คุณสมบัติทางเคมีและกายภาพของไทเทเนียม

ไทเทเนียมเป็นโลหะทนไฟที่แข็งแกร่งและมีน้ำหนักเบา โลหะผสมไทเทเนียมมีความสำคัญต่ออุตสาหกรรมการบินและอวกาศ และยังใช้ในฮาร์ดแวร์ทางการแพทย์ เคมี และการทหาร รวมถึงอุปกรณ์กีฬาอีกด้วย

การใช้งานด้านการบินและอวกาศคิดเป็น 80% ของการใช้ไททาเนียม ในขณะที่ 20% ของโลหะถูกใช้ในการผลิตชุดเกราะ ฮาร์ดแวร์ทางการแพทย์ และสินค้าอุปโภคบริโภค

คุณสมบัติของไทเทเนียม

เมื่อพูดถึงคุณสมบัติของไทเทเนียม เราไม่สามารถละเลยคุณสมบัติทางกายภาพอันเป็นเอกลักษณ์ของมันได้ ไทเทเนียมเป็นโลหะน้ำหนักเบาที่มีความหนาแน่น 4.5 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร ทำให้มีความแข็งแรงเป็นเลิศ ความสมดุลของอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักทำให้ไทเทเนียมเป็นวัสดุนั่งร้านในสาขาการบินและอวกาศ และส่งเสริมการพัฒนาเครื่องบินสมัยใหม่

สัญลักษณ์อะตอม: Ti

เลขอะตอม: 22

หมวดหมู่องค์ประกอบ: โลหะทรานซิชัน

ความหนาแน่น: 4.506/ซม.3

จุดหลอมเหลว: 3038 องศา F (1670 องศา)

จุดเดือด: 5949 องศา F (3287 องศา)

ความแข็งโมห์: 6

คุณสมบัติ

โลหะผสมที่ประกอบด้วยไทเทเนียมมีชื่อเสียงในด้านความแข็งแรงสูง น้ำหนักเบา และทนต่อการกัดกร่อนได้ดีเยี่ยม แม้ว่าไททาเนียมจะแข็งแกร่งพอๆ กับเหล็ก แต่ก็เบากว่าประมาณ 40%

เมื่อประกอบกับความต้านทานต่อการเกิดโพรงอากาศ (การเปลี่ยนแปลงความดันอย่างรวดเร็วที่ทำให้เกิดคลื่นกระแทกที่ทำให้โลหะอ่อนลงหรือเสียหายเมื่อเวลาผ่านไป) และการสึกกร่อน ทำให้โลหะนี้เป็นโลหะโครงสร้างที่จำเป็นสำหรับวิศวกรการบินและอวกาศ

ไทเทเนียมยังมีความทนทานต่อการกัดกร่อนจากน้ำและสารเคมีได้สูง ความต้านทานนี้เกิดจากการก่อตัวของชั้นบาง ๆ ของไทเทเนียมไดออกไซด์ (TiO 2 ) บนพื้นผิว ทำให้วัสดุเหล่านี้เจาะทะลุได้ยากมาก

ไทเทเนียมมีโมดูลัสความยืดหยุ่นต่ำกว่า ซึ่งหมายความว่าไทเทเนียมมีความยืดหยุ่นสูงและสามารถคืนรูปเดิมได้หลังจากการดัดงอ เมมโมรีอัลลอยด์ (โลหะผสมที่เสียรูปเมื่อเย็น แต่กลับคืนรูปเดิมเมื่อถูกความร้อน) มีความสำคัญสำหรับการใช้งานสมัยใหม่หลายอย่าง

ไทเทเนียมไม่เป็นแม่เหล็กและเข้ากันได้ทางชีวภาพ (ปลอดสารพิษ ไม่เป็นภูมิแพ้) ซึ่งนำไปสู่การใช้ในวงการแพทย์เพิ่มมากขึ้น

ประวัติศาสตร์

เพื่อให้เข้าใจถึงความสำคัญทางอุตสาหกรรมของไทเทเนียม เราต้องย้อนกลับไปดูประวัติของมัน การค้นพบไทเทเนียมเกิดขึ้นตั้งแต่ศตวรรษที่ 18 แต่รูปแบบการทำลายล้างไม่สามารถแยกออกได้สำเร็จจนกระทั่งถึงศตวรรษที่ 20 ในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมา ไทเทเนียมมีความโดดเด่นและกลายเป็นแกนนำของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ด้วยการเพิ่มขึ้นของอุตสาหกรรมการบิน โลหะผสมไทเทเนียมจึงกลายเป็นตัวเลือกที่เหมาะสำหรับโครงสร้างเครื่องบิน คุณสมบัติน้ำหนักเบาและความแข็งแรงสูงทำให้เครื่องบินไม่เพียงแต่ประหยัดพลังงานมากขึ้นเท่านั้น แต่ยังปลอดภัยยิ่งขึ้นอีกด้วย

การใช้ไทเทเนียมไม่ว่าจะในรูปแบบใดก็ตาม ได้รับการพัฒนาจริงๆ หลังสงครามโลกครั้งที่สองเท่านั้น ในความเป็นจริง ไทเทเนียมไม่ได้ถูกแยกออกเป็นโลหะจนกระทั่งปี 1910 เมื่อนักเคมีชาวอเมริกัน Matthew Hunter ผลิตไทเทเนียมโดยรีดิวซ์ไทเทเนียมเตตราคลอไรด์ (TiCl 4 ) ด้วยโซเดียม วิธีการที่เรียกว่ากระบวนการฮันเตอร์

อย่างไรก็ตาม การผลิตเชิงพาณิชย์ไม่สามารถทำได้จนกระทั่งทศวรรษ 1930 เมื่อวิลเลียม จัสติน โครลล์แสดงให้เห็นว่าแมกนีเซียมสามารถใช้ในการลดไทเทเนียมจากคลอไรด์ได้เช่นกัน กระบวนการ Kroll ยังคงเป็นวิธีการผลิตเชิงพาณิชย์ที่ใช้กันมากที่สุดในปัจจุบัน

การใช้งานหลักครั้งแรกของไทเทเนียมเกิดขึ้นในเครื่องบินทหารหลังจากพัฒนาวิธีการผลิตที่คุ้มต้นทุน สหภาพโซเวียตและสหรัฐอเมริกาเริ่มใช้โลหะผสมไทเทเนียมในเครื่องบินทหารและเรือดำน้ำที่ออกแบบในปี 1950 และ 1960 ในช่วงต้นทศวรรษ 1960 ผู้ผลิตเครื่องบินพาณิชย์ก็เริ่มใช้โลหะผสมไทเทเนียม

การวิจัยโดยแพทย์ชาวสวีเดน Per-Ingvar Branemark ย้อนหลังไปถึงปี 1950 แสดงให้เห็นว่าไทเทเนียมไม่ก่อให้เกิดการตอบสนองทางภูมิคุ้มกันเชิงลบในร่างกายมนุษย์ ทำให้โลหะสามารถรวมเข้ากับร่างกายของเราได้ เรียกว่าการรวมออสซีโออินทิเกรชัน

การผลิต

ไทเทเนียมเป็นโลหะเบาที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย ซึ่งการผลิตอาศัยวิธีคลอรีนเป็นหลัก ในกระบวนการนี้ แร่ไทเทเนียมมักจะทำปฏิกิริยากับก๊าซคลอรีนและโค้กเพื่อสร้างไทเทเนียมคลอไรด์ ซึ่งจากนั้นจะถูกลดสถานะเป็นไทเทเนียมโลหะบริสุทธิ์ผ่านอุณหภูมิสูง กระบวนการผลิตที่มีเอกลักษณ์และซับซ้อนนี้ทำให้เรามีวัสดุไทเทเนียมที่แข็งแกร่งและมีน้ำหนักเบา เพื่อวางรากฐานสำหรับการใช้งานในสาขาต่างๆ

แม้ว่าไทเทเนียมจะเป็นธาตุโลหะที่พบมากเป็นอันดับสี่ในเปลือกโลก (รองจากอะลูมิเนียม เหล็ก และแมกนีเซียม) การผลิตโลหะไทเทเนียมนั้นไวต่อมลภาวะอย่างมาก โดยเฉพาะออกซิเจน ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมการพัฒนาจึงค่อนข้างใหม่และมีค่าใช้จ่ายสูง

แร่หลักที่ใช้ในการผลิตไทเทเนียมขั้นต้น ได้แก่ อิลเมไนต์และรูไทล์ ซึ่งคิดเป็นประมาณ 90% และ 10% ของการผลิตตามลำดับ

การผลิตหัวแร่อิลเมไนต์ในปี 2558 มีจำนวนเกือบ 10 ล้านตัน แม้ว่าในท้ายที่สุดจะมีสัดส่วนเพียงเล็กน้อย (ประมาณ 5%) ของหัวแร่อิลเมไนต์ที่ผลิตในแต่ละปีซึ่งสุดท้ายจะถูกเปลี่ยนเป็นโลหะไทเทเนียม แต่ส่วนใหญ่จะใช้ในการผลิตไทเทเนียมไดออกไซด์ (TiO 2 ) ซึ่งเป็นเม็ดสีไวท์เทนนิ่งที่ใช้ในสี อาหาร ยา และเครื่องสำอาง

ในขั้นตอนแรกของกระบวนการ Kroll แร่ไทเทเนียมจะถูกบดและให้ความร้อนด้วยถ่านหินโค้กในบรรยากาศคลอรีนเพื่อผลิตไทเทเนียมเตตระคลอไรด์ (TiCl 4 ) จากนั้นคลอไรด์จะถูกดักจับและส่งผ่านคอนเดนเซอร์ ทำให้เกิดของเหลวไทเทเนียมคลอไรด์ที่มีความบริสุทธิ์สูงถึง 99%

จากนั้นไทเทเนียมเตตระคลอไรด์จะถูกป้อนเข้าไปในภาชนะที่บรรจุแมกนีเซียมหลอมเหลวโดยตรง เพื่อหลีกเลี่ยงการปนเปื้อนของออกซิเจน ให้ทำให้เฉื่อยโดยเติมอาร์กอน

กระบวนการกลั่นครั้งต่อไปอาจใช้เวลาหลายวัน ในระหว่างนั้นภาชนะจะถูกให้ความร้อนถึง 1832 องศาฟาเรนไฮต์ (1,000 องศา ) แมกนีเซียมทำปฏิกิริยากับไททาเนียมคลอไรด์ โดยดึงคลอไรด์ออกและเกิดเป็นธาตุไทเทเนียมและแมกนีเซียมคลอไรด์

ไทเทเนียมที่เป็นเส้นใยที่ได้นั้นเรียกว่าฟองน้ำไทเทเนียม ในการผลิตโลหะผสมไทเทเนียมและแท่งไทเทเนียมที่มีความบริสุทธิ์สูง สามารถใช้ลำแสงอิเล็กตรอน พลาสมาอาร์ก หรือการหลอมอาร์กสุญญากาศเพื่อละลายฟองน้ำไทเทเนียมด้วยองค์ประกอบโลหะผสมต่างๆ

ใช้

การใช้โลหะไทเทเนียมในด้านสินค้ากีฬาส่วนใหญ่สะท้อนให้เห็นในจักรยานระดับไฮเอนด์ ไม้กอล์ฟ ไม้เทนนิส และอุปกรณ์อื่นๆ คุณสมบัติน้ำหนักเบาของโลหะไทเทเนียมทำให้อุปกรณ์กีฬามีความยืดหยุ่นและสะดวกสบายมากขึ้น ช่วยเพิ่มระดับการแข่งขันของนักกีฬา

โลหะไทเทเนียมถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการบินและอวกาศ อุตสาหกรรมยานยนต์ อุปกรณ์ทางการแพทย์ อุตสาหกรรมเคมี อิเล็กทรอนิกส์และอุปกรณ์กีฬา และสาขาอื่นๆ ด้วยการพัฒนาอย่างต่อเนื่องและความก้าวหน้าของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีและการปรับปรุงเทคโนโลยี การประยุกต์ใช้โลหะไทเทเนียมจะยังคงขยายตัวต่อไป คุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมและความสามารถรอบด้านของโลหะไทเทเนียมทำให้โลหะไทเทเนียมเป็นส่วนที่ขาดไม่ได้ของวัสดุทางวิศวกรรมสมัยใหม่

 

〔คำพูด〕เบลล์, เทอเรนซ์ “คุณสมบัติและคุณสมบัติของไทเทเนียม” ThoughtCo, 4 เมษายน 2023, thoughtco.com/metal-profile-titanium-2340158