Керамика (стоматологический фарфор, ситаллы) - Трезубов 2011

4.2.ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СТОМАТОЛОГИЧЕСКОГО ФАРФОРА

По физическим свойствам стоматологические фарфоры близки к стеклам, структура их изотропна. Они представляют собой переохлажденные жидкости и вследствие высокой вязкости могут сохранять стеклообразное изотропное состояние при охлаждении без заметной кристаллизации.

Стоматологические фарфоры могут переходить при размягчении или отвердении из твердого в жидкое состояние (и обратно) без образования новой фазы.

Стекла не имеют собственной температуры плавления, а характеризуются интервалом размягчения. Фарфор образуется в результате сложного физико-химического процесса взаимодействия компонентов фарфоровой массы при высокой температуре. Так, при температуре 1100—1300°С калиевый шпат превращается в калиевое полевошпатное стекло. Каолин и кварц имеют более высокую температуру плавления, чем полевой шпат. Однако в расплаве полевошпатного стекла каолин и кварц взаимодействуют со стеклом. При этом каолин образует игольчатые кристаллы муллита, пронизывающие всю массу фарфора. Частицы кварца оплавляются, теряют игольчатую форму, и небольшое их количество переходит в расплав стекла.

Многочисленными микроскопическими исследованиями установлены следующие основные структурные элементы фарфора:

─   стекловидная изотропная масса, состоящая из полевошпатного стекла с различной степенью насыщения (Аl₂O₃; SiO₂);

─   нерастворившиеся в стекле оплавленные частицы кварца;

─   кристаллы муллита 3Al₂O₃·2SiO₂, распределенные в расплаве кремнеземполевошпатного стекла;

─   поры.

Стекловидная изотропная масса в современных стоматологических фарфорах составляет их основную часть. Она обусловливает его качество и свойства. Количество стеклофазы возрастает при повышении температуры плавления и увеличении времени плавки. Соотношение кристаллической и стекловидной фаз определяет физические свойства фарфора. Содержание стеклофазы в фарфоровых массах обеспечивает их блеск и прозрачность. Завышенная температура обжига приводит к появлению на поверхности изделия чрезмерного блеска и мелких пузырьков (Каральник Д.М. и др., 1983).

При чрезмерном увеличении стеклофазы прочность фарфора уменьшается. Нерастворившиеся в полевошпатном стекле частицы кварца вместе с кристаллами муллита и глинозема образуют скелет фарфора. Важным фактором в строении фарфора являются поры. Наибольшую пористость (35—45%) материал имеет перед началом спекания (Будников П.П. и др., 1972).

По мере образования стекловидной фазы пористость снижается. При этом повышается плотность материала и, соответственно, сокращаются размеры изделия. Полному уничтожению пор мешают заключенные в них пузырьки газов, образующиеся в результате физико-химического взаимодействия отдельных компонентов массы. Высокая вязкость полевошпатного стекла мешает удалению газовых пузырьков из фарфорового материала, чем и обусловливается образование закрытых пор.

Современный стоматологический фарфор по температуре обжига классифицируется как тугоплавкий (1300—1370°С), среднеплавкий (1090— 1260°С) и низкоплавкий (870—1065°С). Примерный состав компонентов фарфора приведен в таблице 45.

 

Таблица 45

Состав тугоплавкого, среднеплавкого и низкоплавкого фарфора

Фарфор	Компоненты фарфора, %
	полевой шпат	кварц	каолин
Тугоплавкий	81	15	4
Среднеплавкий	61	29	10
Низкоплавкий	60	12	28

 

Тугоплавкий фарфор обычно используется для фабричного изготовления искусственных зубов для съемных протезов.

Среднеплавкие и низкоплавкие фарфоры применяются для получения коронок, вкладок и мостовидных протезов. Использование низкоплавких и среднеплавких фарфоров позволило применять печи для обжига с нихромовыми и другими нагревателями.

При создании коронок, вкладок, мостовидных протезов фарфоровый порошок смешивают с дистиллированной водой до консистенции густой кашицы. Фарфоровую кашицу наносят на матрицу, приготовленную из платиновой фольги, или на огнеупорную модель для приготовления вкладок, или непосредственно на металл при облицовке фарфором металлических несъемных протезов (Рис.4.1). Кашицу тщательно конденсируют, избыток воды удаляют фильтровальной бумагой. После этого изделие устанавливают на керамический поднос и подсушивают во входном отверстии вакуумной печи. Затем обжигаемый протез вводят в печь и проводят обжиг согласно режиму, рекомендованному изготовителем фарфорового материала.

 

 

Рис.4.1. Набор инструментов для работы с керамикой (а) и керамическая палитра для подготовки керамических масс с набором кисточек для нанесения, моделирования и уплотнения масс (б). Слева внизу (б) показан этап нанесения массы при создании металлокерамической коронки.

 

Оптические свойства фарфора являются одним из главных достоинств искусственных зубов. Коронка естественного зуба просвечивает, но не прозрачна, как стекло. Это объясняется тем, что наряду с абсорбцией света прозрачность выражается соотношением диффузно рассеянного и проходящего света. Свет, состоящий из волн разной длины, попадая на поверхность зуба, может поглощаться, отражаться и преломляться.

Короткие волны (менее 400 нм) отражаются от эмали режущего края зуба, создавая голубоватый оттенок (Серова Г.А. и др., 1975; Бартельс Г., 1997). Длинные волны, проходя через срединную часть зуба, содержащую основную массу твердых тканей, отражаясь и преломляясь, образуют множество цветовых оттенков от желто-оранжевого до голубого (Sked I.R., 1977). В пришеечной части эмаль резко утончается. Этот участок имеет цвет от желто-оранжевого до коричневого (McLean J.W., 1978). Стоматологический фарфор также является гетерогенным по структуре материалом.

Оптический эффект фарфора близок к таковому у естественных зубов в тех случаях, когда удается найти правильное соотношение между стеклофазой и замутнителями фарфора. Обычно этому мешает большое количество воздушных пор и замутняющее действие кристаллов. Уменьшение кристаллических включений приводит к повышению деформаций изделия во время обжига и понижению прочности фарфора. Такой путь повышения прозрачности имеет определенный предел.

Второй путь увеличения прозрачности стоматологического фарфора заключается в уменьшении размера и количества газовых пор. До обжига суммарный объем воздушных включений сконденсированной фарфоровой кашицы составляет 20—45%.

Для уменьшения газовых пор предложено четыре способа:

1) обжиг фарфора в вакууме — при этом способе воздух удаляется раньше, чем он успеет задержаться в расплавленной массе;

2) обжиг фарфора в диффузном газе (водород, гелий), когда обычную атмосферу печи заполняют способным к диффузии газом; во время обжига воздух выходит из промежутков и щелей фарфора (метод непригоден на практике);

3) обжиг фарфора под давлением 10 атм. Если расплавленный фарфор охлаждать под давлением, то воздушные пузырьки могут уменьшаться в объеме и их светопреломляющее воздействие значительно ослабевает. Давление поддерживают до полного охлаждения фарфора. Этот способ еще применяют на некоторых заводах для производства искусственных зубов. Недостаток метода состоит в невозможности повторного разогрева и глазурования под атмосферным давлением, так как пузырьки газа восстанавливаются при этом до первоначальных размеров;

4) при атмосферном обжиге для повышения прозрачности фарфора используется крупнозернистый материал. При обжиге такого фарфора образуются более крупные поры, но количество их значительно меньше, чем у мелкозернистых материалов.

Из указанных выше четырех способов наибольшее распространение получил вакуумный обжиг, который применяется в настоящее время как для создания протезов в зуботехнических лабораториях, так и на заводах при производстве искусственных зубов. Фарфор, обжигаемый в вакууме, имеет в 60 раз меньше пор, чем при атмосферном обжиге.

При обжиге фарфоровых масс усадка составляет 20—40%. Причинами такой усадки являются:

─   недостаточное уплотнение (конденсация) частичек керамической массы;

─   потеря жидкости, необходимой для приготовления фарфоровой кашицы;

─   выгорание органических добавок (декстрин, сахар, крахмал, анилиновые красители).

Большое практическое значение имеет направление усадки. Усадка может быть:

─   в направлении большего тепла;

─   в направлении силы тяжести;

─   в направлении большей массы.

В первом и втором случаях усадка незначительна, так как в современных печах (Рис.4.2) гарантировано равномерное распределение тепла, а сила тяжести невелика. Усадка в направлении больших масс значительно выше. Масса в расплаве ввиду поверхностного натяжения и связи между частицами стремится принять форму капли. При этом она подтягивается от периферических участков (например, от шейки коронки) к центральной части коронки (к большей массе фарфора), что в конечном счете может привести к появлению щели между искусственной фарфоровой коронкой и уступом модели препарированного зуба.

Прочность фарфора зависит от рецептуры (состава компонентов) фарфоровой массы и технологии производства. Основными показателями прочности фарфора являются:

─   прочность при растяжении;

─   прочность при сжатии (4600—8000кг/см²);

─   прочность при изгибе (447—625кг/см²).

Прочность при изгибе современной керамики (по Международному стандарту ISO-9693 «Стоматологическая металлокерамика для зубного протезирования», величина прочности фарфора при изгибе не должна быть ниже 50 МПа) для облицовки металлических каркасов — 80—90 МПа, а у фарфора ЕХ-3 Норитаки (Япония) она на 30% выше (Хироси И., Бан К., 1987).

 

Рис.4.2. Печь для обжига керамики.

 

Большое влияние на прочность оказывает метод конденсации частичек фарфора. Существуют четыре метода конденсации:

─   электрохимической вибрацией;

─   колонковой или собольей кистью;

─   методом гравитации (без конденсации);

─   рифленым инструментом.

Большинство исследователей считают, что наилучшего уплотнения Фарфоровой массы можно достигнуть рифленым инструментом с последующим применением давления фильтровальной бумагой при удалении жидкости.

Среди технологических условий, которые существенно влияют на прочностные показатели, следует отметить следующие;

─   необходимое уплотнение материала, или конденсация частичек фарфора (см. выше);

─   хорошее просушивание массы перед обжигом;

─   оптимальное (как правило, не более 3—4) количество обжигов;

─   проведение обжига при адекватной для данной массы температуре;

─   время обжига;

─   способ применения вакуума при обжиге;

─   глазурование поверхности протеза.

Прокомментируем, в частности, зависимость прочности фарфора от изменения (нарушения) технологии обжига:

─   начало обжига должно совпадать с началом разряжения атмосферы рабочей камеры печи;

─   при достижении оптимальной температуры обжига должен быть достигнут полный вакуум;

─   увеличение количества обжигов снижает прочность фарфора из-за его остекловывания;

─   обжиг при температуре, превышающей оптимальную, уменьшает прочность из-за недостатка количества стеклофазы;

─   обжиг при температуре ниже оптимальной для данной массы снижает прочность из-за чрезмерного увеличения стеклофазы;

─   время обжига в вакууме при достижении оптимальной температуры обжига не превышает 2 мин (при увеличении времени выдержки в вакууме даже при оптимальной температуре прочность фарфора уменьшается).

Лучшие сорта стоматологического фарфора при соблюдении оптимальных режимов производства изделий имеют прочность при изгибе 600-700 кг/см². Подобная прочность стоматологического материала является недостаточной. Поэтому условно можно выделить, как минимум, два основных направления в поиске путей повышения прочности фарфора: за счет новых технологий обжига, включая и разработку соответствующего оборудования и инструментария; за счет изменения рецептуры фарфоровой массы.

Так, например, введение в стекло или фарфор кристаллических частичек высокой прочности и эластичности, имеющих одинаковый коэффициент термического расширения со стеклом или фарфором, приводит к значительному повышению прочности. При этом ее увеличение происходит пропорционально росту кристаллической фазы. Кварц добавляют в фарфор как усилитель кристаллической фазы. Частички кварца хорошо соединяются со стеклом основного вещества, но коэффициент термического расширения у них разный. При охлаждении вокруг кристаллов кварца возникают зоны напряжения, которые хорошо видны под поляризационным микроскопом. Трещины в фарфоре, усиленном кварцем, проходят по зонам напряжения, минуя кристаллы.

Добавление частичек оксида алюминия к некоторым сортам фарфора (McLean J.W., Huges, 1965), т.е. использование глиноземного (алюмооксидного) фарфора, приводит к увеличению механической прочности сплавленного оксида алюминия в 7 раз. Температура плавления оксида алюминия равна 2000°С. Температура обжига алюмооксидного фарфора составляет 1650— 1750°С. Снижение температуры обжига достигается введением в оксид алюминия других минеральных веществ.

 

Рис.4.3. Схема направления трещины (а) в керамической облицовке, содержащей кристаллы лейцита (б).

 

Так, глиноземный фарфор содержит 60% стоматологического фарфора и 40% оксида алюминия, что позволило снизить температуру обжига до 1050°С, а прочность при этом увеличилась вдвое. Поскольку оксид алюминия и стоматологический фарфор имеют одинаковый коэффициент термического расширения, трещина в алюмооксидном фарфоре распространяется как через стеклянную, так и через кристаллическую фазу. Кристаллы являются потенциальными «тормозами растрескивания» (Рис.4.3).