雖然二氧化鈦（TiO2）具有很多非常理想的特性，但應(yīng)注意它并非是永遠(yuǎn)不受腐蝕的。

圖片來(lái)源：Christian Lagereek/Dreamstime.com。

    二氧化鈦材料的眾多優(yōu)良性能和相對(duì)較低的成本使得它在多種領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用，它同樣也是目前正被廣泛研究和測(cè)試的一種金屬氧化物——大量科研人員都在探尋可以與該化合物進(jìn)行結(jié)合的不同表面涂層工藝。

    二氧化鈦有時(shí)候也被稱之為鈦（IV）氧化物，這是一種天然存在的鈦氧化物，根據(jù)其環(huán)境暴露的性質(zhì)，通常具有幾種化學(xué)組成。

    鈦氧化物，特別是二氧化鈦，是鈦金屬在水性環(huán)境中氧化時(shí)所產(chǎn)生的。二氧化鈦現(xiàn)在主要被用作油漆和清漆中的活性成分——約占全球總消費(fèi)量的80％以上。此外，二氧化鈦在印刷油墨，纖維，彈性體，防曬劑，食用色素和化妝品等方面均有重要應(yīng)用。

    什么是二氧化鈦？

    在眾多被用于涂料方面的金屬氧化物中，二氧化鈦已經(jīng)引起了科學(xué)界的極大關(guān)注。該化合物具有粉末狀白色外觀，并且如前所述，由于其優(yōu)異的耐腐蝕性和表面鈍化性能，通常被用作油漆和涂料中的添加劑。

    盡管二氧化鈦是通過(guò)氧和鈦之間的氧化反應(yīng)形成的，但它也可以從天然存在的礦物中提取。鈦鐵礦（FeTiO3）是目前世界上最主要的二氧化鈦來(lái)源；金紅石則將會(huì)是下一個(gè)最為豐富的二氧化鈦來(lái)源，其礦石中含有98％以上的化合物；其他二氧化鈦來(lái)源還包括銳鈦礦，鈣鈦礦（CaTiO3）和鈦酸鹽（CaTiSiO5）等。

    真相1  二氧化鈦的耐腐蝕性超過(guò)其他金屬氧化物

    除了具有較高的硬度和優(yōu)異的耐磨性外，二氧化鈦還以其卓越的耐腐蝕性而聞名。二氧化鈦薄膜非常穩(wěn)定，并且僅受少量物質(zhì)（例如氫氟酸）的腐蝕影響。這使得涂有二氧化鈦的部件能夠有效抵抗鹽水和一些酸性環(huán)境中的腐蝕。

    二氧化鈦具有這種耐腐蝕性主要是由于這種材料內(nèi)部缺少相互連接的孔，這些孔通常提供具有到達(dá)金屬基底優(yōu)先路徑的腐蝕性介質(zhì)。即使是在涂料中僅僅添加少量的二氧化鈦，其最終的防腐蝕性能也可以大大改善。一些研究表明，向氧化鋁中加入少至3％的二氧化鈦可以顯著提高涂層的韌性和耐腐蝕性能。

    當(dāng)鈦金屬是由于暴露于環(huán)境而自然形成時(shí)，二氧化鈦是高度穩(wěn)定的，并且會(huì)緊密地粘附在金屬表面上以形成保護(hù)屏障，以防止進(jìn)一步的空氣和水分的侵入。值得注意的是，即使是在室溫下，清潔的鈦表面暴露在空氣中之后也會(huì)立即形成二氧化鈦膜。曝露時(shí)的初始膜厚度約為12-16埃（1埃= 1×10-10米），在暴露空氣后薄膜的厚度會(huì)持續(xù)穩(wěn)定增長(zhǎng)，直到在70天內(nèi)達(dá)到50埃的厚度，最終在四年后達(dá)到250埃。

    二氧化鈦膜的生長(zhǎng)可以在特殊的氧化條件下加速，例如：高溫，電解質(zhì)中的陽(yáng)極極化或當(dāng)暴露于特定的氧化劑（例如，HNO3，CrO3）中時(shí)。

    真相2  二氧化鈦薄膜并非不受任何腐蝕

    盡管二氧化鈦是一種高效的腐蝕防護(hù)屏障，但它很容易受到特定化合物的侵蝕。二氧化鈦薄膜的降解會(huì)使基材暴露于外部環(huán)境并引起額外的腐蝕，進(jìn)而導(dǎo)致重大的材料損失。

    例如人們已經(jīng)知道的，氟化物和過(guò)氧化氫會(huì)使二氧化鈦膜慢慢劣化。氫氟酸雖然被認(rèn)為是一種相對(duì)較弱的酸，但它由對(duì)鈦金屬具有侵蝕性的高反應(yīng)性分子組成。研究表明，高于30ppm的氫氟酸濃度會(huì)對(duì)這些保護(hù)性氧化膜產(chǎn)生破壞作用。

    二氧化鈦腐蝕保護(hù)的有效性也會(huì)受到無(wú)水環(huán)境，即幾乎沒(méi)有水分的環(huán)境的嚴(yán)重影響。由于二氧化鈦通是在水性環(huán)境中形成，缺水在一定程度上阻礙了薄膜自愈或提供電流保護(hù)的能力。

    真相3  二氧化鈦對(duì)人體體液具有高度抗性

    二氧化鈦結(jié)合了許多人們所期望的機(jī)械性能，還具有優(yōu)良的耐腐蝕性，耐化學(xué)性和整體的生物相容性，這些性能使其成為涂覆醫(yī)療器械和植入物的熱門選擇。其生物相容性主要?dú)w因于其惰性和強(qiáng)效鈍化特性。

    盡管二氧化鈦是很有效的保護(hù)層，但在某些情況下，它可能不足以在體液的作用下保持穩(wěn)定性以提供完全的腐蝕保護(hù)。二氧化鈦層的降解會(huì)導(dǎo)致金屬離子釋放到附近的組織中。這可能會(huì)對(duì)身體的防御機(jī)制和細(xì)胞活動(dòng)產(chǎn)生不利影響，最終可能引發(fā)炎癥反應(yīng)，甚至導(dǎo)致植入物產(chǎn)生排斥等更嚴(yán)重的情況。例如，已發(fā)現(xiàn)一些鈦合金元素具有細(xì)胞毒性（對(duì)細(xì)胞有毒），因此對(duì)人體組織會(huì)產(chǎn)生不利影響。

    但幸運(yùn)的是，氧化鈦表面可以通過(guò)多種方法進(jìn)行改性處理，以改善其耐腐蝕性，這使得二氧化鈦更加適用于需要生物相容性的一些醫(yī)學(xué)應(yīng)用中。表面改性技術(shù)是僅對(duì)材料的表面進(jìn)行處理的技術(shù)，如滲碳（或滲氮）、噴丸、激光處理、離子注入、表面涂層法、陽(yáng)極氧化、化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積等等。熱處理就是其中可用于二氧化鈦表面處理的一種非常簡(jiǎn)單而且有效的技術(shù)，該技術(shù)可以在表面形成薄而堅(jiān)固的銳鈦礦層。該薄層具有明確的形態(tài)和晶體結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)阻止?jié)撛谖ｋU(xiǎn)離子的釋放來(lái)有效增強(qiáng)薄膜的整體生物相容性。

    結(jié)論

    二氧化鈦薄膜和涂層提供的腐蝕保護(hù)優(yōu)于其他類似的金屬氧化物。這主要?dú)w因于其結(jié)構(gòu)缺乏相互連接的孔隙——這些孔隙會(huì)促進(jìn)腐蝕的形成。這種材料的生物相容性使其成為了可以安全用于需要與人體皮膚和組織接觸的醫(yī)療應(yīng)用中的少數(shù)氧化物之一。

    但是，雖然二氧化鈦具有許多所需的優(yōu)異特性，但應(yīng)該注意的是，它并不是不會(huì)受到腐蝕。一些特定的化學(xué)品和無(wú)水環(huán)境會(huì)破壞保護(hù)性的二氧化鈦氧化層，進(jìn)而使下面的基材收到侵蝕。

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責(zé)任編輯：王元

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