Kiinteän tilan NMR-spektroskopia ja sen käyttö alumiinin tutkimisessa

Abstract

Tämä tutkielma käsittelee kiinteän tilan NMR-mittauksia alumiinia sisältävistä titaanidioksidinäytteistä. Tutkielmassa esitellään myös kiinteän tilan NMR ja sen historiaa sekä alumiinioksidi ja sen tutkimus kiinteän tilan NMR:llä. Erikoistyössä tutkittiin alumiinin koordinoitumista ja sen paikkaa titaanidioksidissa kiinteän tilan NMR-mittauksilla ja liuotuskokeilla. Työssä tutkittiin myös miten lisätty alumiini jakautuu pinnalle ja kiteeseen ja miten eri pinnoitekemikaalit vaikuttavat alumiinin koordinoitumiseen.

NMR on molekyylien rakennetutkimuksen perusväline. Sillä voidaan tutkia nesteiden lisäksi myös kiinteitä ja kaasumaisia aineita. NMR:ää on käytetty paljon aluminan ja muiden alumiinia sisältävien metallioksidien tutkimisessa. Näissä materiaaleissa alumiini esiintyy tetraedrisenä, pentakoordinoituna ja oktaedrisenä 27Al resonansseina. Suuri osa löydetyistä alumiinia sisältävien titaanidioksidien 27Al NMR-mittauksia koskevista julkaisuista keskittyi tutkimaan lämpötilan vaikutusta NMR-signaaliin. Myös eri kemikaalien ja niiden lisäysjärjestyksen vaikutusta signaaliin oli tutkittu.

Alumiinia tutkittiin, koska se on tärkeä valmennuskemikaali titaanidioksidin valmistuksessa ja pinnoituksessa. Valmennusvaiheessa, eli ennen uunikäsittelyä, alumiinia lisätään stabiloimaan kidepohjaa, vaikuttamaan kiteen kasvuun ja parantamaan fotostabiilisuutta. Pinnoituksessa lisättävä alumiini parantaa mm. lopputuotteen fotostabiilisuutta, dispergoituvuutta ja prosessoituvuutta. Titaanidioksidipigmenttejä on olemassa useita eri tuotteita ja tässä työssä tutkittiin pigmentääristä rutiilia, jolla on korkea taitekerroin ja hyvä peittokyky myös ohuena kalvona.

Mittaukset tehtiin Turun yliopiston kemian laitoksen laitekeskuksessa Brukerin AV400 NMR-spektrometrilla. Työssä tutkittiin Sachtleben Pigments Oy:ssä sekä laboratoriossa että tuotannossa valmistettuja tuotteita. Kuhunkin NMR-spektriin sovitettiin useita Lorentzin käyrän muotoisia funktioita, jolloin komponenttien pinta-aloista saatiin eri paikassa ja tavalla koordinoitujen alumiinien osuudet. Spektrit mitattiin kahdella eri pulssitusnopeudella. Suurimmassa osassa mittauksia pulssitusnopeus oli 0,1 sekuntia, mutta muutamissa rinnakkaismittauksissa käytettiin myös 10 sekunnin pulssitusnopeutta, jotta hitaammin relaksoituva kidealumiini saataisiin selvemmin näkyviin. Kun ajettiin samasta näytteestä signaalit kahdella eri pulssitusnopeudella, nähtiin selkeästi, kuinka hitaammalla pulssituksella kidealumiinin signaali vahvistui ja sen osuus koko signaalista kasvoi. Hitaampi pulssitus vaati huomattavasti enemmän laiteaikaa ja siksi näitä rinnakkaismittauksia ei tehty kaikista näytteistä.