二酸化チタン多形体：ルチル対アナターゼ
はじめに
二酸化チタン（TiO₂）は、そのユニークな光学的、物理的、化学的特性のために評価され、様々な産業で広く利用されている化合物である。天然にはアナターゼ、ルチル、ブルッカイトの3つの多形がある。このうち、アナターゼとルチルは工業用途で最も重要であるが、ブルッカイトは不安定であるためほとんど使用されない。この記事では、アナターゼとルチルの主な違いについて、その構造、特性、用途に焦点を当てて説明する。
[1]
結晶構造と安定性
アナターゼとルチルは共に正方晶系に属するが、格子構造と安定性が異なる。
- アナターゼ： この多形は、4つのTiO₂分子を含む単位胞を持つ、より開いた結晶構造を有する。結晶格子がコンパクトでないため密度が低い。アナターゼは室温では安定であるが、高温、典型的には730℃前後でより安定な相に変態する。この変態は不可逆的で発熱性であり、最終相の熱力学的安定性が高いことを強調している。
- ルチル：より 緻密でコンパクトな結晶構造が特徴で、各単位胞は2つのTiO₂分子を含む。この密に詰まった配置は、より高い密度とより高い安定性をもたらす。TiO₂の中で最も熱力学的に安定した形態であり、アナターゼとブルッカイトは加熱によりこの安定相に変化する。
物理的特性
--密度および硬度
アナターゼの相対密度は3.8～3.9g/cm³で、モース硬度は5.5～6.0である。密度と硬度が低いため、アナターゼはルチルよりも耐久性に劣ります。
ルチルの相対密度は4.2～4.3g/cm³で、より緻密でコンパクトです。モース硬度は6.0から7.0であり、より高い耐久性と耐摩耗性を必要とする用途に適している。
--誘電率
アナターゼの誘電率は約48であり、ルチルの誘電率より はるかに低い。この低い誘電率は、高い誘電特性を必要とする用途での使用を制限します。
ルチルの誘電率ははるかに高く、平均約114です。この高い誘電率は安定性と相まって、電子用途に理想的です。
光学特性
--屈折率
材料の屈折率は光を曲げる能力を決定し、TiO₂は光学用途に有益な非常に高い屈折率を持つことで知られています。アナターゼの屈折率は約2.55。高いとはいえ、ルチルより低い。
ルチルの屈折率は約2.71とさらに高く、光の散乱と隠蔽を最大限に必要とする用途に非常に効果的です。
--散乱力
TiO₂の光散乱能力は、塗料やコーティング剤などの顔料として使用する上で非常に重要である。優れた光散乱特性を持つにもかかわらず、アナターゼは屈折率が低いため、ルチルよりも効果が劣る。
より高い屈折率を持つルチルは、優れた光散乱性を発揮し、塗料やコーティングなどの用途において不透明性と輝度を高める。そのため、ルチルは白色顔料に適しています。
電気的特性
--導電性
二酸化チタンは半導体として機能し、その電気伝導率は温度と酸素空孔に影響されます。一般的にアナターゼの方が電気伝導度は低い。ルチルと比較すると、温度変化の影響を受けにくい。
ルチルの電気伝導率は温度によって著しく増加する。420℃付近では導電率が数桁上昇するため、セラミック・コンデンサーなどの電子部品に利用されている。このように温度と酸素含有量に敏感であるため、センシング用途に有用である。
用途
アナターゼとルチルは、それぞれの特性に基づいた明確な用途がある。
1.アナターゼ
- 光触媒：アナターゼは、紫外線下での反応性が高いため、光触媒用途に広く使用されている。有機汚染物質の分解に効果的であるため、空気や水の浄化システム、セルフクリーニング表面、抗菌コーティングなどに有用である。
- 太陽電池：その光活性特性により、アナターゼは効率を高めるために色素増感太陽電池に採用されている。
2.ルチル
- 顔料：高い屈折率と優れた光散乱性により、塗料、プラスチック、紙などの白色顔料として理想的。優れた不透明度と輝度を提供する。
- 光学部品：屈折率が高いため、レンズやコーティングなどの光学部品の製造に使用される。
- エレクトロニクス高い誘電率と高温下での電気伝導性を持つルチルは、コンデンサやバリスタなどの電子機器に適している。
- 高温用途：高温での安定性が高いため、セラミック釉薬、耐火物、その他の高温用途に適している。
ルチルとアナターゼの基本情報
|
特性 |
||
|
密度 (g/cm3) |
3.8 - 3.9 |
4.2 - 4.3 |
|
モース硬度 |
5.5 - 6.0 |
6.0 - 7.0 |
|
誘電率 |
48 |
114 |
|
屈折率 |
2.55 |
2.71 |
|
散乱力 |
良好 |
優れている |
|
導電率 |
低い、温度変化に弱い 温度変化に弱い |
高い、 温度により増加 |
|
一般的な用途 |
光触媒 太陽電池 紙、インク 繊維、ゴム セラミックス、化粧品 |
コーティング 空気浄化 軍事用途 化粧品、塗料 プラスチック製品 |
スタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ（SAM）は、プレミアムチタン製品を競争力のある価格で提供しています。アナターゼ型とルチル型の二酸化チタンを供給しており、お客様のニーズに合わせてカスタマイズも可能です。より詳細な情報やお問い合わせはこちらまでご連絡ください。
まとめ
アナターゼ型酸化チタンとルチル型酸化チタンの違いを理解することは、様々な産業用途での使用を最適化するために不可欠です。高い光触媒活性を持つアナターゼは、環境技術やセルフクリーニング技術に適しています。一方、ルチルは安定性、密度、光学特性に優れ、顔料、コーティング、電子部品に最適である。
これらのどちらを選択するかは、用途の具体的な要件によって決まる。これらのTiO₂多形のユニークな特性を活用することで、産業界は製品の性能と効率を高めることができます。
参考文献
[1] Stawarz, Sylwester & Witek, Natalia & Kucharczyk, Wojciech & Bakar, Med & Stawarz, Magdalena.(2019).ナノ二酸化チタンを用いたポリマー複合材料の熱保護特性。International Journal of Mechanics and Materials in Design.15.10.1007/s10999-018-9432-7.
