自凝與熱凝樹脂義齒材料摩擦磨損行為對比

田曉，耿建，馬力輝，牛建剛，馬凱

（1.河北大學(xué)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院，河北保定 071000；2.河北大學(xué)圖書館，河北保定 071002）

自凝與熱凝樹脂義齒材料摩擦磨損行為對比

田曉1，耿建1，馬力輝1，牛建剛1，馬凱2

（1.河北大學(xué)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院，河北保定 071000；2.河北大學(xué)圖書館，河北保定 071002）

在自制的往復(fù)摩擦磨損實驗臺上，以球面接觸方式，在干摩擦、法向壓力為20 N、往復(fù)頻率為0.5 Hz、擺幅85 mm條件下，研究了牙科用的自凝和熱凝樹脂球分別對自凝樹脂板的摩擦磨損行為.實驗過程中利用動態(tài)應(yīng)變儀測量摩擦過程中應(yīng)變片的應(yīng)變，進而計算出摩擦系數(shù).結(jié)合電鏡觀察比較得出了自凝與熱凝2種義齒材料的耐磨性能：自凝樹脂義齒材料磨損過程中會出現(xiàn)材料塑性流動和表面致密的光滑層，磨損輕微，后者材料致密性差有氣孔，磨損過程中出現(xiàn)層狀磨損，氣孔周圍材料易脫落，結(jié)果自凝材料的摩擦系數(shù)低于熱凝材料，且耐磨性高于熱凝材料.

義齒材料；自凝；熱凝；摩擦；磨損

人類生活離不了食物營養(yǎng)的補充，這一過程離不了牙齒的咀嚼功能.但由于外在不可預(yù)見性的外傷或年齡的老化，會使人類的部分牙齒脫落.為缺失牙的患者進行補牙和安裝假牙所用的材料的耐磨性，直接影響臨床修復(fù)的效果和影響義齒使用的壽命.

義齒材料種類繁多，通常按材料品種分為3種：金屬與合金材料、生物陶瓷材料和高分子材料［1］甲基丙烯酸甲酯義齒基托材料為高分子樹脂材料，因其具有金屬基托義齒所不能比擬的仿真美學(xué)效果、擁有各類牙列缺損失修復(fù)廣泛適應(yīng)性、良好的理化、機械和生物性能以及易加工成型等優(yōu)越性，一直以來在臨床上受到廣大醫(yī)生和患者的歡迎［2］.甲基丙烯酸甲酯義齒基托材料分為加熱固化型基托樹脂和冷凝固化型基托樹脂材料.樹脂材料的最大優(yōu)點是價格較便宜.

由于咬合功能的需求，修復(fù)體與天然牙或修復(fù)體與修復(fù)體之間不可避免地會產(chǎn)生磨損.無論天然牙被磨損，還是修復(fù)體被磨損，都會影響修復(fù)效果.鄭靖、周仲榮利用球面接觸模式的往復(fù)滑動摩擦磨損實驗機，考察了成品樹脂牙、拜耳牙、上齒牙和高茲磨牙，以及光固化樹脂修補材料等4種牙科高分子材料的摩擦磨損行為，但是作者研究的球是鈦，平面是樹脂牙材料，比較了4種牙科高分子材料的耐磨性并分析了磨損機理［3］.鄔雪穎等利用銷－盤接觸磨損方式研究了硬質(zhì)復(fù)色合成樹脂牙、復(fù)色合成樹脂牙、合成樹脂牙的摩擦磨損特性，得出樹脂牙的不同組成成分、分子量大小、聚合方式和加工工藝會影響其機械性能［4］.

文獻［5］作者研究了復(fù)合樹脂義齒材料、丙烯酸樹脂義齒材料、陶瓷義齒材料、天然牙的摩擦磨損特性，結(jié)果表示復(fù)合樹脂的耐磨性優(yōu)于其他3種.文獻［6］作者研究了9種牙科樹脂分別與氧化鋁陶瓷球組成兩體摩擦副，在法向力為40 N、循環(huán)次數(shù)為100 000次的咀嚼模擬器上進行實驗，以天然牙齒作為參考，將各種牙科樹脂的磨損量進行比較，利用社會科學(xué)統(tǒng)計軟件包統(tǒng)計得出磨損量有些情形比較高，有些情形比較低.因此了解義齒材料的摩擦學(xué)特性對臨床防治天然牙過度磨耗和開發(fā)新型牙科修復(fù)材料具有非常重要的理論意義和現(xiàn)實意義.

本文選擇自凝與熱凝樹脂義齒材料，采用簡便經(jīng)濟的摩擦磨損測試手段，進行摩擦磨損特性研究與對比，為患者選用義齒材料和評估這2種義齒材料的壽命提供實驗依據(jù).

1 材料與試樣制備

1.1 材料

自凝樹脂義齒材料采用上海二醫(yī)張江生物材料有限公司生產(chǎn)的造牙粉和義齒基托聚合物和上海牙科麗義齒基托聚合物（自凝牙托水）.熱凝樹脂義齒材料（義齒基托聚合物BQ－2）采用上海貝瓊齒材有限公司生產(chǎn)的和長治市健齒齒科器材有限公司義齒基托聚合物.

1.2 試樣制備方法

實驗所用試樣為長方體板狀自凝義齒材料試樣板，和自凝和熱凝樹脂試樣球.具體尺寸列于表1.自凝和熱凝樹脂義齒材料的硬度值仿照金屬布氏硬度測試方法得到圖1的壓痕直徑，從圖1（上為自凝樹脂、下為熱凝樹脂）壓痕直徑可看出自凝樹脂義齒材料的硬度要比熱凝樹脂義齒材料的硬度高.

表1 實驗所用試樣尺寸及特性Tab.1 Experiment with the size and characteristics of the sample

圖1 鋼球壓痕Fig.1 Ball indentation

1.2.1 自凝試樣的制備方法

在常溫下，粉劑與液劑按照100 g∶45～48 m L的比例，制備自凝球和自凝試驗板.

1.2.2 熱凝試樣的制備方法

在常溫下，粉劑與液劑按照100 g∶45～48 m L的比例，制成可塑性面團狀，然后按照規(guī)定將填充好的型盒進行水浴處理，冷卻后開盒.2種試件均用600＃的水砂紙進行打磨，并用拋光機修正拋光.

2 設(shè)備及實驗方法

摩擦磨損實驗機為自制的往復(fù)摩擦磨損實驗機，工作原理如圖2所示.

圖2 往復(fù)式摩擦磨損實驗機工作原理Fig.2 Working principle graph of reciprocating friction and wear testing machine

摩擦副為球盤接觸方式、往復(fù)運動、室溫干摩擦.該實驗機往復(fù)摩擦磨損頻率0.5 Hz，行程為85 mm左右，法向載荷采用砝碼加載，其大小取牙齒實際工作時咬合力（3～36 N）的平均值［3］，選擇所加砝碼質(zhì)量即法向載荷F n＝20 N.磨損時間每隔1.5 h將球形試樣取出并用醫(yī)用酒精清洗干凈、吹干，在奧豪斯國際貿(mào)易（上海）有限公司生產(chǎn)的精度為0.001 g精密電子天平上稱出磨損質(zhì)量，然后換算出磨損體積.

3 結(jié)果與討論

3.1 摩擦系數(shù)的測定

在自制的往復(fù)摩擦磨損實驗機上，在距尼龍棒下端部80 mm位置貼上經(jīng)標定好的120±1%Ω的電阻應(yīng)變片.采用DH－3817型動靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)以1／4橋測定往復(fù)摩擦過程中的應(yīng)變變化曲線，如圖3所示.

圖3 DH－3817型動靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)1／4橋測量電阻應(yīng)變片應(yīng)變Fig.3 Strain graph of resistance strain gauge measured by 1／4 bridge circuit of DH－3817 type dynamic and static test system

根據(jù)材料力學(xué)理論建立如圖4所示的力學(xué)模型，摩擦磨損過程中將尼龍棒視為懸臂梁.根據(jù)懸臂梁受彎矩作用時應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系計算彎曲應(yīng)力

式中：σ為彎曲應(yīng)力；E為尼龍棒的彈性模量；ε為彈性應(yīng)變.

根據(jù)彎曲應(yīng)力計算公式有

式中：σ為彎曲應(yīng)力；M為尼龍棒貼應(yīng)變片位置的彎矩；W z為尼龍棒的抗彎截面系數(shù)；F摩擦副的摩擦力；l為貼應(yīng)變片處距尼龍棒端部的距離.則摩擦系數(shù)f＝F／Fn.

2種摩擦副摩擦過程的摩擦系數(shù)，取5個周期的平均值，如表2所示.

表2 2種摩擦副摩擦系數(shù)Tab.2 Friction coefficient of two kinds of friction couple

3.2 磨損行為

將磨損累計26 h后的自凝球和熱凝球的磨痕在TM3000型電子顯微鏡下觀察，如圖5所示（磨痕方向為照片豎直方向），自凝球磨痕在×100和×200下觀察，材料致密，摩擦表面有結(jié)晶狀材質(zhì)塑性流動，分析在摩擦過程中，由于摩擦系數(shù)很小，產(chǎn)生很高的熱量，摩擦表面在壓力和摩擦力作用下，形成致密的結(jié)晶狀磨痕，磨損為致密層剝落為主，摩擦磨損會很小，最終磨損量為0.097 mm3.熱凝球在×200下觀察如圖6所示，材料致密性差，磨痕表面既有層狀磨損又有塑性流動現(xiàn)象，而且有氣孔，如圖6b所示.磨損為層狀磨損，氣孔周圍組織脫落，因此磨損量稍大些，最終磨損量為0.104 mm3，如圖7所示.

圖4 尼龍棒懸臂梁Fig.4 Cantilever beam of nylon rod

圖5 自凝球電鏡照片F(xiàn)ig.5 Electron micrograph of self－solidification resin ball

圖6 熱凝球電鏡照片F(xiàn)ig.6 Electron micrograph of thermal coagulation resin ball

圖7 磨損26 h后的總磨損Fig.7 Total wear graph of wearing after 26 h

4 結(jié)論

在自制的往復(fù)摩擦磨損實驗臺上，以球面接觸方式，在干摩擦、法向壓力為20 N、往復(fù)頻率0.5 Hz、擺幅85 mm條件下，研究了牙科用的自凝和熱凝樹脂球分別對自凝樹脂板的摩擦磨損行為.通過對摩擦過程中試件應(yīng)變的測量，計算出了義齒摩擦副的摩擦系數(shù).結(jié)合電鏡觀察比較得出了自凝與熱凝2種義齒材料的耐磨性能：

1）自凝球與自凝板往復(fù)摩擦磨損的摩擦系數(shù)小于熱凝球與自凝板的摩擦系數(shù).

2）自凝球與自凝板往復(fù)摩擦磨損體積磨損量小于熱凝球與自凝板的磨損量，但比較接近.

3）自凝球的磨損過程中有材料的塑性流動和結(jié)晶狀材料層的出現(xiàn)，磨損為致密光滑層脫落；熱凝球的磨損過程中有層狀磨損和氣孔周圍組織的脫落.

2種材料的摩擦磨損程度都非常小，說明它們的耐磨性都很好.

［1］黎紅，黃楠，周仲榮.生物摩擦學(xué)及表面工程的研究現(xiàn)狀和進展［J］.中國表面工程，2000，139（1）：6－10.

LI Hong，HUANG Nan，ZHOU Zhongrong.Current situation and development of bio－tribology and surface engineering research［J］.China Surface Engineering，2000，139（1）：6－10.

［2］張冬梅.義齒基托材料－丙烯酸樹脂20年研究進展［J］.中國美容醫(yī)學(xué)，2010，19（6）：928－931.

ZHANG Dongmei.Dental plate material－development of acrylic acid resin in twenty years［J］.Chinese Journal of Aesthetic Medicine，2010，19（6）：928－931.

［3］鄭靖，周仲榮.四種牙科高分子修復(fù)材料摩擦學(xué)行為的對比研究［J］.潤滑與密封，2006，173（1）：17－19.

ZHENG Jing，ZHOU Zhong rong.Comparative study on tribological behaviors of four types of dental resin composites［J］.Lubrication Engineering，2009，173（1）：17－19.

［4］鄔雪穎，孫皎.3種樹脂牙耐磨性能的比較研究［J］.口腔材料器械，2009，19（4）：176－178.

WU Xueying，SUN Jiao.Comparison of wear resistance among three different kinds of resin teeth［J］.Chinese Journal of Dental Materials and Devices，2009，19（4）：176－178.

［5］GH AZAL M，YANG B，LUDWING K，et al.Two－body wear of resin and ceramic denture teech in comparison to hunman enamel［J］.Dental Materials，2008，24（4）：502－507.

［6］STOBER T，LUTZ T，GILDE H.Wear of resin denture teech by two－body contact［J］.Dental Materials，2006，22（3）：243－249.

Comparison of friction and wear characteristic of self－solidification and thermal coagulation resin denture material

TIAN Xiao1，GENG Jian1，MA Li－h(huán)ui1，NIU Jian－gang1，MA Kai2
（1.College of Quality and Technology Supervision，Hebei University，Baoding 071000，China；2.Library，Hebei University，Baoding 071002，China）

By using a reciprocating sliding wear test machine，friction and wear characteristic of two types of dental resin were investigated and compared under the dry friction condition.A normal force of 20N，reciprocating amplitude 85mm and frequency of 0.5 Hz were used for all the wear tests.The contact was in a ball－on－flat，the ball was self－solidification resin and thermal coagulation resin，the flat was selfsolidification resin.By using dynamic strain instrument measure the strain of strain gauge，and then calculated the friction coefficient.Through the analysis of friction coefficient，wear loss and electron micrograph observation get the wear－resisting performance of the two kinds of materials.Through the observation of electron micrograph，the self－solidification resin denture material emerged plastic flow and surface smooth layer on surface in the process of wear，its wear loss was light.The compactness of the thermal coagulation resin denture was bad，the layer wear was obvious and the material of pores around was easy to fall off，so the friction coefficient of self－solidification resin denture material was less than that of thermal coagulation resin denture material，and the wear－resisting performance showed the opposite.

denture material；self－solidification resin；thermal coagulation resin；friction；wear

TB332

A

1000－1565（2012）02－0198－05

2012－01－20

河北省科技支撐計劃項目（10215145）

田曉（1964－），女，河北懷安人，河北大學(xué)副教授，主要從事材料摩擦磨損研究.

馬力輝（1967－），男，河北定州人，河北大學(xué)教授，博士，主要從事檢測技術(shù)和儀器、產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計方向研究.E－mail：mlh＠yahoo.cn

孟素蘭）