I. Mètodes de preparació de la pel·lícula d'òxid de TiO2
1. Mètode d'oxidació per escalfament de l'atmosfera
El titani s'oxida a l'atmosfera. A mesura que augmenta el temps d'escalfament, el gruix de la pel·lícula d'òxid augmenta gradualment, donant lloc a diferents tons que canvien de groc a cian i després a morat. L'avantatge d'aquest mètode és que pot pintar el titani de manera econòmica i en grans quantitats, obtenint una pel·lícula de coloració superficial amb bona adherència. Tanmateix, la variació de color és limitada i la gamma de colors no és rica. La uniformitat del color i la repetibilitat són pobres i el color és difícil de controlar amb precisió. A més d'escalfar i acolorir en una atmosfera que conté oxigen-, quan s'escalfa en una atmosfera de nitrogen, es forma una pel·lícula de TiN a la superfície de titani, que presenta un color groc daurat i té una gran resistència al desgast.
2. Mètode d'oxidació anòdica
S'aplica tensió entre l'ànode de titani i el càtode d'acer inoxidable o d'alumini en un electròlit, i l'oxidació anòdica es produeix mitjançant una reacció electroquímica, formant una pel·lícula d'òxid de color. Els electròlits per a l'oxidació anòdica inclouen solucions aquoses, solucions no-aquoses i sals foses. Normalment, s'utilitzen solucions aquoses d'àcid fosfòric, àcid bòric i les seves sals per formar pel·lícules gruixudes d'òxid; mentre que les sals foses i les solucions no-aquoses s'utilitzen per generar pel·lícules d'òxids més fines. El factor més significatiu que afecta el gruix de la pel·lícula d'òxid de TiO2 és la tensió aplicada, i el seu gruix és generalment proporcional a la tensió aplicada. Per tant, canviant la tensió, es pot controlar el gruix de la pel·lícula d'òxid i, per tant, es pot controlar el color de la pel·lícula d'òxid. Aquest mètode es pot utilitzar per preparar pel·lícules d'òxid de diferents composicions i propietats sobre metalls de vàlvula (Zr, W, Nb, Ta, Al, etc.). Les pel·lícules d'òxid tenen característiques com ara la densitat, l'estabilitat i una forta adhesió, i es poden utilitzar en recobriments resistents a la corrosió-, dielèctrics per a condensadors i òxids de porta per a transistors.
3. La PVD (Physical Vapor Deposition) és un procés en el qual es vaporitzen materials líquids o sòlids i després es dipositen sobre un substrat.
Les tècniques de PVD inclouen sputtering, revestiment d'ions, evaporació tèrmica, evaporació làser i implantació d'ions. El PVD es pot utilitzar per preparar pel·lícules o pel·lícules multicapa amb gruixos que van des d'uns pocs nanòmetres fins a uns pocs micròmetres. Es pot aconseguir un dopatge diferent mitjançant la introducció de diferents gasos. El material del substrat pot afectar la cristal·lització de les pel·lícules de TiO2. Alguns investigadors han preparat pel·lícules estructurades anatasa i rutil sobre substrats de vidre i acer inoxidable respectivament mitjançant PVD.
4. La CVD (Chemical Vapor Deposition) és un procés en què el material del substrat reacciona químicament amb el gas per dipositar una pel·lícula sobre el substrat.
En comparació amb PVD, CVD pot dipositar pel·lícules sobre substrats amb formes complexes, cosa que és un avantatge que PVD no pot igualar. Combinant plasma, ions, làsers i altres mitjans, es pot reduir la temperatura de deposició de CVD o augmentar la velocitat de deposició. Hi ha hagut molts estudis sobre la tecnologia de preparació CVD de pel·lícules de TiO2, que han demostrat que el material del substrat i la temperatura de deposició tenen una influència important en l'estructura de la pel·lícula. Per exemple, a mesura que augmenta la temperatura de deposició, augmenta la mida del gra de les pel·lícules de TiO2.
5. El mètode hidrotermal implica reaccions en un autoclau d'alta pressió-a temperatura controlada (uns 200 graus) i pressió (<10MPa) in an aqueous solution.
Alguns investigadors han utilitzat aquest mètode per preparar materials catalítics de TiO2 amb diferents estructures i morfologies de fase (nanorods, nanopartícules), incloses estructures de tres fases (rutil + brookita + anatasa), estructures de dues fases (rutil + anatasa) i estructures de fase monofàsica (rutil), que presenten diferents activitats catalíticas del mètode:{8}G{7}} El mètode Sol-Gel utilitza compostos amb alta activitat química com a precursors, barreja uniformement les matèries primeres en la fase líquida i se sotmet a reaccions d'hidròlisi i condensació per formar finalment TiO2 amb moleculars o fins i tot nanoestructures. Aquest mètode és econòmic i senzill i pot obtenir -TiO2 d'alta puresa a prop de la temperatura ambient. En canviar el mètode de preparació i la temperatura de calcinació, l'estructura cristal·lina del TiO2 es pot ajustar per obtenir TiO2 amb diferents estructures com el rutil i l'anatasa. Aquest mètode s'utilitza sovint en la preparació de materials fotocatalítics de TiO2 o recobriments de TiO2 amb activitat biològica.
II. Factors que influeixen en la pel·lícula de color TiO2 anoditzada
1. Electròlit
L'electròlit per anoditzar es pot classificar en electròlit àcid, electròlit alcalí i solució salina, etc. A causa de la ràpida dissolució de la pel·lícula d'òxid en solució alcalina, hi ha relativament pocs estudis al respecte. Alguns estudiosos han investigat la influència del tipus d'electròlit en la pel·lícula d'òxid de titani i han trobat que, en comparació amb l'electròlit alcalí, la tensió de formació de la pel·lícula d'òxid en l'electròlit àcid és més alta. Amb la disminució de la concentració i la temperatura d'electròlits, augmenten la tensió de formació i la velocitat de creixement de la pel·lícula d'òxid. Amb la disminució de la densitat de corrent i la relació entre l'ànode i l'àrea del càtode, la tensió de formació de la pel·lícula d'òxid disminueix. Alguns estudiosos han anoditzat en electròlit alcalí i han trobat que com més gran és la concentració de l'electròlit, més gran és l'índex de refracció de la pel·lícula d'òxid de TiO2 i afavoreix la transformació de la pel·lícula d'òxid d'amorf a cristal·lí.
2. Tensió d'oxidació
Els modes d'anodització comuns inclouen el mode de corrent constant i el mode de tensió constant, i d'acord amb la forma d'ona de tensió, es poden dividir encara més en modes DC, AC i pols, etc. Alguns estudiosos han estudiat la influència del mode d'escaneig lineal potencial i el mode de pas potencial en electròlit àcid i baixa tensió a la pel·lícula anoditzada de titani pur i van trobar que en la pel·lícula anoditzada de titani pur, l'estructura d'escaneig potencial lent forma una pel·lícula d'escaneig lent. produeix nanocristalls. En el mode d'escaneig per passos, augmentar la tensió d'oxidació pot augmentar la proporció de Ti4+ a la pel·lícula d'òxid. L'anodització a baixa tensió pot obtenir pel·lícules d'òxid de colors. Mentre que l'anodització a alta tensió genera espurnes elèctriques, formant un camp elèctric local enorme, acompanyat per tant del procés de cristal·lització o transformació de fase de l'òxid, i la pel·lícula d'òxid obtinguda sovint té una millor resistència al desgast.
3. Temps d'oxidació
Amb l'augment del temps, la tendència de creixement del gruix de la pel·lícula d'òxid és generalment ràpida al principi i després lenta. Durant el procés d'anodització, el creixement i la dissolució de la pel·lícula d'òxid es produeixen simultàniament. Quan la velocitat de creixement de la pel·lícula d'òxid és superior a la velocitat de dissolució, el gruix de la pel·lícula d'òxid augmenta; quan la velocitat de creixement de la pel·lícula d'òxid és inferior a la velocitat de dissolució, el seu gruix disminueix. Alguns estudiosos han trobat que en el mateix electròlit, el gruix de la pel·lícula d'òxid de titani pur augmenta amb el temps a voltatges més alts, mentre que disminueix amb el temps a voltatges més baixos. Alguns estudiosos han estudiat el procés d'anodització a llarg termini del titani pur a baixa tensió i han trobat que en l'etapa de formació de la pel·lícula d'òxid, el gruix i la cristal·linitat de la pel·lícula augmenten amb el temps d'oxidació, mentre que en l'etapa d'incubació de la pel·lícula d'òxid, la dissolució de la pel·lícula s'accelera i la cristal·lització de la pel·lícula d'òxid s'alenteix. Tot i que s'ha informat que el temps d'oxidació afecta el procés de cristal·lització i la cristalinitat, generalment es creu que l'estructura cristal·lina de la pel·lícula d'òxid només depèn de la tensió aplicada.
4. Altres factors
Abans d'anoditzar el titani pur, generalment s'utilitza un poliment mecànic, químic o electroquímic de superfícies per eliminar els contaminants de la superfície. Després del poliment mecànic, normalment es realitza un rentat àcid per eliminar la pel·lícula de passivació superficial. S'ha informat que el procés d'anodització del titani pur polit electroquímicament experimenta localment una reacció d'evolució d'oxigen, donant lloc a una pel·lícula d'òxid més gruixuda en aquesta zona, mentre que la pel·lícula d'òxid formada a la superfície rugosa no tractada és més uniforme. En comparació amb la pel·lícula d'òxid sense tractament de poliment, la pel·lícula d'òxid obtinguda després de polir i anoditzar té una millor resistència a la corrosió. L'augment de la temperatura de l'electròlit pot augmentar l'eficiència d'oxidació de la pel·lícula d'òxid. Alguns estudiosos han descobert que, a la mateixa tensió, la pel·lícula d'òxid de titani pur és més gruixuda i té una cristalinitat més alta a alta temperatura de l'electròlit.