PLAZMOWE UTLENIANIE ELEKTROLITYCZNE

CEL NAUKOWY PROJEKTU

Opracowanie modeli nowych porowatych powłok powstałych na tytanie z wykorzystaniem Plazmowego Utleniania Elektrochemicznego w elektrolitach zawierających kwas fosforowy oraz azotany wapnia, magnezu, miedzi i cynku

Głównym zagadnieniem badawczym projektu jest określenie mechanizmów tworzenia się porowatych powłok na tytanie w procesie Plazmowego Utleniania Elektrochemicznego (PEO) przy stałych i zmiennych wymuszeniach napięciowych w elektrolitach na bazie stężonego kwasu ortofosforowego z dodatkami azotanów wapnia, magnezu, miedzi i cynku. Będą również zaproponowane dla tych powłok nowe modele fizyczne uwzględniające poza rozkładami głębokościowymi tytanu, tlenu, fosforu, magnezu oraz miedzi również rozkłady dla wodoru i azotu, co jeszcze nie było opisywane przez innych badaczy. Planowane jest również opracowanie zależności matematycznych opisujących skład chemiczny powłok otrzymanych po PEO w zaproponowanych powyżej elektrolitach w zależności od składu elektrolitu (ilości azotanów wapnia, magnezu, miedzi i cynku w kwasie fosforowym) dla wybranych napięć stałych i zmiennych oraz dwóch czasów obróbki. Wyznaczone zależności matematycznych pozwoli między innymi na rozwiązanie zadania odwrotnego polegającego na znalezieniu żądanego składu elektrolitu oraz wartości napięcia dla obróbki PEO przy założonym, żądanym składzie chemicznym powłoki PEO.

DOTYCHCZASOWY STAN WIEDZY

Plazmowe Utlenianie Elektrolityczne (PEO) jest obecnie używane do wytwarzania porowatych powłok na metalach lekkich, do których miedzy innymi należy tytan. Powłoki otrzymywaną tą metodą na metalicznych biomateriałach mają grubość od kilku do kilkudziesięciu mikrometrów i są uznawane za biokompatybilne. Jednakże stopień biokompatybilnosci zależy między innymi od ich składu fazowego jak i chemicznego, który w proponowanym projekcie ma być kontrolowany na podstawie wyznaczonych zależności matematycznych, których nie ma opisanych w dostępnej literaturze. Przykładami pierwiastków pożądanych w biomateriałach, są miedzy innymi fosfor i wapń tworzące hydroksyapatyt, bakteriobójcze miedź i cynk, które wpływają na szybkość gojenia się ran, czy też magnez, który poprawia właściwości osteointegracji powierzchni, zwiększając również jej biokompatybilność. Należy zaznaczyć, że nie znaleziono dostępnego opracowania naukowego, w którym użyto by elektrolitu proponowanego w prezentowanym projekcie lub też opracowano by zalewności matematyczne pozwalające na przewidywanie składu elektrolitu i wartości napięcia użytego do procesu PEO na podstawie informacji o składzie chemicznym projektowanej powłoki. Dodatkowo istotnym jest fakt, że możliwość świadomego modyfikowania porowatej warstwy poprzez wzbogacanie jej w wybrane pierwiastki chemiczne na podstawie zależności matematycznych nie jest jeszcze dogłębnie zbadane i opisane, oprócz rozpoznawczych badań autorskich, zwłaszcza w przypadku elektrolitów na bazie stężonego kwasu fosforowego z azotanami wapnia, magnezu, miedzi i cynk.

UZASADNIENIE NOWATORSKIEGO CHARAKTERU BADAŃ

W dotychczasowo opublikowanej literaturze nie ma informacji o stosowaniu elektrolitów na bazie stężonego kwasu fosforowego z dodatkami azotanów wapnia, magnezu, miedzi i cynku. Badania rozpoznawcze wskazują jednoznacznie, że użycie takich elektrolitów gwarantuje powstanie porowatych powłok złożonych głównie z fosforanów tytanu wzbogaconych w wybrane pierwiastki. Istotnym jest również fakt, że wzbogacenie powłok o strukturze podobnej do hydroksyapatytu w wapń i magnez czyni je bardziej biokompatybilne, natomiast dodatek cynku i miedzi, które są bakteriobójcze, gwarantują szybsze gojenie się ran. Z tego względu zrozumienie mechanizmów tworzenia się tych powłok oraz ich opisanie zależnościami matematycznymi pozwoli stworzyć wiedzę, która w dalszych etapach będzie mogła być wykorzystywana w wielu dziedzinach. Rozwiązanie tych równań pozwoli między innymi na rozwiązaniu zadania odwrotnego mającego na celu znalezienie składu elektrolitu oraz wartości napięcia mającego być zastosowanym do procesu PEO, na podstawie założonego i żądanego składu chemicznego powłoki PEO na tytanie, która ma być dopiero otrzymana.

OSIĄGNIĘCIA

• Opracowanie technologii wytwarzania nowych powłok metodą plazmowego utleniania elektrolitycznego (PEO) w elektrolitach na bazie stężonego kwasu ortofosforowego z wybranymi azotanami(V) na tytanie.
• Określenie zakresu napięć procesu DC-PEO oraz AC-PEO, dla których jest możliwe otrzymanie porowatych powłok na podłożu tytanowym.
• Zaproponowanie modeli matematycznych opisujących zależności pomiędzy parametrami procesu a stereometrią powierzchni oraz składu chemicznym powłok wytworzonych w procesach DC-PEO oraz AC-PEO.
• Opracowanie modeli fizycznych uwzględniających gradient cech porowatych powłok tworzonych na tytanie i jego stopach w elektrolitach na bazie stężonego kwasu ortofosforowego uwzględniających głębokościowy rozkład występowania wodoru.
• Określenie parametrów przydatnych do oceny i klasyfikacji struktur stereometrycznych powierzchni porowatych.
• Wykazanie, że zwiększanie napięcia w procesie DC-PEO powoduje wzrost rozwinięcia powierzchni powłok, zwiększenie ich grubości oraz ilości wbudowanych jonów metali pochodzących z elektrolitu, jak i udziału fazy krystalicznej w powłokach oraz gęstości prądu pasywacji.
• Wykazanie, że zwiększenie napięcia katodowego przy stałym napięciu anodowym w procesie AC-PEO skutkuje zmniejszeniem rozwinięcia powierzchni powłok, ich grubości oraz ilości wbudowanych jonów metali pochodzących z elektrolitu, przy wzroście udziału fazy krystalicznej w powłokach oraz gęstości prądu pasywacji.
• Zaproponowanie teorii wyjaśniającej tworzenie porowatych powłok na tytanie w roztworach stężonego kwasu ortofosforowego z wybranymi azotanami(V).
• Zaproponowanie metody regeneracji i oczyszczania zużytego elektrolitu; przeanalizowano również możliwość jego utylizacji jako dodatku do nawozów sztucznych.

Dodatkowo:
• wyznaczenie wartości granicznych ilości soli w elektrolicie w badanych procesach, dla których można wytworzyć porowate powłoki w procesach PEO na podłożu tytanowym.
• określenie wpływu ilości soli w elektrolicie w procesie DC-PEO na możliwość wbudowania pierwiastków z roztworu do wytwarzanej porowatej powłoki PEO na podłożu tytanowym.
• określenie wpływu kształtu i częstotliwości napięć procesu AC-PEO oraz IMPULS-PEO na skład chemiczny porowatych powłok wytworzonych na podłożu tytanowym oraz ich rozwinięcia stereometrii powierzchni.
• wykazanie dla wybranych powłok zawierających miedź i cynk ich właściwości antybakteryjne i przeciwgrzybiczne;
• wykazanie możliwości sterowania procesami na podstawie analizy FFT sygnałów prądowych
• wykazanie możliwości klasyfikacji powierzchni porowatych powłok wytworzonych w procesach DC-PEO oraz AC-PEO z wykorzystaniem skaterometrii laserowej.