Titannitrid

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Wasserflasche

Wasserflasche © rdnzl / fotolia.com

Titannitrid (TiN) ist ein extrem harter Werkstoff, in seiner Nanoform werden mit ihm Werkzeuge und Implantate beschichtet. Das Material wird auch Kunststoffen zugesetzt, insbesondere PET-Flaschen.Titannitrid verbessert die Eigenschaften des PET und beschleunigt den Herstellungsprozess der Flaschen.

Wie könnte ich damit in Kontakt kommen?

TiN-Nanopartikel werden in allen Anwendungen in gebundener Form eingesetzt, also als Beschichtung oder eingearbeitet in den Kunststoff. Grundsätzlich geht man davon aus, dass sich keinerlei Titannitrid Bestandteile aus diesen Beschichtungen herauslösen.

Wie gefährlich ist das Material für Mensch und Umwelt?

Ob nanometerkleine Titannitrid-Partikel gefährlich sind, wurde bisher kaum untersucht. TiN in sehr dünnen Schichten (10 – 100 nm), wie sie beispielsweise für Gelenkimplantate verwendet werden, zeigt keine schädliche Wirkung auf menschlichen Zellen. Deshalb gehen Experten davon aus, dass TiN-Beschichtungen gut verträglich sind. ObTitannitrid als Nanomaterial eine Gefahr für die Umwelt darstellt, ist noch nicht bekannt.

Fazit

Im Alltag sind der menschliche Körper und die Umwelt nur geringen Mengen an Nano-Titannitrid ausgesetzt. Es wird als ungiftig betrachtet, so dass es für Implantate verwendet wird.

Nebenbei
  • Titannitrid ist ein technisches Produkt, das nicht in der Natur vorkommt.
  • Auch beim Auftragen auf die Haut wurden keine schädlichen Wirkungen beobachtet.

Eigenschaften und Anwendungen

Produktionsstrasse © Mikhail / Fotolia.com

Produktionsstrasse © Mikhail / Fotolia.com

Titannitrid stellt eine Verbindung von Titan und Stickstoff dar, bei der der Anteil von Stickstoff variieren kann. Dies wird durch die Formel TiNx ausgedrückt, wobei x Werte zwischen 0,4 und 1 annehmen kann. Es ist bei Raumtemperatur fest und weist eine Dichte von 5,2 g/cm3 auf, was ungefähr dem doppelten von Glas entspricht, aber immer noch geringer ist, als bei den meisten Metallen.

Titannitrid (TiN) ist sehr hart, vergleichbar mit Korund, der in Schleifmitteln, wie z.B. Schleifpapier eingesetzt wird (Vickershärte von TiN 2400, Korund (Aluminiumoxid) 2100). Noch härter ist beispielsweise Titancarbid (3200). Zudem leitet TiN den elektrischen Strom ähnlich gut wie Stahl. Der Schmelzpunkt liegt bei ca. 3000 °C, es ist in Wasser unlöslich und wird auch von Säuren nur wenig angegriffen. Auch bei höheren Temperaturen reagiert es nur wenig mit Metallen. Wenn TiN im großen Maßstab, ohne auf besondere Reinheit zu achten hergestellt wird, nennt man es technisches TiN, das meist eine geringe Menge Sauerstoff enthält, der sich nur schwer abtrennen lässt.

Titannitrid wird vor allem als Dünnschicht (Dicke bis zu wenigen Mikrometern) bzw. mehrlagigen Dünnschichtsystemen zum Verschleißschutz bei Werkzeugen eingesetzt. Zugleich verleiht es beschichteten Teilen eine goldähnliche Farbe. Titannitrid-Pulver (Korngröße im Bereich Nano- bis mehrere Mikrometer) dient als Zuschlagstoff zur Herstellung von verschleißfesten Sinterwerkstoffen wie Hartmetallen, Siliziumnitrid und Cermets. Auch findet es als Additiv von Kunststoffen, insbesondere für PET-Flaschen, Verwendung. TiN verbessert hier die thermischen Eigenschaften des PET und führt zu höheren Produktionszahlen bei der Herstellung der Flaschen. Laut deutscher Bedarfsgegenständeverordnung ist die Zugabe von Titannitrid auf 20 mg TiN pro kg PET beschränkt [4]. Reines TiN bietet sich für die Herstellung von Keramiktiegeln oder Aufdampfschiffchen zum Schmelzen von Metallen an.

Nanotitannitrid ist selbstentzündlich. Die Mischung von Nanotitannitrid mit Luft (Staub) ist auch ohne Einwirkung einer Zündquelle entzündlich.

Vorkommen und Herstellung

Titannitrid ist ein technisches Produkt, das nicht in abbauwürdiger Form in der Natur vorkommt. Als Pulver kann es durch die Reduktion von TiO2 durch Kohlenstoff in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre gewonnen werden. Auch Titanhydrid, Titanschwamm und Abfälle von reinem Titan reagieren mit Stickstoff zu TiN. Nanokristalline Pulver lassen sich durch die Umsetzung von Titantetrachlorid (TiCl4) und Stickstoff oder Ammoniak (NH4) in einer Wasserstoffatmosphäre gewinnen.

Dünne Titannitridschichten in der Stärke bis zu einigen Mikrometern erzeugt man durch physikalische oder chemische Abscheidung aus der Gasphase (engl. Physical Vapour Deposition (PVD), Chemical Vapour Deposition (CVD)). Die physikalischen Verfahren beruhen darauf, dass ein Titantarget entweder in einem Ofen oder lokal durch ein Plasma oder einen Elektronenstrahl in einer Stickstoffatmosphäre zum Verdampfen gebracht wird und sich als Titannitrid auf dem zu beschichteten Substrat abscheidet. Die Abscheidetemperaturen liegen unter 500 °C. Bei chemischen Verfahren nutzt man meist Titantetrachlorid (TiCl4) als Titanquelle. Die Abscheidetemperatur liegt allgemein über 700 °C. Die Wachstumsgeschwindigkeiten können bis zu einigen Mikrometern pro Stunde betragen.


Literatur

  1. Kieffer, R & Benesovsky, F (1963). Hartstoffe, Springer-Verlag, Wien.
  2. Schedler, W (1988). Hartmetall für den Praktiker, VDI-Verlag GmbH, Düsseldorf.
  3. Richter, V & Mueller, K (2007). In Schatt,Wieters, Kieback: Pulvermetallurgie,Technologien und Werkstoffe, Springer Verlag, 2. erweiterte Auflage. ISBN 978-3-540-23652-8.
  4. Bedarfsgegenständeverordnung (BedGgstV) (2011), gesetze-im-internet.de (Stand letzter Zugang: Jul 2011).

Studien konnten unterschiedlich starke zytotoxische Wirkungen der Titannitrid-Partikel zeigen.

Untersuchungen am lebenden Organismus - in vivo

Sowohl ein Hautirritationstest an Kaninchen als auch ein akuter systemischer Toxizitätstest an Mäusen zeigten keinerlei durch Titannitrid (TiN) ausgelöste Effekte an [1]. Eingesetzt wurden TiN-Lösungen, welche für die Beschichtung von Implantaten verwendet werden.

Literature

  1. Paschoal, AL et al. (2003), Artif Organs, 27(5): 461-464.

 

Untersuchungen außerhalb des Organismus - in vitro

Im Rahmen des BMBF geförderten Verbundprojekts INOS wurden Titannitrid (TiN) Nanopartikel in den humanen Zelllinien A549 (Lunge), HaCaT (Haut), und CaCo-2 (Darm) untersucht. Diese in vitro Tests zeigten eine zytotoxische Wirkung der TiN-Partikel, welche jedoch je nach Zelllinie unterschiedlich stark ausfiel (eingesetzte Konzentrationen bis 50 µg/ml über 3 Stunden und 3 Tage).

Die stärkste toxische Wirkung war gegenüber humanen Hautzellen (HaCaT) zu beobachten. Der LOEL lag bei 10 µg/ml [1]. Außerdem wurde die Wirkung auf Zellen des Gehirns untersucht. Hier führte eine Behandlung mit TiN-Nanopartikeln bei einem Zelltyp zu vermehrtem Zelltod (Apoptose, Nekrose) [1].

Wird TiN hingegen in sehr dünnen Schichten (10–100 nm) eingesetzt, z.B. um Gelenk-Implantate zu beschichten, so zeigte sich eine verbesserte Anhaftung von menschlichen Fettzellen an diesen Schichten. Diese Studie kommt zu dem Schluss, dass TiN-Beschichtungen gut bio-verträglich sind [2]. Dieses Ergebnis wird durch weitere Studien unterstützt, in der Zellen, welche in Kontakt zu TiN beschichteten Materialien kultiviert wurden, keine Effekte zeigten [3,4]. Im Allgemeinen wird davon ausgegangen, dass sich keinerlei TiN-Bestandteile aus diesen Beschichtungen herauslösen.Literature

  1. INOS Forschungsberichte (siehe Veröffentlichungen des Projekts INOS)
  2. Hyde, GK et al. (2009), Biomed Mater, 4(2): 025001.
  3. Paschoal, AL et al. (2003), Artif Organs, 27(5): 461-464.
  4. Raay, JJaM et al. (1995), J Mater Sci: Mater Med, 6(2): 80-84.

Zurzeit sind keine Studien bekannt, die sich mit der Umweltexposition durch Titannitrid (TiN) Nanopartikel beschäftigen.

Zur Aufnahme über die Lunge, die Haut oder den Magen-Darmtrakt gibt es zurzeit keine Studien.

Zur Aufnahme und zum Risiko für Umweltorganismen gibt es bisher keine in vivo Studien. Im Rahmen des BMBF geförderten Verbundprojekts INOS wurden Titannitrid (TiN) -Nanopartikel in einer Kiemen- sowie einer Darm-Zelllinie der Regenbogenforelle untersucht (eingesetzte Konzentrationen bis 50 µg/ml über 3 Stunden und 3 Tage).

 

Diese in vitro Tests zeigten eine im Vergleich zu anderen getesteten Zelllinien geringe zytotoxische Wirkung der TiN-Partikel. Auf die Darmzellen wirkte TiN dabei leicht toxisch, auf die Kiemenzellen hingegen nicht toxisch [1].


Literatur

  1. INOS Forschungsberichte (siehe Veröffentlichungen des Projekts INOS)

Das Aufnahmeverhalten von Titannitrid-Nanopartikeln wurde in verschiedenen Zelllinien untersucht. Übereinstimmend konnte eine Aufnahme der Partikel in die Zellen bestätigt werden.

 

Aufnahmeverhalten in Zellen

Wahrscheinlich reichern sich die Partikel in bestimmten Zellorganellen, den Lysosomen, an [1,2].

Literatur

  1. INOS Forschungsberichte (siehe Veröffentlichungen des Projekts INOS)
  2. Busch, W et al. (2010), J Nanopart Res, 13(1): 293-310.

Zurzeit sind keine Studien bekannt, die sich mit dem Umweltverhalten von Titannitrid Nanopartikeln befassen.

Weitere Materialien


Kohlenstoff-Nanoröhrchen
Diamant
Cellulose
Kupfer und Kupferoxide
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