterization and evaluation. - Int. J. Sci. Eng. Res., 5821-5826 (2014).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
Titanium dioxide for coatings :
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ISO 591-1 (2000), Titanium dioxide pigments for paints
ASTM D476-00 (2000), Standard Classification for Dry Pigmentary Titanium Dioxide Products
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ANSES, 2017 Avis de l’Agence nationale de sécurité sanitaire de l’alimentation, de l’environnement et du travail relatif à une demande d’avis relatif. N° 2017-SA-0020
ECHA, 2017 Committee for Risk Assessment Titanium dioxide. Ref CLH-O-0000001412-86-163/F.
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