Titandioxid: Anwendungen und Herausforderungen

Was ist Titandioxid?

Titandioxid ist ein natürlich vorkommendes Metall, das in Mineralien wie Ilmenit und Rutil vorkommt. Die Produktion von Pigmenten auf Titandioxidbasis begann in den 1920er Jahren mit Ilmenit und Schwefelsäure. Zunächst wurden Anatasepigmente hergestellt, dann in den 1940er Jahren Rutilpigmente, bevor Ende der 1950er Jahre Rutilpigmente im Chloridverfahren aufkamen.

Titandioxid liegt heute in drei Formen vor: Anatase (zwischen 65 und 91 % TiO2), Rutil (zwischen 92 und 96 % TiO2) und Brookit (>96 % TiO2). Anatase ist in industriellen Produkten häufig, Rutil ist stabiler, und Brookit ist selten. Titandioxid kann auch in nichtkristalliner Form vorliegen. Es wird in zwei Größen hergestellt: in mikrometrischer Größenordnung (micro-TiO₂) von 250 bis 400 nm und in nanometrischer Größenordnung (nano-TiO₂) unter 250 nm.

Das Mikro-TiO₂ wird hauptsächlich verwendet, um Farben, Kosmetika und Kunststoffe weißer und opaker zu machen und macht 98 % der weltweiten Produktion aus. Nano-TiO₂ hingegen wird wegen seiner Transparenz und Reaktivität geschätzt, insbesondere in UV-Filtern und anderen Produkten. Obwohl Nano-TiO₂ viele interessante Anwendungen bietet, wirft seine geringe Größe Sicherheitsfragen auf, da es leichter mit biologischen Geweben und der Umwelt interagieren kann.

Wie wird Titandioxid hergestellt?

Die gängigste Methode in der Industrie zur Herstellung von Titandioxid ist das Sulfatverfahren. Bei diesem Verfahren behandelt man Ilmenit-Erz mit Schwefelsäure bei hohen Temperaturen, um Titansulfat zu erzeugen. Das Titansulfat wird gereinigt und zu Titandioxid umgesetzt. Das Verfahren wird wegen niedriger Kosten und verfügbarer Rohstoffe eingesetzt. Es erzeugt große Mengen Titandioxid für Anwendungen in Farben, Kosmetika und Lebensmitteln. Es fallen jedoch erhebliche Nebenprodukte an und die Umweltbilanz ist im Vergleich zu moderneren Verfahren ungünstiger.

Es gibt weitere Verfahren zur Herstellung von Titandioxid. Dazu zählen die Sol-Gel-Methode, die hydrothermale/solvothermale Methode, Ko-Präzipitation, das Mikroemulsionsverfahren, die Schmelzsalzsynthese und die Aerosolsynthese. Mit diesen Verfahren lassen sich Partikelgröße, Morphologie und Kristallphase kontrollieren. Diese Eigenschaften eignen die Partikel für spezifische Anwendungen wie photokatalytische Katalysatoren oder industrielle Pigmente. Die Verfahren kommen in großem Maßstab nicht zum Einsatz, da sie hohe Kosten, hohen Energieverbrauch oder technische Komplexität aufweisen. Die Aerosolsynthese erfordert Temperaturen von 1.000 bis 1.500 °C.

Die verschiedenen Anwendungen von Titandioxid.

Das Titandioxid ist eines der vielseitigsten und in der Industrie eingesetzten Nanomaterialien mit vielfältigen Anwendungen. In der Hautpflege dient es als UV-Filter und Weißpigment in Sonnenschutz- und Schminkprodukten zum Schutz und für Opazität. In Textilien erhöht es die UV-Beständigkeit und damit die Haltbarkeit sonnenexponierter Materialien. In Farben und Beschichtungen schützen seine UV-absorbierenden Eigenschaften und seine Weißheit Oberflächen vor photochemischer Zersetzung. In pharmazeutischen Formulierungen fungiert es als Opazitiersubstanz und Stabilisator. Schließlich ist es in verschiedenen Haushaltsprodukten, Baustoffen und Geweben für seine Schutz- und Stabilisierungsfunktionen enthalten.

Titandioxid : Welche Vorteile bietet es in der Hautpflege?

Das Titandioxid ist bekannt für seine Fähigkeit, die Haut vor Sonneneinstrahlung zu schützen. Es wirkt als physikalischer Sonnenschutzfilter , der UV-Strahlung in einem Wellenlängenbereich vonetwa 290 nm bis 390 nm, wobei sowohl UVA (320–400 nm) als auch UVB (290–320 nm) abgedeckt werden . Dies hilft, Sonnenbrände zu verhindern, den Alterungsprozess der Haut zu verlangsamen und das Risiko für Hautkrebs zu verringern. Gleichzeitig wirkt Titandioxid als Antioxidans , indem es freie Radikale durch einen Elektronentransfermechanismus neutralisiert und so Anzeichen der Hautalterung vorbeugt.

Es wird auch verwendet, um den Teint aufzuhellen und zu vereinheitlichen, da seine opazifizierenden und reflektierenden Eigenschaften helfen, sichtbares Licht zu streuen, der Haut ein natürliches Strahlen zu verleihen und Unregelmäßigkeiten vorübergehend zu kaschieren. Titandioxid wird außerdem als Farbstoff in getönten Produkten eingesetzt.

Wenn er mit anderen Inhaltsstoffen kombiniert wird, kann Titandioxid die entzündungshemmenden Eigenschaften, wodurch die Haut beruhigt und vor Reizungen durch äußere Faktoren wie Umweltverschmutzung und Stress geschützt wird. Wird er mit in Gelatine verkapselten Silberoxid-Nanopartikeln kombiniert, kann Titandioxid die Regeneration des Hautgewebes beschleunigen. Diese Kombination wirkt entzündungshemmend und antibakteriell und unterstützt eine schnellere Wundheilung.

In der Haarpflege findet Titandioxid als Bestandteil von Haarprodukten Verwendung, da es opake Eigenschaften besitzt und vor UV-Strahlung schützt. Keine wissenschaftliche Studie hat eine signifikante Wirkung von Titandioxid auf das Haarwachstum nachgewiesen. Diese Frage bleibt ungeklärt und erfordert weitere Forschung, um mögliche Effekte auf das Haarwachstum zu untersuchen.

Welche Auswirkungen hat Titandioxid auf die Gesundheit?

Das Titandioxid wird seit Jahrzehnten in seiner Mikro-TiO₂-Form verwendet, insbesondere in Kosmetik-, Lebensmittel- und Industriebranchen. Diese Form, deren Partikel zwischen 250 und 400 nm messen, wird im Allgemeinen als sicher für die menschliche Gesundheit unter normalen Verwendungsbedingungen angesehen. Mit dem Aufkommen der Nanotechnologien hat jedoch die Nano-TiO₂-Form, deren Partikel kleiner als 250 nm sind, aufgrund ihrer erhöhten Reaktivität und ihrer potenziellen Fähigkeit, mit biologischem Gewebe zu interagieren, Bedenken ausgelöst.

Die erst kürzlich entwickelte nano-TiO₂-Form wirft aufgrund ihrer geringen Größe und erhöhten Reaktivität Fragen auf. Nano-TiO₂ können leichter mit biologischen Geweben interagieren, was zu umfangreichen Untersuchungen ihrer potenziellen gesundheitlichen Auswirkungen geführt hat. Im Folgenden eine Zusammenfassung der mit den einzelnen Expositionswegen verbundenen Risiken.

Hautrisiko durch Titandioxid.
Die nano-TiO₂-Form wirft Bedenken auf, da sie potenziell in den Blutkreislauf gelangen kann. Obgleich einige Studien Spuren von nano-TiO₂ im Urin nachgewiesen haben, geht man davon aus, dass es die intakte Haut nicht durchdringt. Zudem verfügt die menschliche Haut über eine Barrierefunktion, die das Eindringen von nano-TiO₂ in die Dermis verhindert. Mehrere Untersuchungen zeigen, dass nano-TiO₂ selbst bei einer Partikelgröße unter 100 nm die Hautbarriere nicht überwindet. In den wenigen Fällen, in denen geringe Mengen nano-TiO₂ eindringen, wurde unter bestimmten Bedingungen keine relevante Toxizität festgestellt. Weitere Untersuchungen sind jedoch nötig, um langfristige Effekte, insbesondere auf geschädigter Haut, zu bewerten.
Orales Risiko von Titandioxid.
Der nanometergroße Titandioxid ist in Lebensmitteln verboten, unabhängig von seiner Form. Grund sind wachsende Bedenken zu gesundheitlichen Risiken. Nach oraler Aufnahme können Nano-TiO₂ in Leber, Milz, Nieren und Lungen akkumulieren. Dort können sie toxische Effekte auslösen, etwa nephrotoxische Schäden und Leberschäden. Auch wenn sie mit dem Stuhl ausgeschieden werden, könnte ihre Anreicherung im Gewebe Langzeiteffekte verursachen. Die Mechanismen sind noch unzureichend erforscht.
In kosmetischen Produkten, in denen Titandioxid eingesetzt wird, etwa in Sonnenschutzmitteln und getönten Formulierungen, liegen jedoch geringere Konzentrationen von Titandioxid, und ihre Anwendung erfolgt topisch, meist auf Hautpartien oder in der Nähe von Schleimhäuten. Der Unterschied in Konzentration und Applikationsart mindert das Risiko einer inneren Aufnahme erheblich. Zudem dient TiO₂ in kosmetischen Präparaten vorwiegend seinen Pigment- und UV-Schutz-Eigenschaften, nicht für Lebensmittelanwendungen.
Inhalationsrisiko von Titandioxid.
Die Inhalation von Nano-TiO₂ birgt in industriellen Umgebungen ein erhöhtes Risiko. Feine Partikel der anataseförmigen Phase stellen ein hohes Risiko dar, da sie Atemwegsprobleme verursachen können. Weshalb ist die Verwendung von Nano-TiO₂ in Sprühform verboten. Es ist entscheidend, in Arbeitsbereichen, in denen Titandioxid gehandhabt wird, angemessene Sicherheitsmaßnahmen zu ergreifen, um Risiken zu minimieren.

Titandioxid: Welche Auswirkungen hat es auf die Umwelt?

Aufgrund ihrer Reaktivität und Persistenz in aquatischen Systemen stellen Nano-TiO₂ ein Risiko für Ökosysteme dar. Im Boden verringern sie die mikrobielle Diversität und stören ökologische Prozesse. Pflanzenwurzeln können diese Nanopartikel aufnehmen, was ihre Ausbreitung in der Umwelt fördert. Dieser Vorgang kann die Photosynthese stören und das Pflanzenwachstum beeinträchtigen.

In aquatischen Lebensräumen reichern sie sich in Organismen an und stören die Nahrungskette, indem sie toxische Effekte auf Phytoplankton und bestimmte Fischarten auslösen. Reagieren sie mit Schwermetallen und toxischen Verbindungen, erhöht sich die Toxizität des natürlichen Milieus, was Tiere, Flora und Fauna bedroht und den Bedarf an Forschung zur Begrenzung der Kontamination betont.

Auch wenn Mikro-TiO₂ weniger reaktiv sind als ihre Nano-Pendants, wirft ihre Persistenz in der Umwelt ebenfalls Bedenken auf. Sie können sich potenziell in Böden und aquatischen Sedimenten anreichern und langfristig Organismen sowie ökologische Prozesse beeinträchtigen.

Diese Auswirkungen betonen die Notwendigkeit, die Forschung fortzusetzen, um die Umweltauswirkungen von Titandioxid, sowohl in Nano- als auch in Mikroform, zu verstehen und Strategien zu entwickeln, die seine Kontamination begrenzen.