鋁酸鈣水泥對氧化鎂系包埋料性能的影響

余桂林,李 楠,李友勝,王貽寧

(1.武漢科技大學(xué)醫(yī)學(xué)院,湖北武漢,430065;2.武漢科技大學(xué)耐火材料與高溫陶瓷國家重點實驗室培育基地,湖北武漢,430081;3.武漢大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院,湖北武漢,430072)

口腔義齒制作通常采用熔模離心鑄造法來得到精密度較高的鑄件,其主要原理是利用鑄造包埋料的熱膨脹來補(bǔ)償高熔合金的冷卻收縮。因此,包埋料的性能直接影響到鑄件的質(zhì)量,改進(jìn)包埋料性能已成為提高鑄件精確度的關(guān)鍵所在[1-3]。鈦及其合金以其良好的生物相容性和耐腐蝕性等突出優(yōu)點而受到牙科行業(yè)的重視,但在口腔鑄鈦過程中,由于熔融鈦液易與鑄型包埋料發(fā)生反應(yīng),在鑄件表面形成反應(yīng)層,使其機(jī)械性能和耐腐蝕性降低,并且材料硬度和脆性增加。氧化鎂系包埋料的突出優(yōu)點就是與鈦液反應(yīng)少,鑄造出的鈦鑄件表面光潔,污染極小[2],故受到牙科行業(yè)的青睞。

包埋料通常以高純度電熔氧化鎂為骨材,主要成分為方鎂石,以鋁酸鈣水泥作為結(jié)合劑,用水混合,操作性能好,硬化時間適宜,脫模良好。鋁酸鈣水泥是耐火材料常用的結(jié)合劑,水化后產(chǎn)生的常溫強(qiáng)度較高,燒后強(qiáng)度較低,很適合作包埋料的結(jié)合劑。包埋料在實際應(yīng)用時需要良好的使用性能,如良好的流動性、適宜的初凝時間和耐壓強(qiáng)度等[4-7]。為此,本文以鋁酸鈣水泥作為結(jié)合劑、電熔氧化鎂和電熔白剛玉作為原料以及剛玉球作為混磨介質(zhì),在聚氨酯滾筒中混磨2 h后制得氧化鎂系包埋料,研究了結(jié)合劑鋁酸鈣水泥含量對氧化鎂系包埋料性能的影響,以期為氧化鎂系包埋料的研制提供理論依據(jù)。

1 試驗與方法

1.1 原料

試驗所用原料主要有:①電熔氧化鎂,其成分為方鎂石,粒度為180目;②電熔白剛玉(wB為90%),粒度為320目;③鋁酸鈣水泥:拉法基71水泥,氧化鋁含量約為71%;④自配添加劑。

1.2 配方和試樣制備

氧化鎂系包埋料配方如表1所示。

表1 氧化鎂系包埋料的配方(w B/%)Table 1 Formula of investmentmaterial

按表1配方進(jìn)行配料,以剛玉球作為混磨介質(zhì),在聚氨酯滾筒中混磨2 h后制得6類氧化鎂系包埋料。

1.3 分析測試

(1)試樣初凝時間的測試。初凝時間測定采用維氏針入度計測試,將錐狀環(huán)形模具(頂部內(nèi)徑為70 mm,底部內(nèi)徑為60 mm,高為40 mm)內(nèi)表面涂脫模劑后放于基底板上,調(diào)整維氏針入度計的刻度尺,使針接觸基底板時讀數(shù)為0。將100 g包埋料與33 m L蒸餾水手工調(diào)和30 s后倒入錐狀環(huán)形模具中達(dá)到模具頂表面,直至微溢后,刮平表面。待調(diào)和物表面光澤完全消失時,放下針,直至接觸調(diào)和物表面,然后輕輕地松開針,讓其在自重下針入混合物中。每隔15 s重復(fù)操作,每次針入后將針擦凈,并移動試樣,使各針部位至少相距5 mm,以防同一部位針入2次,針入部位與模具邊緣液至少相距5 mm。從調(diào)和開始至針第1次不能針入模具底部5 mm以內(nèi)的時間,即為初凝時間。

(2)試樣流動性的測試。將環(huán)形模具內(nèi)(高為50 mm,內(nèi)徑為35 mm)表面涂上脫模劑,將模具底放在玻璃板(150 mm×150 mm)上。將100 g包埋料與33 mL蒸餾水在室溫下手工調(diào)和30 s后注入模具內(nèi),直至微溢后,刮平調(diào)和物使其與模具頂平齊,在調(diào)和開始后120 s以約10 mm/s速度將模具垂直從板上提起,讓調(diào)和物坍塌倒在玻璃板上。待調(diào)和物凝固后,測量固化的包埋料底部最大直徑和最小直徑,并計算其平均值。

(3)試樣顯氣孔率、體積密度和耐壓強(qiáng)度的測試。將100 g包埋料與33 m L蒸餾水在室溫下手工調(diào)和30 s,將調(diào)拌后的包埋料倒入不銹鋼圓柱體內(nèi),制成直徑為20 mm、高為30 mm的試樣,凝固脫模后靜置于室內(nèi)24 h,而后置入110℃干燥箱內(nèi)烘干24 h,最后分別置入900℃和1 100℃燒結(jié)爐內(nèi)熱處理3 h。按GB/T2997—2000測量經(jīng)110℃和900℃熱處理后試樣的體積密度和顯氣孔率;按GB/T3001—2000測量經(jīng)110℃和900℃熱處理后試樣的耐壓強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋁酸鈣水泥含量對包埋料性能的影響

圖1 鋁酸鈣水泥加入量對氧化鎂系包埋料初凝時間的影響Fig.1 Effect of content of CA cement on solidification time of investmentmaterial

圖2 鋁酸鈣水泥加入量對氧化鎂系包埋料流動性的影響Fig.2 Effect of content of CA cement on fluidity of investmentmaterial

圖3 鋁酸鈣水泥加入量對氧化鎂系包埋料顯氣孔率的影響Fig.3 Effect of content of CA cement on apparent porosity of investmentmaterial

圖4 鋁酸鈣水泥加入量對氧化鎂系包埋料體積密度的影響Fig.4 Effect of content of CA cement on bulk density of investmentmaterial

圖1為鋁酸鈣水泥加入量對氧化鎂系包埋料初凝時間的影響,圖2為鋁酸鈣水泥加入量對氧化鎂系包埋料流動性的影響。由圖1和圖2可看出,隨著鋁酸鈣水泥含量的增加,包埋料的初凝時間縮短,流動性變差。圖3為鋁酸鈣水泥加入量對氧化鎂系包埋料顯氣孔率的影響,圖4為鋁酸鈣水泥加入量對氧化鎂系包埋料體積密度的影響。由圖3和圖4可看出,隨著鋁酸鈣水泥含量的增加,110℃熱處理后試樣的顯氣孔率稍微下降,體積密度略微上升,但經(jīng)900℃熱處理后試樣的顯氣孔率和體積密度變化不大,900℃熱處理試樣顯氣孔率略微上升,體積密度稍微下降。圖5為鋁酸鈣水泥加入量對氧化鎂系包埋料耐壓強(qiáng)度的影響。由圖5可看出,當(dāng)鋁酸鈣水泥含量小于20%時,試樣的強(qiáng)度幾乎不隨著鋁酸鈣水泥加入量的增加而變化。當(dāng)鋁酸鈣水泥含量大于20%時,試樣強(qiáng)度隨著鋁酸鈣水泥含量的增加迅速上升。900℃熱處理試樣的耐壓強(qiáng)度低于110℃熱處理試樣的耐壓強(qiáng)度。

圖5 鋁酸鈣水泥加入量對氧化鎂系包埋料耐壓強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of content of CA cement on compression strength of investmentmaterial

2.2 鋁酸鈣水泥結(jié)合劑作用機(jī)理分析

鋁酸鈣水泥的水化過程和水化產(chǎn)物與溫度有著密切的關(guān)系。當(dāng)溫度不同時,水化反應(yīng)的過程和產(chǎn)物也不同,即:

鋁酸鈣水泥硬化后的水化產(chǎn)物在加熱過程中可發(fā)生脫水分解反應(yīng)和結(jié)晶等變化。主要水化物CaO·A l2O3·10H2O(CA H10)、3CaO·A l2O3·6H2O(C3AH6)和A l2O3·3H2O(AH3)脫水反應(yīng)以及與A l2O3可發(fā)生如下反應(yīng):

在水化物的脫水過程中,由于各種水合物密度的不同,使脫水前后的固體實體積變化很大。當(dāng)發(fā)生3CA H10→C3A H6+2A H3+18H2O反應(yīng)時,實體積縮小約為1/2;當(dāng)發(fā)生3C2A H8→2C3A H6+A H3+9H2O反應(yīng)時,實體積縮小約為2/3。C3A H6和A H3的脫水也與此相似[8]。

所謂水泥的凝結(jié)和硬化,確切地說應(yīng)該是一個復(fù)雜的物理-化學(xué)過程。水泥熟料礦物遇水后會發(fā)生水解或水化反應(yīng)而變成水化物,由這些水化物按照一定的方式靠多種引力相互搭接和聯(lián)結(jié)形成水泥石的結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生強(qiáng)度。而水泥的凝結(jié)期間,其早期強(qiáng)度主要取決于水化產(chǎn)物鋁酸三鈣,因此隨著鋁酸鈣水泥含量的增加,水化產(chǎn)物鋁酸三鈣形成越多,越有利于其凝固和強(qiáng)度的提高。圖1和圖5的試驗結(jié)果也證實了這一現(xiàn)象。隨著鋁酸鈣水泥含量的增加,包埋料的初凝時間縮短,耐壓強(qiáng)度增強(qiáng)。由于水化物的增多,結(jié)合力增強(qiáng),結(jié)構(gòu)緊密,從而導(dǎo)致包埋料的流動性變差[9]。在試樣加熱至900℃過程中,水化物發(fā)生脫水,固體實體積縮小,水化物結(jié)構(gòu)受到破壞,使其耐壓強(qiáng)度低于110℃熱處理試樣的耐壓強(qiáng)度,如圖5所示。

由于鋁酸鈣水泥的真密度比電熔鎂砂小,當(dāng)用鋁酸鈣水泥等量取代電熔鎂砂時,其體積百分含量是不等值的,堆積密度的變化導(dǎo)致隨著鋁酸鈣水泥含量的增加,經(jīng)110℃熱處理后,試樣的顯氣孔率下降,體積密度上升。經(jīng)900℃熱處理后,由于鋁酸鈣水泥水化物的脫水導(dǎo)致試樣的顯氣孔率上升,體積密度下降。由于這一作用對試樣的顯氣孔率和體積密度的影響很大,這樣粉料堆積密度變化帶來的影響可以忽略,因此,鋁酸鈣水泥的加入量對900℃熱處理試樣的顯氣孔率與體積密度的影響不大。由于鋁酸鈣水泥為水化物的脫水,對比110℃熱處理試樣,900℃熱處理試樣顯氣孔率上升,體積密度下降。

3 結(jié)論

(1)隨著鋁酸鈣水泥含量的增加,氧化鎂系包埋料的初凝時間縮短,流動性變差。

(2)對比110℃熱處理試樣,900℃熱處理試樣顯氣孔率上升,體積密度下降。

(3)鋁酸鈣水泥加入量大于20%時,可明顯提高氧化鎂系包埋料的耐壓強(qiáng)度。

[1] 陳治清.口腔材料學(xué)[M].北京:人民衛(wèi)生出版社,2001:137.

[2] 余桂林,李楠,王貽寧,等.對鑄鈦專用包埋材料的組成和性能的研究[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2006,29(4):343-345.

[3] 余桂林,李楠,許聚良,等.方石英的制備及其對磷酸鹽包埋料性能的影響[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2005,28(3):225-227.

[4]Yu Guilin,Li Nan,Li Yousheng,et al.The effects of different types of investments on the alpha-case layer of titanium castings[J].Joural of Prosthetic Dentistry.2007,97(3):157-164.

[5] Chikahiro O,Toshio H,Phillip FJ,et al.Effectof surface reaction layer on grindability of cast titanium alloys[J].Dent Mater,2006,22(3):268-274.

[6] Zhuo Cai,Ty Shafer,Ikuya Watanabe,et al.Electrochemical characterization of cast titanium alloys[J].Biomaterials,2003,24(2):213-218.

[7] Hung C C,Hou G L,Tsai C C,et al.Pure titanium casting into zirconia-modified magnesia-based investmentmolds[J].Dent Mater,2004,20:846-851.

[8] 王維邦.耐火材料工藝學(xué)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1994:5.

[9] 李志剛,葉方保,張宇.鋁酸鈣水泥對剛玉基澆注料性能的影響[J].耐火材料,2007,41(5):336-340.