亜酸化チタン（チタンブラックとも呼ばれる）は、青黒色の流動性粉末を特徴とする無機機能性材料です。無毒性で、優れた熱安定性、高い水素および酸素発生過電圧を有します。耐腐食性、耐摩耗性、優れた導電性、そして極めて高い化学的安定性といった優れた特性を有しています。これらの特性により、廃水処理における電気触媒酸化、海洋防食、導電性添加剤など、様々な産業で高い価値を有しています。 ジェットミリングエアジェットミリングまたは流体エネルギーミリングとしても知られるこの方法は、亜酸化チタンを粉砕するための好ましい技術です。
マグネリ相チタン亜酸化物の卓越した特性は、その独特な結晶構造に由来しています。これはTiO₂八面体のネットワークとして視覚化できますが、重要な違いがあります。それは、周期的な酸素欠損です。例えば、Ti₄O₇では、TiO₂が数層ごとに酸素欠損層が形成されます。これが結晶学的せん断面を形成します。これらの酸素欠損層内では、チタン原子同士がより接近し、導電性の鎖またはバンドを形成します。重要なのは、これらの導電経路が両側の安定したTiO₂層によって遮蔽されていることです。これにより、Ti₄O₇のような材料は、高い導電性と強力な耐腐食性を兼ね備えています。
関連パラメータ
| 製品名 | 亜酸化チタン |
| 化学式 | TiₙO₂ₙ₋₁ |
| 化学形態 | マグネリ相チタン亜酸化物 |
| 外観 | 藍黒色火薬 |
| トーンL値 | 16歳未満 |
| Ti₄O₇含有量 | ≥ 95 % |
| 一次粒子サイズ | 0.5～1μm |
| 粒子サイズとそれに対応する抵抗率 | < 1 μm：> 30 mΩ·m |
| 1～10μm：30～80mΩ·m | |
| 10～30μm：3～5mΩ·m | |
| 30～50μm：< 3mΩ·m | |
| 50～80μm：< 3mΩ·m | |
| 耐熱性（空気中） | 600℃未満 |
| 相対密度 | 3.6 ~ 4.3 |
| 水溶性物質 | 0.5 g/ml未満 |
主なパラメータと応用分野
1. 電極材料
亜酸化チタンは、母金属であるチタンを含む、ほとんどの一般的な工業用電極材料よりも優れた化学的安定性と耐食性を備えています。フッ化物含有溶液や塩酸など、チタン金属が急速に腐食する非常に腐食性の高い媒体中でも安定しています。例えば、チタン金属を著しく腐食させる硫酸やシュウ酸など、40%のような酸性溶液中でもほぼ不活性です。
| サンプル | 電解質 | 減量（150時間） | 減量（3500時間） |
| チタンメタル | 1000 ppm F⁻ | 22% | 100% |
| 亜酸化チタン | 1000 ppm F⁻ | 0.017% | 0.29% |
| チタンメタル | 4000 ppm F⁻ | 52% | 100% |
| 亜酸化チタン | 4000 ppm F⁻ | 0.66% | 2.4% |
| チタンメタル | HF/HNO₃/H₂O 2/10/88 | 100% | 100% |
| 亜酸化チタン | HF/HNO₃/H₂O 2/10/88 | 0.56% | 12.7% |
2. 電気化学的廃水処理
高い酸素発生過電圧を有するため、亜酸化チタン電極は陽極酸化プロセスに最適です。これにより、埋立地浸出水、フェノール含有廃水、繊維染色廃水、油田廃水、病院下水などの用途において、有機汚染物質を効率的に電気触媒分解することが可能になります。また、海水からの電解水素製造、海水淡水化、水消毒、オゾン生成にも使用されます。
3. 先進鉛蓄電池
2012年、Atraverda Ltd.は亜酸化チタンを用いたバイポーラ鉛蓄電池を商品化しました。この電池は、従来の鉛蓄電池と比較して、40%軽量、20%小型、40%高いエネルギー密度、100%以上長いサイクル寿命を実現しています。また、鉛使用量を50%削減し、製造時のCO₂排出量を80%削減できるため、環境にも優しい製品です。さらに、完全にリサイクル可能で、リチウムイオン電池などの代替品よりもコスト効率に優れています。
4. 新エネルギー電池
鉛蓄電池：亜酸化チタン（Ti₄O₇）はPbO₂との結合力を高め、充放電サイクル中の細孔構造と多孔度を維持するのに役立ちます。これにより、正極活物質の形成効率と利用率が向上します。自動車用平板電池に少量のTi₄O₇繊維を添加することで、容量が15～17%増加することが示されています。
リチウムイオン：リチウムイオン電池正極の導電助剤として、亜酸化チタンは従来のカーボンブラックの代替として使用できます。正極の導電性を向上させ、均一な電流分布を確保し、放電電圧プラットフォームを向上させ、活物質の利用率を高めます。予備試験では、放電電圧が5%上昇し、それに伴い放電エネルギーも増加することが示されています。
5. 陰極保護と防食コーティング
亜酸化チタンは、高い導電性（一部の指標ではグラフェンを上回る）、酸・アルカリ耐性、紫外線吸収性、高い熱安定性、そして水や樹脂への優れた分散性を備えています。「導電性と不活性」を併せ持つため、海洋工学や化学装置などの過酷な環境における長期保護に最適です。亜酸化チタン粒子を防錆コーティング（エポキシ、ポリウレタンなど）に配合することで、均一な電荷分布が促進され、局所的なガルバニック腐食を防止します。研究によると、亜酸化チタンで改質されたコーティングは、従来の不活性フィラーを使用したコーティングと比較して、陰極保護の確立が速く、その持続期間も長くなることが示されています。
6. 高度な顔料
マグネリ相チタン亜酸化物は高い導電性を有しており、コーティングやインク用の帯電防止・導電性顔料として使用できます。カーボンブラックの代替として、耐候性に優れた深みのある黒色の導電性コーティングを実現できます。さらに、その結晶構造は可視光を強く吸収するため、深みのある灰色から黒色が得られます。カーボンブラックよりも耐熱性が高く（セラミックや高温コーティングに最適）、無毒性であるため、有害なコバルトやクロムベースの黒色顔料の代替として期待されています。TiO₂との複合顔料は、光触媒活性を制御するように設計することもでき、紫外線による劣化を軽減し、コーティングの耐久性と防汚性を向上させます。粒子の形態とサイズを制御することで、自動車用コーティングや装飾用コーティングにおいて金属光沢などの特殊効果を実現できます。
高度な処理によるパフォーマンスの最適化
亜酸化チタンの優れた機能特性は、純度、粒度分布、形態といった粉末特性に大きく依存します。最高の性能レベルを達成するには、加工中の汚染を回避する必要があります。ジェットミル（エアジェットミル、流体エネルギーミルとも呼ばれます）は、亜酸化チタンの粉砕に適した技術です。この方法では、圧縮空気またはガスの高速ジェットを利用し、機械的な可動部品が材料に接触することなく、超微細な空気粉砕と分級を実現します。エアフロー粉砕プロセスにより、以下のことが保証されます。
絶対純度: 粉砕媒体からの金属汚染はありません。
熱保護: 低温ジェット粉砕により相変化や酸化を防止します。
優れた粉末品質: サイズ分布の狭い球状粒子を生成し、電極製造、コーティング、複合材料に最適です。
亜酸化チタン（Ti₄O₇）は、独特のマグネリ相構造と高い導電性を有し、バッテリー、環境保護、そして腐食防止において優れた性能を発揮します。より軽量で高効率なバイポーラ鉛蓄電池の中核材料、頑固な排水汚染物質を分解する強力な電気触媒、そして長寿命の防食システムのための耐久性と導電性を備えた部品として機能します。
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