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第90集 二氧化钛很受欢迎吗?

第90集 二氧化钛很受欢迎吗? 0:00/0:00
最新发布时间: 2020-02-27
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  金属钛,相信大家并不陌生,二氧化钛被广泛地用作白色颜料,而白色颜料之所以能够产生白色,是因为颜料的粉末强烈地反射和散射着光线。当我们将白色颜料涂到某个物体的表面时,我们希望用尽可能薄的一层颜料就能够将物体本身的颜色遮盖掉,因此颜料粉末的反射和散射效率必须足够高,那么我们该如何提高反射和散射的效率呢?

  如果把玻璃粉和二氧化钛的粉末放在一起,恐怕很难分辨哪种材料看上去更白一些。但在很多时候,我们并不是直接把这些白色的粉末涂到物体的表面,而是把它和各种高分子材料混在一起制成油漆或者涂料,例如涂在汽车和家具表面的白色油漆就是这样制成的。它不仅能够提供白色,还能保护物体表面免受磨损或腐蚀。

  如果我们选择玻璃粉来生产这样的白色油漆,就会遇到一个很奇怪的现象:尽管玻璃粉本身洁白无暇,制成的涂料却又变得像玻璃一样无色透明,结果物体表面涂上涂料之后还是原先的颜色。而如果我们用二氧化钛的粉末去代替玻璃粉,不管物体原先是红色、蓝色或是绿色,只要涂料轻轻一刷,全部都被白色覆盖了。同样是白色颜料,为什么会有这么大的差异呢?

  光学原理告诉我们,对于两种不同的材料,如果光在它们之中分别传播时感受到的差异越大,那么光在二者界面上就越容易发生反射和散射。用更为专业的语言描述就是,两种材料的折射率相差越大,反射和散射的效果就越明显。如果我们仅仅是将白色颜料本身制成粉末,那么反射和散射是发生在空气和颜料的界面上,而在常见的各种材料中,空气拥有最低的折射率,数值接近1。不过,这只是针对可见光而言。对于其他波长的电磁波,材料的折射率可以小于1,例如常见材料对X射线的折射率通常小于1。因此,充当白色颜料的材料不仅要透明,而且折射率必须尽可能地高,这样才能利用最少的材料产生最明显的白色。

  玻璃的折射率在1.5左右,这个数值并不算太低。然而如果我们把玻璃添加到高分子材料中,问题就来了:常见的高分子材料的折射率通常在1.4-1.6之间,和玻璃相差不大,当光穿过玻璃进入高分子材料时,并不会有太大的变化。这样一来,被反射和散射的光的比例都大大降低。例如,光在玻璃和空气的界面上会有4%左右被反射,但是光在玻璃和折射率为1.4的高分子材料的界面上只有约千分之一左右被反射。在反射效率降低的同时,光的散射也变得不那么强烈。因此当我们把玻璃粉和高分子材料混合得到的涂料涂在物体表面时,大部分的光其实都透过了涂料,所以这层涂料看上去是透明的。不仅玻璃如此,还有许多常见的能够产生白色的材料,例如粘土和碳酸钙等,折射率也都和高分子材料相近。用这些材料生产出来的白色油漆或者涂料,白色的效果同样会比较差。

  为了保证白色颜料在油漆和涂料中能够正常发挥作用,我们必须寻找折射率更高且透明的材料,这也就是二氧化钛最终在众多候选者中脱颖而出的原因。它有着高达2.7的折射率,当然,二氧化钛有多种晶体形式,最常用于白色颜料的是金红石和锐钛矿这两种形式。其中金红石形式折射率稍高,在2.7左右;锐钛矿形式折射率略低,在2.55左右。常见的材料中,折射率与二氧化钛接近或者更高的材料还有一些,例如硫化锌的折射率可达2.57,一些半导体材料的折射率在3~4之间。

  光在经过空气和二氧化钛的界面时,被反射的光的比例高达20%,即便把二氧化钛和折射率为1.6的高分子材料混在一起,巨大的折射率差异也可以保证强烈的反射和散射。高透光性与高折射率的完美结合,使得二氧化钛成为白色颜料的不二选择。虽然二氧化钛迟至20世纪初才开始被大量用作白色颜料,但其优异的性能使得它很快占据了白色颜料的主导地位。目前,全世界每年有数百万吨的二氧化钛被生产出来,这其中绝大部分都被用作了白色颜料。

  二氧化钛不仅被大量用作油漆和涂料中的白色颜料,还被经常添加到食物、药品和化妆品中,让它们看上去更加洁白。如果找出一管白色的牙膏或者一盒白色的药片,你多半会在配料表中发现二氧化钛的身影。我们无需担心进入人体的二氧化钛会损害我们的健康,到目前为止,各种研究都认为二氧化钛并不会对人体造成明显的负面影响。动物实验表明,吸入二氧化钛颗粒能够导致肺癌,但目前尚未在人体中证实,因此国际癌症研究机构将其列为二类B级致癌物,即有可能对人体有致癌作用。另外一些研究人员认为,尺寸更小的二氧化钛纳米颗粒由于性质更为活泼,安全性需要进一步的评估。但用于白色颜料的二氧化钛颗粒较大,化学性质稳定,因此通常被认为是安全的。

  如果你认为二氧化钛只能用作白色颜料,那未免太小瞧它了。它还能帮助我们实现许多更为重要的功能。二氧化钛有一个很有趣的特点,那就是虽然对阳光中的可见光几乎没有任何吸收,却能强烈地吸收其中的紫外线。于是人们把它添加到防晒霜中,让它不仅能够将可见光反射、散射掉,还能够对皮肤危害更大的紫外线进行吸收,从而让我们在享受户外活动的快乐时不会被阳光灼伤。

  二氧化钛能够强烈吸收紫外线这个特点还赋予了它另一项奇妙的应用,那就是能够自我清洁的玻璃。在使用过程中,玻璃表面难免会吸附尘土和油污,影响玻璃的透光性能。室内的玻璃我们还可以经常清洗,室外的玻璃一旦沾染上污垢就很让人头疼。你可能期待雨水能够将这些污垢清洗掉,然而一场大雨过后,你会很失望地发现,污垢不仅仍然附着在玻璃表面,而且在它们周围还聚集了许多水滴,结果玻璃反而变得更脏了。其实这主要是因为污垢并不喜欢水,因此当雨水落到玻璃表面上时,它们不仅不会溶解在雨水中被带走,而且还会阻碍雨水在玻璃上的流动,来不及流走的雨水就形成许多水滴聚集在污垢的周围。

  如果在玻璃的表面添加一层二氧化钛,我们会惊喜地发现,吸附到玻璃上的污垢不仅少了很多,而且遇到下雨,很快就被雨水冲走了。因为当光照到二氧化钛表面时,二氧化钛吸收了其中的紫外线,自身的化学性质发生了变化,变得对水更加亲近。这样一来雨水会更容易渗透进它和污垢之间的缝隙而将污垢冲刷掉。而且,吸收了紫外线的二氧化钛变得非常活泼,会和吸附在玻璃表面的油脂等有机物的污垢发生化学反应,让它们变得更加易溶于水,甚至直接变成气体挥发掉。有科学家做过实验,在二氧化钛表面涂上一薄层脂肪酸,然后用紫外线照射,过了一段时间,脂肪酸全部变成二氧化碳跑掉了。化学和物理的作用双管齐下,使得污垢很难在二氧化钛表面安营扎寨。正因为如此,表面添加了二氧化钛的玻璃比普通玻璃要更容易保持清洁。

  当然,二氧化钛的奇妙应用还不止这些。近些年来,随着研究的深入,科学家们不断挖掘出它更多的重要应用。默默奉献的二氧化钛,带给我们的不仅仅是赏心悦目的白色,还有更加美好的生活。

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