CARACTERIZAÇÃO DO PROCESSO DE ANODIZAÇÃO EM TITÂNIO
PARA APLICAÇÕES EM IMPLANTODONTIA
R. Ciuccio
1, V. Pastoukhov
21
UNITAU – Universidade de Taubaté,
2Prof. Dr. Eng. Mecânica, UNITAU.
Resumo: Neste trabalho é apresentado o estudo do processo de anodização em titânio para aplicações em
implantodontia, com o propósito de avaliar a durabilidade e resistência do filme formado na superfície do titânio. O titânio é hoje um dos materiais aloplásticos mais utilizados atualmente devido à osseointegração, sendo também de extrema leveza, alto grau de resistência à ruptura e à corrosão, baixa condutividade térmica. Um dos métodos que controla a formação e crescimento de filmes de óxido nas superfícies metálicas é o eletroquímico, conhecido como anodização. Este método tem a vantagem de apresentar flexibilidade e baixo custo. O objetivo principal deste trabalho é estudar o processo de formação de óxidos coloridos sobre o titânio aplicado a implantodontia através de processos de anodização. Com aplicação de diferentes voltagens e tempos é possível obter diferentes cores, atribuídas ao aumento de espessura do filme formado. Os resultados obtidos mostram que é possível obter cores diferentes do titânio anodizado empregando-se um adequado controle de tempo e do meio eletrolítico.
Palavras-chaves: Titânio, anodização, implantodontia, óxidos de titânio.
1. INTRODUÇÃO
Quando nos referimos à implantodontia, lembramos do titânio e suas ligas. Quase a totalidade de implantes metálicos odontológicos é produzida a partir de Titânio comercialmente puro. Determinadas características, por exemplo, biocompatibilidade, resistência à corrosão e resistência mecânica são necessárias para o sucesso em longo prazo do implante.
As ligas biocompatíveis têm sido intensamente estudadas em relação à caracterização dos óxidos superficiais formados por diferentes métodos [1,2,3], modificações de suas superfícies de modo a melhorar a biocompatibilidade [4,5], estudos de novas ligas biocompatíveis [6], entre outros.
Dominar a técnica de formação de um filme colorido de óxido sobre o titânio ou alguma de suas ligas biocompatíveis, controlando suas características físico-químicas, é de fundamental importância para a comercialização de implantes. Estes conhecimentos podem assegurar uma melhor qualidade aos implantes de titânio comercialmente puro (Ti-cp) ou de suas ligas quando submetidos à anodização.
O processo de Ionização, ou mais comumente conhecido como Anodização em Titânio, é um processo físico de remoção de elétrons atômicos por fornecimento de uma quantidade de energia suficiente para libertá-los da atração exercida pelo núcleo, através de uma solução aquosa. E que dependendo da intensidade da tensão e o tempo de exposição e essa corrente, produzira dentro de uma senoidal uma escala de cores.
Na anodização a superfície de um metal é transformada numa camada de óxido, através da passagem de corrente elétrica. Além de proteger o metal, a camada de óxido formada anodicamente se deixa tingir em muitas tonalidades diferentes.
A oxidação anódica é empregada não apenas para fins decorativos, mas também para finalidades técnicas. As características iniciais da superfície são conservadas através da ação protetora da camada de óxido. Além de proteger o metal, a camada de óxido formada anodicamente pode ser obtida em muitas tonalidades diferentes. Assim, um dos objetivos deste trabalho é estudar o processo de formação de óxidos coloridos sobre o titânio aplicado a implantodontia através de processos de anodização, buscando criar métodos padrões, bem como um estudo analítico das possibilidades de cores alcançadas por este processo. Além disso, tem como meta o estabelecimento de um processo de controle dos resultados, dentro de um ciclo repetido.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
A metodologia empregada nesta pesquisa (abordagem quantitativa) é de caráter exploratório, foi desenvolvida, a partir de referências bibliográficas e testes experimentais.
Dispositivos e Objetos Utilizados neste processo: a. Colméia com as peças;
b. Copo; c. Peneira; d. Placa Petri;
e. Kit para Ionização (Fonte retificadora (220 v), Pirex de vidro contendo solução de bicarbonato de sódio, arco de inox e pinça devidamente montada com a fonte, agitador magnético e barra magnética).
Descrição da Etapa de Ionização:
1. Selecionar a Tensão e o Tempo de acordo com a peça e o estipulado. Iniciar a ionização pegando a peça com a pinça. Ao mergulhar a mesma na solução apertar o pedal para disparar o Tempo. 2. Depois de ionizada colocar as peças em um copo com água, para evitar que o bicarbonato
impregne na peça.
3. Colocar as peças na peneira e lavar com água Pressurizada. 4. Colocar na placa Petri e secar em estufa 60°C;
As amostras metalograficas foram preparadas de forma usual, passando-se pelas etapas de corte, embutimento, lixamento e ataque com reagente apropriado. Foram analisados os corpos de prova; as microestruturas foram observadas em um microscópio ótico Leitz Laborlux 12ME S – Leica.
3. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Na figura 1, são observadas as amostras anodizadas com solução de bicarbonato. Com aplicação de diferentes voltagens e tempos é possível obter diferentes cores, atribuídas ao aumento de espessura do filme formado.
Na figura 2, são observadas as amostras anodizadas com solução de bicarbonato e ácido fluorídrico. Com aplicação de diferentes voltagens e tempos é possível obter diferentes cores, atribuídas ao aumento de espessura do filme formado.
Figura 2 – Amostras anodizadas com solução de bicarbonato e ácido fluorídrico.
O disco cromático não é um instrumento científico de classificação de cores, mas é muito útil no entendimento da teoria das cores e geralmente usado para estudar as cores-pigmento. Independentemente dos atributos físicos das tintas, é necessário conhecer as propriedades das cores de forma a podermos resolver e fazer a melhor à escolha e mistura das cores à hora de pintar, conforme figura 3.
Figura 3 – Circulo cromático utilizado para definição das cores.
A figura 4 mostra imagens obtidas da microestrutura dos corpos de prova, que não apresentaram variação significativa entre si. O tamanho de grão médio, classificado segundo a norma ASTM E112, é ASTM 6,5 (diâmetro médio de 37,8 µm).
Figura 4 – Imagens de microscopia óptica, mostrando a microestrutura dos corpos de prova, grãos de equiaxiais e maclas.
4. DISCUSSÃO
A coloração do óxido produzido através da anodização pode ser um indicativo de sua espessura [7]. Esta relação entre cor e espessura do óxido é fortemente ligada às condições de anodização e natureza do eletrólito. Qualquer mudança num parâmetro pode modificar a coloração da superfície do óxido. Diferentes cores são freqüentemente obtidas para mesmas espessuras, por exemplo, em eletrólitos distintos.
A coloração é predominantemente uniforme na superfície do óxido, mas pode ocorrer que alguns grãos mostrem coloração ligeiramente diferente (ainda que com tonalidade próxima) do que a esperada para um dado potencial [8].
A mudança na cor da película de óxido é resultante da mudança do potencial de anodização e é atribuível às diferentes espessuras da camada de óxido. Esta primeira observação confirma que o potencial de anodização tem um grande papel na mudança das propriedades do óxido e este aspecto físico da cor geralmente permanece após as medidas eletroquímicas realizadas [9].
O titânio é recoberto espontaneamente por um filme fino de TiO2 devido à sua alta afinidade com o oxigênio, sendo a anodização um processo eletroquímico utilizado para aumentar a espessura do filme de óxido. A formação da camada interna do filme de TiO2 em elevados potenciais anódicos ocorre pela migração de íons O2-/OH- em direção à interface metal/filme. Por outro lado, os íons Ti4+ originários do substrato de Ti migram para a interface filme/eletrólito formando a camada mais interna do filme anódico. Em geral, os óxidos cristalinos têm maior resistividade iônica, e por esta razão necessitam de campos elétricos mais altos do que óxidos amorfos. Então, a probabilidade de excitação de elétrons na banda de valência, originada pela sobreposição de orbitais O 2p no filme de TiO2 cristalino, conduz à oxidação de íons O2- para formar moléculas de O2 e posterior desenvolvimento de bolhas [10].
Devido à alta afinidade com o oxigênio, o Ti forma espontaneamente uma camada densa de diversos óxidos sobre sua superfície. Esta camada de óxido possui espessura entre 1,5 nm e 17 nm, se formada em temperatura ambiente (KASEMO & LAUSMAA, 1983). Os óxidos formados apresentam variadas modificações cristalinas e podem ser estequiométricos ou não, por exemplo, TiO, TiO2 e Ti3O5. Em atmosfera normal o óxido termodinamicamente estável é TiO2, que existe em três modificações alotrópicas: rutilo, broquita e anatásio (VELTEN et al., 2002). Este óxido natural também apresenta
propriedades semicondutoras com banda de energia dependente da estrutura entre 3,0 e 3,7 eV (SCHARNWEBER et al., 2002).
5. CONCLUSÃO
Dentro da metodologia empregada neste estudo e com base na análise dos dados é possível concluir que os novos parâmetros estabelecidos foram adotados como padrão para o processo produtivo de componentes, gerando assim uma tabela de tolerância a ser seguida pelo controle. Além disso, podemos concluir que o potencial, ou o tempo, de anodização é diretamente ligado as cores que obtemos.
Esta relação entre cor e espessura do óxido é fortemente ligada às condições de anodização e natureza do eletrólito. Qualquer mudança num parâmetro pode modificar a coloração da superfície do óxido. Diferentes cores são freqüentemente obtidas para mesmas espessuras, por exemplo, em eletrólitos distintos.
6. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao CCDM – Centro de Caracterizações e Desenvolvimento de Materiais pelos ensaios realizados, ao INEPO – Instituto Nacional de Experimentos e Pesquisas Odontológicos e a S.I.N. – Sistema de Implante por terem fornecido as amostras, as instalações e equipamentos necessários à realização deste trabalho.
7. REFERÊNCIAS
[1] Güleryüz, H.; Cimenoglu, H. (2004), “Effect of thermal oxidation on corrosion and corrosion–wear behaviour of a Ti–6Al–4V alloy” Biomater., 25, 3325-3333.
[2] Lavos-Valereto I. C., Wolynec S., Ramires I., Guastaldi A. C. & Costa I. (2004), “Electrochemical impedance spectroscopy characterization of passive film formed on implant Ti–6Al–7Nb alloy in Hank's solution” J. Mater. Sci.: Mater. Med., 15, 55-59.
[3] Morant, C.; Lopez, M. F.; Gutiérrez, A.; Jiménez, J. A. (2003), “AFM and SEM characterization of
non-toxic vanadium-free Ti alloys used as biomaterials”Appl. Surf. Sci., 220, 79-87.
[4] MacDonald, D. E.; Rapuano, B. E.; Deo, N.; Stranick, M.; Somasundaran, P.; Boskey, A. L. (2004), “Thermal and chemical modification of titanium–aluminum–vanadium implant materials: effects on surface properties, glycoprotein adsorption, and MG63 cell attachment” Biomater., 25, 3135-3146. [5] Götz, H. E.; Müller, M.; Emmel, A.; Holzwarth, U.; Erben, R. G.; Stangl, R. (2004), “Effect of surface finish on the osseointegration of laser-treated titanium alloy implants” Biomater., 25, 4057-4064. [6] Guillemot, F.; Prima, F.; Bareille, R.; Gordin, D.; Gloriant, T.; Porte-Durrieu, M. C.; Ansel, D.; Baquey, Ch. (2004), “Design of new titanium alloys for orthopedic applications” Med. biol. eng. comput., 42, 137-141.
[7] SUL, Y.T., 2003, “The significance of the surface properties of oxidized titanium to the bone response: special emphasis on potential biochemical bonding of oxidized titanium implant”, Biomaterials, v. 24, pp. 3893-3907.
[8] Hrapovic, S.; Luan, B. L.; D’Amours, M.; Vatankhah, G.; Jerkiewicz, G. (2001), “Morphology, chemical composition, and electrochemical characteristics of colored titanium passive layers” Langmuir, 17, 3051-3060. Kobayashi, E.; Matsumoto, S.; Doi, H.; Yoneyama, T.; Hamanaka, H. (1995), Mechanical properties of the binary titanium-zirconium alloys and their potential for biomedical aterials”
J. Biomed. Mater. Res., 29, 943-950.
[9] Fadl-Allah, S.A.; Mohsen , Q. (2010), “Characterization of native and anodic oxide films formed on commercial pure titanium by using electrochemical and morphology techniques”, Appl. Surf. Sci., doi:10.1016/j.apsusc.2010.03.058.
[10] HABAZAKI, H., UOZUMI, M., KONNO, H. et al., 2003, “Crystallization of anodic titania on titanium and its alloys”, Corrosion Science, v. 45, pp 2063-2073.
8. DETALHES DO AUTOR
R. Ciuccio é o coordenador de engenharia de processo da S.I.N. – Sistema de Implante Nacional, Professor da Faculdade Politécnica de Jundiaí e Mestrando em Engenharia Mecânica pela Universidade de Taubaté.
V. Paustokhouv é professor assistente doutor da Universidade de Taubaté, consultor e tradutor técnico. Atua na área de Engenharia Mecânica, com ênfase em análise de tensões pelo método de elementos finitos, fadiga e vida útil de componentes mecânicos, cinética de trincas e tolerância ao dano. Membro da ABCM - Associação Brasileira de Ciências Mecânicas desde 1995.
