Che cos'è la corrosione? Essa è solo un aspetto negativo? No, studiamone i vantaggi

Per definizione la corrosione è un fenomeno elettrochimico che provoca il graduale deterioramento di una sostanza solida, per lo più un metallo, per effetto di agenti esterni. I principali meccanismi di attivazione della corrosione sono i seguenti:

• corrosione elettrochimica: si verifica quando il materiale metallico è aggredito da sostanze chimiche in presenza di acqua o di vapore acqueo

• corrosione galvanica: contatto tra metalli diversi

• corrosione meccano-chimica: è provocata dall'insieme di cause di natura elettrochimica e di sforzi meccanici

La superficie dei metalli si ossida formando ossidi protettivi o meno.  Le proprietà della superficie di un oggetto definiscono tanti aspetti del suo comportamento, nel caso dei metalli si parla della durabilità di quest’ultimo che quando viene a contatto con l’atmosfera, con l’acqua o con qualsiasi altra cosa, può portare o meno a corrosione, a seconda che il metallo sia soggetto o meno a a questo processo in quel ambiente e a seconda del fatto che il metallo abbia un rivestimento protettivo. 

Alcuni usi specifici dell'ossidazione sono:

• Trattamenti di biocompatibilità

• Aumentano durezza superficiale (essendo di fatto dei ceramici)

• Materiali con colori diversi

• Variare le proprietà elettriche e magnetiche

L'OSSIDAZIONE ANODICA 

Prevede l’applicazione di una corrente, ossia creare una tensione di cella tra anodo e catodo in un elettrolita, questo provoca l’ossidazione dell’anodo attraverso una serie di processi: 

- trasporto di reagenti all’anodo e al catodo (diffusione, migrazione) 

- reazioni elettrochimiche (ox all’anodo rid al catodo) 

- trasporto dei prodotti via dagli elettrodi (diffusione migrazione) 

- trasporto di carica (ioni) nel film di crescita 

L'oggetto da ossidare viene posto in una cella elettrolitica e tramite essa è facile controllare l'ossidazione.  L'elettrodo se possibile deve circondare l'oggetto per avere uniformità. Si immerge inoltre un elettrolita. Sull'anodo si forma un deposito di ossido, cresce un film di ossido.  

DUE PRINCIPALI TEORIE DI DIFFUSIONE DEGLI IONI NEGLI OSSIDI

Qui poi avremo un trasporto di ioni  all'interno dell'ossido, che non è mai perfetto/ stechiometrico,  ma presenta difetti che fanno passare l'ossigeno o/e il metallo. 

• High-field: La forza motrice è il campo elettrico applicato, le cariche positive quindi tendono a muoversi  verso la superficie, verso l'anodo.  Ic=I0 e^BE

• Low-field:  legato alla diffusione chimica,  il gradiente di concentrazione porta gli ioni metallici a sciogliersi in acqua.

Il processo prevede una crescita sia interna che esterna, il parametro che determina di quanto cambia il volume del metallo una volta trasformato in ossido si chiama PILLING BEDWORTH RATIO, ossia è il rapporto tra il volume dell’ossido che si viene a generare e il volume di metallo di partenza, questo parametro varia dall’ 1.5 a 2 circa. 

Inoltre non tutti i metalli sono ossidabili per anodizzazione, infatti essi devono avere ossidi che trasportano ioni e poco conducibili elettricamente, i più comuni sono detti Metalli Valvola:

• Alluminio

• Titanio

• Magnesio

• ...

Se l'ossido  è  molto conduttivo potremmo avere dissipazioni, come  per esempio  l'acqua dell'elettrolita che viene trasformata in ossigeno.  Quindi più aumenta lo spessore più aumentano questi fenomeni di dissipazione.

La corrente può essere costante, oppure avere una rampa e cosi via, oppure  corrente continua o alternata. Tutti questi daranno risultati diversi. Posso inoltre variare l'elettrolita e usarne uno organico, o variare la tensione di cella (regola spessore insieme al tempo). 

ALLUMINIO

Quasi tutti i prodotti sono anodizzati e in genere il colore è già introdotto all'interno dell'ossido, che di per se è bianco. Questo permette di avere una buona resa del colore e molta durata. 

--> Soprattutto nel  caso  dell'alluminio si ha un fenomeno detto la passivazione di un materiale metallico che consiste nella formazione di un film di ossido particolarmente stabile e sottile (dello spessore di qualche micrometro). La formazione di tale film dipende dalle condizioni esterne e dalla composizione del materiale metallico. Un altro esempio di questo fenomeno riguarda i weathering steel o gli acciai tipo corten. Questo tipo di acciai, grazie alla presenza di una maggiore percentuale di rame rispetto agli acciai comuni, si contraddistingue per la capacità di auto-proteggere il materiale sottostante attraverso lo sviluppo di uno strato di passivazione superficiale dal tipico colore rossastro. Negli acciai comuni invece la pellicola di ossido di ferro (detta comunemente “ruggine“) è friabile, non è sufficientemente aderente e non adempie ad una funzione protettiva.

FASI DI PROCESSO PER L'ALLUMINIO

1. Sgrassaggio

2. Risciacquo

3. Decapaggio  x2 (togliere ossido nativo, decapaggio alcalino (NaOH) per l'alluminio visto che esso forma un ossido per passivazione). Ossia l’alluminio grazie alla passivazione è in grado di formare un ossido neutro spontaneamente, ma quest’ossido deve essere rimosso altrimenti rischia di influenzare l’ossido che voglio far crescere, se si lavora su alluminio puro basta un decapaggio in soda (ambiente alcalino), mentre se si ha che fare con delle leghe di alluminio allora si ha bisogno anche di un decapaggio acido per eliminare anche gli altri elementi di lega 

4. Anodizzazione:

5. Colorazione: prevede l’introduzione di pigmenti all’interno delle porosità dell’ossido che portano alla formazione di colori anche molto brillanti. Il problema è che va utilizzata una elettrodeposizione, devo costringere il colorante ad entrare all’interno delle porosità dell’ossido che può creare dei problemi a livello di processo. L’ossido può essere per natura leggermente colorato ma si tratta di colorazioni poco intense. 

6. Sigillatura: riduco la diffusione, chiudo i fori trasformando il Al203 + H20  --> 2AlOOH. Il colore durerà di più, ma sarà più brillante. Si immerge il componente in acqua bollente.

TITANIO

• Ossidazione anodica tradizionale: ossidi compatti e sottili, bassi spessori nm e bassi voltaggi.

• Anodic spark deposion ASD e plasma electrolytic oxidation PEO: ossido   compatto, ma si crea un foro ogni volta che scocca un plasma (localizzo carica).

• Anodizzazione in presenza di fluoruri: lungo periodo di mantenimento del voltaggio massimo raggiunto. L'ossido viene perforato dai cloruri presenti nell'elettrolita. 

Si  avrà un ossido cristallino o amorfo. Se fondo e risolidifico, l'ossido andrà ad assorbire atomi dell'elettrolita.  Per esempio ossidando un metallo (ceramico) con un elettrolita di Ca e P otterrò un ossido molto simile alle ossa, quindi biocompatibile.

In base allo spessore ottenuto avremo varie colorazioni, tranne il rosso il quale ha sempre un'interferenza distruttiva nella sua lunghezza d'onda. Si hanno più attraversamenti dell'ossido, se sono un multiplo esatto avremo un'interferenza  costruttiva. Questo ragionamento va fatto per ogni lunghezza d'onda. Si deve avere una preparazione della superficie ottimale in modo da non avere varie colorazioni. 

Un metodo particolare di colorazione è tramite un pennello elettrochimico, formato da un anima metallica che fa da catodo che viene intinto in una soluzione elettrochimica.

-->giallo, porpora, rosa, blu, bianco, giallo,...

OSSIDI A NANOTUBI DEL TI

Gli ossidi a nanotubi hanno un'area spropositata, molto più grande di quella nominale. Un'applicazione è nelle celle di Graetzel, nel fotovoltaico con celle a base di ossido di titanio come elemento foto attivo.  Se ho un'elevata area superficiale avrò un'elevata efficienza perché si dispone anche in verticale. A differenza delle nanoparticelle dove l'elettrone rimbalza tra esse, qui l'elettrone scorre lungo il nanotubo. Approfondimento

OSSIDO DEL TI COME PURIFICATORE

Le coppie elettrone lacuna possono essere usate per generare radicali che sono estremamente reattive che fanno malissimo a tutto quello di organico che trovano. Un'applicazione è nella purificazione delle acque di scarto del settore tessile. Oppure anche nei condizionatori per purificare l'aria. FOTOCATALISI

GRIFFAGGIO DEL  TI

Negli ingranaggi  migliora il coefficiente di attrito e permette alle componenti di scivolare meglio  e non generare scintille. Un esempio sono i bulloni dell'Aston Martin.

PROTESI con TI

Il colore dell'ossido viene usato per codificare le protesi che non richiedono alti spessori di ossido di calcio e fosforo, come le viti o protesi temporanei. Qui basta solo che non venga rigettato. L'ossido infatti è inerte e tramite il colore posso identificare subito le taglie o per questioni estetiche di protesi dentali (rosa) o sotto pelle (gialla). 

Inoltre le cellule crescono meglio su una superficie formata rugosa dell'ordine di centinaia di nanometri e l'ossido di titanio soddisfa questa condizione.

Per di più nei nanotubi dell'ossido posso conservare dei farmaci, con un rilascio graduale.