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

圖片來源：Christian Lagereek/Dreamstime.com。

    二氧化鈦材料的眾多優良性能和相對較低的成本使得它在多種領域中被廣泛應用，它同樣也是目前正被廣泛研究和測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行結合的不同表面涂層工藝。

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

    鈦氧化物，特別是二氧化鈦，是鈦金屬在水性環境中氧化時所產生的。二氧化鈦現在主要被用作油漆和清漆中的活性成分——約占全球總消費量的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，二氧化鈦已經引起了科學界的極大關注。該化合物具有粉末狀白色外觀，并且如前所述，由于其優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氧和鈦之間的氧化反應形成的，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源；金紅石則將會是下一個最為豐富的二氧化鈦來源，其礦石中含有98％以上的化合物；其他二氧化鈦來源還包括銳鈦礦，鈣鈦礦（CaTiO3）和鈦酸鹽（CaTiSiO5）等。

    真相1  二氧化鈦的耐腐蝕性超過其他金屬氧化物

    除了具有較高的硬度和優異的耐磨性外，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定，并且僅受少量物質（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部缺少相互連接的孔，這些孔通常提供具有到達金屬基底優先路徑的腐蝕性介質。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。

    當鈦金屬是由于暴露于環境而自然形成時，二氧化鈦是高度穩定的，并且會緊密地粘附在金屬表面上以形成保護屏障，以防止進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立即形成二氧化鈦膜。曝露時的初始膜厚度約為12-16埃（1埃= 1×10-10米），在暴露空氣后薄膜的厚度會持續穩定增長，直到在70天內達到50埃的厚度，最終在四年后達到250埃。

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

    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使基材暴露于外部環境并引起額外的腐蝕，進而導致重大的材料損失。

    例如人們已經知道的，氟化物和過氧化氫會使二氧化鈦膜慢慢劣化。氫氟酸雖然被認為是一種相對較弱的酸，但它由對鈦金屬具有侵蝕性的高反應性分子組成。研究表明，高于30ppm的氫氟酸濃度會對這些保護性氧化膜產生破壞作用。

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

    真相3  二氧化鈦對人體體液具有高度抗性

    二氧化鈦結合了許多人們所期望的機械性能，還具有優良的耐腐蝕性，耐化學性和整體的生物相容性，這些性能使其成為涂覆醫療器械和植入物的熱門選擇。其生物相容性主要歸因于其惰性和強效鈍化特性。

    盡管二氧化鈦是很有效的保護層，但在某些情況下，它可能不足以在體液的作用下保持穩定性以提供完全的腐蝕保護。二氧化鈦層的降解會導致金屬離子釋放到附近的組織中。這可能會對身體的防御機制和細胞活動產生不利影響，最終可能引發炎癥反應，甚至導致植入物產生排斥等更嚴重的情況。例如，已發現一些鈦合金元素具有細胞毒性（對細胞有毒），因此對人體組織會產生不利影響。

    但幸運的是，氧化鈦表面可以通過多種方法進行改性處理，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學應用中。表面改性技術是僅對材料的表面進行處理的技術，如滲碳（或滲氮）、噴丸、激光處理、離子注入、表面涂層法、陽極氧化、化學氣相沉積、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單而且有效的技術，該技術可以在表面形成薄而堅固的銳鈦礦層。該薄層具有明確的形態和晶體結構，可以通過阻止潛在危險離子的釋放來有效增強薄膜的整體生物相容性。

    結論

    二氧化鈦薄膜和涂層提供的腐蝕保護優于其他類似的金屬氧化物。這主要歸因于其結構缺乏相互連接的孔隙——這些孔隙會促進腐蝕的形成。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療應用中的少數氧化物之一。

    但是，雖然二氧化鈦具有許多所需的優異特性，但應該注意的是，它并不是不會受到腐蝕。一些特定的化學品和無水環境會破壞保護性的二氧化鈦氧化層，進而使下面的基材收到侵蝕。

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責任編輯：王元

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