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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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Propriétés de l’oxyde de titane
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1. Formes minérales de dioxyde de titane
Dans la nature, le dioxyde de titane cristallise principalement sous trois formes : anatase, rutile et brookite. Le rutile et l’anatase sont les formes principalement utilisées dans les applications industrielles. La forme brookite pourrait être intéressante en raison de ses bonnes propriétés diélectriques, mais sa synthèse reste difficile à maîtriser. En plus de ces trois formes structurales, les minéraux columbite, baddelyite et cotunnite peuvent apparaître. Les propriétés physiques principales des formes cristallines rutile et anatase sont décrites dans le tableau 1.
1.1 Propriétés physiques des phases anatase, rutile et TiO2–x
La structure de l’anatase résulte de l’agencement tridimensionnel d’unités structurales de type TiO6 octaédriques interconnectées par des arêtes pour former des chaînes le long de l’axe [100] et des plans (001). Les plans sont combinés le long de l’axe [001] pour former un réseau tridimensionnel.
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Le rutile est la forme la plus stable de TiO2. Dans sa structure, les unités structurales TiO6 octaédriques sont disposés parallèlement à l’axe c et partagés par les bords pour former des chaînes.
Les propriétés optiques du rutile indiquent un indice de réfraction supérieur à celui du diamant. Il est transparent à la lumière visible et dans le proche infrarouge (408-5 000 nm). Cependant, du côté bleu du spectre visible, la forte absorption à 385 nm le rend plus brillant que l’anatase, avec une teinte légèrement jaune. Lorsqu’il est chauffé à des températures supérieures à 900 °C, le matériau devient jaune et présente un maximum d’absorption à 476 nm. Cette couleur disparaît lors du refroidissement.
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Formes minérales de dioxyde de titane
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
HAUT DE PAGE
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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