Het kernprincipe van het anodiseren van de verkleuring van titaniumbuizen is een gecontroleerd elektrochemisch proces in plaats van de toevoeging van kleurstoffen. We kunnen het zien als het ‘groeien’ van een transparante en harde oxidefilm – titaniumdioxide – op het oppervlak van titanium. Dit proces vindt plaats in een elektrolyt, waarbij een titaniumbuis als anode (positieve elektrode) en een gelijkstroom- of gepulseerde spanning fungeert.
Wanneer er een elektrische stroom doorheen gaat, verliezen de titaniumatomen op het oppervlak van de titaniumbuis elektronen en combineren ze met de zuurstofionen in de elektrolyt, waardoor een zeer dunne en dichte film van titaniumdioxide ontstaat. De film zelf is kleurloos en transparant, dus waar komt de rijke kleur die we zien vandaan? Dit komt voornamelijk door het "dunnefilminterferentie-effect". Het is als een oliefilm op het water na regen, of een zeepbel die uitblaast en een kleurrijke kleur krijgt. Wanneer natuurlijk licht deze extreem dunne oxidefilm raakt, wordt een deel van het licht direct op het oppervlak van de film gereflecteerd, terwijl het andere deel de film binnendringt en weer reflecteert op de kruising van de film met de titaniummatrix. Wanneer deze twee bundels gereflecteerd licht elkaar ontmoeten, treedt er lichtinterferentie op. Als twee lichttoppen de toppen raken (in dezelfde fase), wordt het licht van die golflengte versterkt en kunnen we de kleur zien; Omgekeerd, als de top het dal raakt (tegengestelde fase), wordt het licht verzwakt of zelfs tenietgedaan, en kunnen we de kleur niet zien. Omdat de dikte van de titaniumdioxidefilm in dezelfde orde van grootte ligt als de golflengte van zichtbaar licht (ongeveer 400-700 nm), is dit interferentie-effect aanzienlijk. Door de dikte van de oxidefilm nauwkeurig te regelen, is het mogelijk om te bepalen welke golflengten van licht worden versterkt en welke worden verzwakt, wat resulteert in specifieke kleuren. Spanning is de meest kritische factor bij het beheersen van de filmdikte: hoe hoger de spanning, hoe sterker de drijvende kracht van het elektrische veld, hoe dikker de gevormde oxidefilm en de kleur van de interferentie zal veranderen van blauw, goudgeel en paars naar donkerdere tinten (zoals donkerblauw en groen).
Stabiliteitsanalyse van kleuren
De stabiliteit van de kleur van titaniumbuizen na het anodiseren is van cruciaal belang en wordt beïnvloed door een combinatie van interne en externe factoren.
Vanuit het perspectief van interne factoren heeft deze titaniumdioxidefilm zelf een extreem hoge chemische inertheid en mechanische sterkte. Het hecht zich zeer stevig aan de titaniummatrix en maakt deel uit van de titaniumbuis zelf, en is geen hechtmiddel, waardoor het minder gevoelig is voor problemen met loslaten, zoals verf of galvanisering. Deze film kan ook de corrosieweerstand van titaniumbuizen aanzienlijk verbeteren, wat een van de redenen is voor de brede toepassing ervan in chemische en maritieme omgevingen. Daarom is de door anodiseren geproduceerde kleur in de conventionele omgeving van kamertemperatuur, geen slijtage en niet-sterke zuren en alkaliën tamelijk stabiel en kan deze vele jaren behouden blijven zonder noemenswaardige vervaging.
De stabiliteit ervan kent echter ook bepaalde beperkingen. Ten eerste is de kleur minder thermisch stabiel. Als de titaniumbuis continu boven de 300 graden Celsius wordt verwarmd, zal de structuur van de oxidefilm een kristalvormtransformatie beginnen te ondergaan, wat resulteert in kleine veranderingen in de filmdikte en brekingsindex, wat resulteert in kleurafwijking of verdonkering. Bij hogere temperaturen kan de filmlaag zelfs volledig bezwijken. Ten tweede is er mechanische slijtage. Hoewel de oxidefilm erg hard is, zal de dikte van de filmlaag plaatselijk verminderen als deze blijft wrijven en krassen met hardere materialen, wat resulteert in een lichtere kleur en zelfs de ware kleur van titanium onthult. Tenslotte een chemische aanval. Ondanks de corrosiebestendigheid kan de oxidefilm nog steeds worden gecorrodeerd en opgelost in een heet, sterk zuur (bijvoorbeeld fluorwaterstofzuur, geconcentreerd zwavelzuur) of een sterke alkalische omgeving, waardoor de kleur op natuurlijke wijze zal verdwijnen.
Belangrijkste factoren die de kleurverandering beïnvloeden
1. Spanning: dit is de belangrijkste en meest directe controlefactor. De spanning is in principe lineair evenredig met de dikte van de oxidefilm, en de filmdikte bepaalt rechtstreeks de kleur. Daarom wordt bij industriële productie het kleurnummer van het eindproduct nauwkeurig gecontroleerd door het opstellen van een "spannings-kleur"-toewijzingstabel. Lage spanningen (zoals 10-15V) kunnen bijvoorbeeld licht goud of blauw produceren, middenspanningen (20-50V) kunnen paars, donkerblauw of groen produceren, en hoge spanningen (boven 60V) kunnen donkergroene, bruine of zelfs grijze series produceren.
2. Elektrolytsamenstelling: Het type, de concentratie en de pH van de elektrolyt zijn cruciaal. De meest gebruikte oplossing is een verdunde zwavelzuuroplossing, die een goede elektrische geleidbaarheid en een gematigde oxidatiesnelheid biedt. Verschillende zuren (zoals fosforzuur, chroomzuur) of alkalische oplossingen en zelfs organische zuren zullen echter de groeisnelheid, porositeit en microstructuur van de filmlaag beïnvloeden vanwege het katalytische of remmende effect van hun anionen op het oxidatieproces. Zelfs bij dezelfde spanning kunnen de optische eigenschappen van de lagen geproduceerd in verschillende elektrolyten enigszins variëren, wat resulteert in kleine verschillen in de uiteindelijke kleur.
3. Huidige modus: De traditionele methode met constante spanning is eenvoudig te bedienen, maar geavanceerdere methoden met constante stroom of gepulseerde voedingen kunnen een betere controle bieden. Gepulseerde oxidatie voert de tijdens de reactie gegenereerde warmte effectief af en geeft de reactieve ionen de tijd om te diffunderen, wat resulteert in een dichtere, uniformere filmlaag, wat vooral belangrijk is voor het verkrijgen van een product met een groot oppervlak en een uniforme kleur.
4. Oxidatietijd: De tijd heeft vooral invloed op de integriteit van de filmgroei. In de beginfase is er voldoende tijd nodig om de filmlaag te laten groeien tot een stabiele dikte van de overeenkomstige spanning. Als de tijd echter te lang is, kan de film bij sommige elektrolyten oplossen of ruw worden, wat de uniformiteit en helderheid van de kleur zal beïnvloeden.
5. Titaniumbuis zelf: De oppervlakteafwerking van de titaniumbuis vormt de basis. Een hooggepolijst spiegeloppervlak en een gezandstraalde, matte afwerking zullen een heel ander visueel effect opleveren na dezelfde anodisatie. Het oppervlak van het spiegeloppervlak is helder en helder, zoals metallic verf; Het matte oppervlak is zacht en elegant, meer een inherente kleur. Bovendien hebben de legeringssamenstelling en microstructuur van titanium ook een subtiele invloed op de uniforme groei van de oxidefilm.
Samenvattend is het anodiseren van titaniumbuizen een hoogtechnologische- oppervlaktebehandelingstechnologie die de dikte van de oxidefilm op het oppervlak nauwkeurig "graveert" door middel van elektrochemische methoden en waarbij gebruik wordt gemaakt van het principe van lichtinterferentie om kleur weer te geven. De kleur is briljant en stevig verbonden met de matrix, wat zorgt voor een uitstekende dagelijkse stabiliteit. Het bereiken van de gewenste uniforme en langdurige- kleurresultaten vereist echter systematische en nauwkeurige controle van een reeks factoren, zoals spanning, elektrolyt, tijd en toestand van het materiaaloppervlak.
