CARACTERIZAÇÃO DO PROCESSO DE ANODIZAÇÃO EM TITÂNIO

PARA APLICAÇÕES EM IMPLANTODONTIA

R. Ciuccio1, V. Pastoukhov2

1 UNITAU – Universidade de Taubaté, 2 Prof. 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.

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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.

Figura 1 – Amostras anodizadas com solução de bicarbonato.

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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).

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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

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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.

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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.

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