Porcelana dentystyczna.

Porcelana jest materiałem szeroko stosowanym w technice, jak i do wyrobu przedmiotów gospodarstwa domowego.
Porcelanę używa się również w protetyce stomatologicznej do wy­robu sztucznych zębów, koron jednolitych porcelanowych,
licówek oraz jako materiał do wykonywania lica koron złożonych metalowo-porcelanowych.

Składa się ona głównie z niekrystalicznych postaci szkła zło­żonych ze strukturalnych jednostek krzemu i tlenu (tetrahedralnego SiO4). W skład porcelany wchodzą:

1. kaolin,

2. kwarc,

3. skalenie,

4. barwniki.

Kaolin jest produktem wietrzenia glinokrzemianów pod działaniem dwu­tlenku węgla i wody. Powstały produkt – ziemista miękka masa o budowie ­blaszkowatej, w stanie czystym prawie biała, składa się głównie z kaolinu (kwas glinokrzemowy) i znana jest pod nazwą glinki porcelanowej. Kaolin miesza się z wodą, dając w efekcie miękką i plastyczną masę. Gdy będziemy ją podgrzewać do temperatury 600°C, początkowo ulotni się woda użyta do zarobienia. Powyżej tej temperatury masa traci wodę związaną chemicz­nie. Powyżej 800°C masa zaczyna się kurczyć, staje się bardziej ścisła, lecz w tym stanie jeszcze przepuszcza wodę. Podgrzana do tempe­ratury 1200°C kurczy się jeszcze bardziej, osiągając najwyższy stopień kur­czliwości, staje się zbitą, nieprzepuszczającą wody masą. W temperaturze 1800° zaczyna mięknąć, a powyżej tej temperatury (około 2000°) topi się. Kaolin dzięki wysokiej temperaturze topnienia tworzy podłoże bryły por­celanowej, czyni ją nieprzezroczystą i ogniotrwałą.

Kwarc - Si02 stanowi składnik granitów i skał wulkanicznych, jako pro­dukt wietrzenia skał. Jest odporny na działanie wielu czynników chemicz­nych z wyjątkiem kwasu fluorowodorowego i mocnych zasad,
z którymi tworzy krzemiany. Jest minerałem o dużej twardości (7 wg skali Mohsa). Temperatura topnienia czystego kwarcu wynosi 1800°C.
Kwarc nada­je twardość porcelanie, zwiększa odporność chemiczną, zmniejszając jej kurczliwość podczas wypalania.
Najczystszą formą kwarcu jest kryształ górski. Zanieczyszczony kwarc jest półprzezroczysty o kolorze mlecz­nym lub szarym.

Skalenie są jednym z najbardziej rozpowszechnionych minerałów. Wy­stępują w różnych odmianach:

1. krzemian glinowo-potasowy (ortoklaz – szpat polny)

2. krzemian glinowo-sodowy (albit)

3. krzemian glinowo-wapniowy (anortyt)

Do wyrobów dentystycznych używa się przeważnie ortoklazu. Ortoklaz topi się w temperaturze około 1200°.
Jako skład­nik porcelany obniża jej temperaturę topnienia; nadaje przezierność i szklistość masie oraz skleja całość struktury.
Ortoklaz może być bez­barwny, biały, żółty, zielonkawy, czerwony, szary i brunatny. Bezbarwna odmiana ortoklazu nosi nazwę adularu.

Barwniki służące do nadania zębom sztucznym naturalnego koloru szkliwa lub zębiny zajmują około 2°/o ilości masy.
Oprócz kolorów proszku mamy również barwniki do masy ceramicznej, tzw. farby ceramiczne, którymi pod­barwia się proszek lub ząb po wstępnym wypaleniu.
Zabarwienie wyko­nywanego przedmiotu można całkowicie oceniać dopiero po ostatecznym wypaleniu.
Wpływ na zmianę barwy mają różne czynniki, takie jak: od­powiednia konsystencja masy, sposób wypalania, szybkość wypalania, temperatura itp.
Każda wytwórnia produkująca porcelanę i masy ceramicz­ne daje pełny asortyment barw, który uwidoczniony jest na tzw. kluczu barw,
zwanym również kolornikiem. Należy rozrobić 2-3 kolory porce­lany dla jednego zęba: dla części przyszyjkowej, środkowej i brzegu siecz­nego,
które nakłada się warstwowo. Do barwienia porcelany używa się barwników nie zmieniających się pod wpływem wysokiej temperatury. Najczęściej stosuje się tlenki metali.

Własności porcelany.

Zalety:

1. Doskonała kompatybilność.

2. Brak reaktywności chemicznej.

Porcelana jest generalnie bardzo odporna na wpły­wy środków chemicznych (z wyjątkiem

kwasu fluorowodorowego i stężonych zasad).

3. Doskonała estetyka spowodowana:

- przezroczystością, ceramika jest półprzezroczysta ze względu na brak w niej wolnych elektronów (w przeciwieństwie do metali),

- możliwością barwienia,

- stabilnością kolorystyczną,

- odpornością na przebarwienia.

4. Przewodność cieplna ceramiki jest bardzo mała.
Jest to spowodowane brakiem wolnych elektronów (obecnych w metalu).
Współczynnik rozszerzalności cieplnej jest tak­że mały; przykładowo jest on bardziej zbliżony do współczynników rozszerzalności szkliwa i zębiny niż jakichkolwiek innych materiałów odtwórczych.

Wady:

1. Kru­chość.

2. Nie w pełni zadowalająca wytrzymałość mechaniczna, zwłaszcza na zginanie

Wadą ceramiki jest jej podatność na złamania pod wpływem wywołanych w niej naprężeń. Ma­teriały te wykazują niewielką plastyczność, co jest spowodowane faktem,

że ruch dyslokacji w sieci ceramicznej wymaga nakładu dużych energii, a odporność na złamania jest bardzo mała.

Napręże­nia materiału wywołują w nim wewnętrzne pęk­nięcia, które mogą się rozprzestrzeniać i spowodo­wać pęknięcie elementu ceramicznego. Napięcia wewnętrzne wywołuje kilka czynników:

· dyslokacje w kryształach

· chłodzenie materiału, jeżeli różne jego fazy mają różny współczynnik rozszerzalności cieplnej,

· starcie powierzchni - w miejscach występowa­nia nieregularności konturów mogą pojawić się koncentracje naprężeń,

· porowatość materiału.

W celu poprawy właściwości ceramiki wytwarza w jej powierzchniowych war­stwach naprężenia ściskające.

Osiąga się to po­przez zastąpienie małych jonów poprzez relatyw­nie większe (wzmocnienie jonowe).

Rezultatem tego jest trudniejsze po­wstawanie pęknięć od strony powierzchniowych warstw wyrobu ceramicznego.

W chwili obecnej wprowadzono do handlu specjalne pasty, którymi okrywa się gotowy element ceramiczny i wypala w konwencjonalnym piecu do ceramiki.

Innym sposobem zwiększenia wytrzymałości porcelany jest stosowanie o zwiększonej zawartości glinu.

Materiały zawierające, w porównaniu z tradycyjną porcelaną, zwiększoną ilość tlenku glinu wykazują wyższą wytrzymałość.

Typowa, średniotopliwa porcelana wypalana próżniowo zawiera 65% Si02, 19% Al203, 16% top­ników – B2O3, K2O, Na2O, MgO, Li2O, P2O5.

Materiał powyższy jest bezglinowy - pomimo obe­cności tlenku glinu nie występuje on w nim w stanie wolnym, ponieważ jest on częścią sieci krystalicznej.

W latach 60. wprowadzono porcelanę glinową. Jest ona podobna do opisywanej wcześniej, ale dodanie krystalicznego tlenku glinu, stanowiącego 40-50% masy powoduje wzmocnienie materiału.

Tlenek gli­nu ma większą wytrzymałość mechaniczną przy od­kształceniach niż porcelana. Jego obecność ograni­cza rozprzestrzenianie się w materiale mikropęknięć, działa więc jako czynnik wzmacniający.

3. duża twardość

4. duży współczynnik kurczliwości podczas wy­palania materiału

Podczas wypalania materiału następuje utrata pozostałej wody i ewentualnie obecnych lepiszczy. Skurcz objętościowy zawiera się w granicach 30­-40% i jest związany głównie z eliminacją pustych przestrzeni w trakcie spiekania materiału. Problem ten jest szczególnie istotny przy wykonywaniu ce­ramicznych wkładów. Metodą zapobiegania skurczowi porcelany jest stosowanie ceramiki formowanej przetłocznie. Polega to na zastosowaniu mieszaniny korundu (tlenku glinu), MgO, stopionego szkła glinokrzemianowego, wo­sku i żywicy silikonowej stanowiącej plastyfika­tor.

Element modeluje się na odlewie z masy epo­ksydowej metodą formowania przetłocznego.

Podczas wypalania tlenek glinu reaguje z tlen­kiem magnezu, tworząc spinel glinianu magnezu. (MgAl204). Licówki z porcelany estetycznej wypala się na utworzonym z ceramiki przetłocznej elemen­cie. Podczas wypalania, tworzeniu spinela towarzy­szy rozszerzanie się materiału, co kompensuje skurcz ceramiki. Właściwości mechaniczne - zbliżone do innych współczesnych typów ceramiki dentystycznej.

5. Porowatość

W sposób nieunikniony wypalona porcelana za­wiera szereg pęcherzyków powietrza. Powoduje to osłabienie materiału i zmniejsza jego przezroczy­stość.

Obecnie w celu zmniejszenia ilości pustych przestrzeni w materiale stosuje się następujące metody:

wypalanie próżniowe - mające na celu usunię­cie powietrza z otoczenia materiału,

wypalanie w środowisku gazu mającego zdol­ność dyfuzji z porcelany,

chłodzenie ciśnieniowe - mające za zadanie zmniejszenie wielkości powstających porów.

Porcelany sto­sowane w wykonawstwie uzupełnień protety­cznych powinny wykazywać następujące wła­ściwości:

· Niską temperaturę topliwości;

· Wysoką lepkość;

· Odporność na zeszkliwienie.

Właściwości te uzyskuje się przez dodatek różnych tlenków do podstawowej struktury porcelany.

Obniżenie temperatury topnienia porcela­ny można uzyskać przez zredukowanie wią­zań między tlenem i krzemem, co można osiągnąć przez dodanie do niej takich sub­stancji modyfikujących jak tlenki potasu oraz tlenki sodu i wapnia, przy czym związki te wy­kazują także niekorzystne oddziaływanie, po­wodując zmniejszenie lepkości porcelany. Wysoką odporność porcelany dentystycznej na „spływanie" i utrzymywanie podstawowego kształtu obiektu podczas procesu napalania zapewniają tlenki pośrednie w postaci tlenku glinu wprowadzanego do siatki krystalicznej tworzonej przez atomy krzemu i tlenu.

Zbyt wysoki dodatek środków modyfikują­cych wiązania tetrahedralnej siatki SiO4 po­woduje jednak tendencję do zeszkliwiania lub krystalizacji porcelany. Rodzi to szczególne problemy w porcelanach o wysokim współ­czynniku rozszerzalności, ponieważ substan­cje alkaliczne wprowadzone do przerwania wiązań między krzemem i tlenem zwiększają dodatkowo ich ekspansję, a ponadto podczas wielokrotnego wypalania porcelany mogą prowadzić do jej zeszkliwienia wyrażającego się mlecznym nieprzeziernym wyglądem, co z kolei powoduje trudności w końcowym na­kładaniu warstwy glazury.

Porcelany można podzielić w zależności od stopnia (temperatury) topnienia na:

1. Wysoko topliwe 1290-1370°C;

2. Średnio topliwe 1090-1260°C;

3. Nisko topliwe ­860-1070°C.

Porcelany wysoko topliwe są stosowane głównie w produkcji zębów porcelanowych do protez ruchomych, chociaż można je także wykorzystywać do wykonania jednolitych koron porcelanowych (pochewkowych, inaczej zwanych ko­ronami jacketowymi). Ty­powe porcelany tego typu stanowią kompozy­cję następujących składników:

· szpat polny (ortoklaz) 70-90%;

· kwarc 11-18%;

· kaolin 1-10%.

Szpat polny stanowiący główny składnik porcelany jest dwutlenkiem krzemu występu­jącym w postaci następujących związków: Na20 x Al203 x 6Si02 oraz K20 x Al203 x SiO2. Podczas topienia przyjmuje on szklistą formę nadającą porcelanie właściwość przezierności, inaczej translucencji. Materiał ten sta­nowi matrycę dla wysoko topliwego kwarcu (SiO2) tworzącego na nim rodzaj ogniotrwa­łego szkieletu, na którym topią się z kolei inne składniki porcelany bez powodowania zmiany kształtu wypalanego obiektu. Kaolin, zwany również glinką porcelanową, jest materiałem o właściwościach kleistych wiążącym po­szczególne składniki porcelany w stanie "su­rowym", tj. przed jej wypaleniem.

Nisko i średnio topliwe porcelany produko­wane są w procesie zwanym frytowaniem, po­legającym na stopieniu surowych minerałów wchodzących w skład porcelany, a następnie ich oziębieniu i rozdrobnieniu do postaci spro­szkowanej o wyjątkowo drobnym ziarnie. Pro­szek ten użyty do wykonania uzupełnień ule­ga w procesie wypalania stopieniu w niskiej temperaturze bez wywiązywania się piroche­micznych reakcji. Skład typowych porcelan nisko i średnio topliwych przedstawia tabela 1.

Tabela 1. Skład porcelany dentystycznej

Skład porcelany dentystycznej

Nisko-

topliwej

Średnio-

topliwej

Dwutlenek krzemu

69,4

64,2

Tlenek boru

7,5

2,8

Tlenek wapnia

1,9

-

...