Вы здесь

Свойства стоматологического фарфора

По физическим свойствам стоматологические фарфоры ближе 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 точки плавления, а характеризуются интервалом размягчения. Фарфор образуется в результате сложного физико-химического процесса взаимодействия компонентов фарфоровой массы при высокой температуре. При температуре 1100—1300 °С калиевый полевой шпат превращается в калиевое полевошпатовое стекло. Каолин и кварц имеют более высокую точку плавления, чем полевой шпат. Однако в расплаве полевошпатового стекла каолин и кварц взаимодействуют со стеклом. При этом каолин образует игольчатые кристаллы муллита, пронизывающие всю массу фарфора. Частицы кварца в расплаве стекла оплавляются, теряют игольчатую форму, и небольшое количество их переходит в расплав стекла.

Многочисленными микроскопическими исследованиями рудников установлены следующие основные структурные элементы фарфора:

  • 1) стекловидная изотропная масса, состоящая из полевошпатового стекла с различной степенью насыщения (Al2O3 и 2SiO2);
  • 2) нерастворившиеся в стекле оплавленные частицы кварца;
  • 3) кристаллы муллита ЗAl2O3 • 2SiO2, распределенные в расплаве кремнеземполево-шпатового стекла;
  • 4) поры.

Стекловидная изотропная масса в современных стоматологических фарфорах составляет основную массу фарфора. Она обусловливает его качество и свойства. Количество стеклофазы возрастает при повышении температурь плавления и увеличения времени плавки. При чрезмерном увеличении стеклофазы прочность фарфора уменьшается. Нерастворившиеся в полевошпатовом 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. По мере образования стекловидной фазы пористость снижается, повышается плотность материала и соответственно сокращаются размеры изделия. Полному уничтожению пор мешают заключенные в них пузырьки газов, образующихся в результате физико-химического взаимодействия отдельных компонентов массы. Высокая вязкость полевошпатового стекла мешает удалению газовых пузырьков из фарфорового материала, чем и обусловливается образование закрытых пор. Подробнее о влиянии пор (пористости) на прочность и прозрачность фарфора сказано ниже.

Классификация фарфоровых масс. Современный стоматологический фарфор по температуре обжига классифицируется на тугоплавкий (1300—1370 °С), среднеплавкий (1090—1260 °С) и низкоплавкий (870—1065 °С). Тугоплавкий фарфор состоит из 81% полевого шпата, 15% кварца, 4% каолина. Среднеплавкий фарфор содержит 61% полевого шпата, 29% кварца, 10% различных плавней. В состав низкоплавкого фарфора входит 60% полевого шпата, 12% кварца, 28% плавней. Тугоплавкий фарфор обычно используется для изготовления искусственных зубов фабричным путем. Средне-плавкие и низкоплавкие фарфоры применяются для изготовления коронок, вкладок и мостовидных протезов. Использование низкоплавких и среднеплавких фарфоров позволило применять обжигные печи с нихромовыми и другими недорогими нагревателями. При изготовлении 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 огнеупорный материал при изготовлении вкладок или непосредственно на металл при облицовке фарфором металлических несъемных протезов. Кашицу тщательно конденсируют, избыток воды удаляют фильтровальной бумагой. После этого изделие устанавливают на керамический поднос и подсушивают во входном отверстии печи. Затем обжигаемый протез вводят в печь. Обжиг проводят согласно режиму, рекомендуемому заводом-изготовителем фарфорового материала.

Оптические свойства фарфора. 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. Стоматологический фарфор является также гетерогенным по структуре материалом.

Прозрачный полевошпатовый расплав стекла замутнен включениями светопреломляющих кристаллов кварца, муллита, глинозема и воздушными пузырьками. Оптический эффект фарфора близок к таковому естественных зубов в тех случаях, когда удается найти правильное соотношение между стеклофа-зой и замутнителями фарфора. Обычно этому мешают большое количество воздушных пор и замутняющее действие кристаллов. Уменьшение кристаллических включений приводит к повышению пиропластических 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. Рассмотрим его более подробно.

Поскольку термопластические реакции между составными частями фарфоровой массы в основном заканчиваются во время первоначального обжига — фриттования, целью обжига изделия является сплавление частиц порошка вместе. Перед обжигом пространства между частицами заполнены либо воздухом, либо водой. По мере нагревания печи вода испаряется и пространства между частичками заполняются атмосферой печи. До обжига суммарный объем воздушных включений сконденсированной фapфqpoвoй кашицы составляет 20—45%. В начале обжига образуется жидкая стеклофаза, которая заполняет пустоты. Устранение пустот между частичками зависит от достигнутой температуры, величины жидкой фазы, вязкости жидкой фазы, близости частиц, наличия задерживающихся газов. Сплавление частиц фарфора, ввиду плохой теплопроводности материала, начинается с поверхностных слоев. Поскольку расплавленная масса имеет высокую вязкость, воздух, заключенный в более глубоких слоях, выйти наружу не может. Помимо того, что часть воздуха задерживается в глубоких слоях фарфора, имеются и другие источники появления газов. К ним относятся газы, образующиеся в результате сщрания пластификаторов, анилиновых красок, испарения флюсующихся материалов (плавней), сгорания загрязнений матрицы.

Для уменьшения или устранения газовых пор было 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 диффузионном газе (водород, гелий). Обычную атмосферу печи заполняют способным к диффузии газом. Во время обжига воздух выходит из промежутков и щелей фарфора, а диффузионный газ заполняет их. При плавке диффузионный газ выходит наружу через фарфор или растворяется в нем. Этот метод оказался непригодным 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 заключается в невозможности повторного разогрева и глазурования под атмосферным давлением, так как пузырьки газа восстанавливаются при этом до первоначальных размеров;
  • 4) для повышения прозрачности фарфора при атмосферном обжиге используется крупнозернистый материал. При обжиге такого фарфора образуются более крупные поры, но количество их значительно меньше, чем у мелкозернистых материалов.

Из предложенных выше четырех способов наибольшее распространение получил вакуумный обжиг, который применяется в настоящее время, как для изготовления протезов в зуботехнических лабораториях, так и на заводах при производстве искусственных зубов. Фарфор, обжигаемый в вакууме, имеет количество пор в 60 раз меньшее, чем фарфор при атмосферном обжиге. Вакуумный обжиг дает возможность придать стоматологическому фарфору желаемую прозрачность и окраску. Специфическое окрашивание материала можно регулировать добавлением замутнителей и красящих веществ. Если в качестве замутнителей использовать кристаллы окиси алюминия или циркония, можно дополнительно увеличить прочность материала.

Объемные изменения при обжиге. При обжиге фарфора имеет место значительная усадка фарфоровых масс (20—40%). Основная причина объемной усадки заключается в недостаточном уплотнении частичек керамической массы, между которыми остаются полости. В 1935 г. Clark сконденсировал сухой фарфоровый порошок в экспериментальный образец под давлением 150 т; усадка при обжиге была незначительной. Другими причинами объемных сокращений являются потеря жидкости, необходимой для приготовления фарфоровой кашицы, и выгорание органических добавок (декстрин, сахар, крахмал, анилиновые красители).

Практическое значение имеет направление объемной усадки. Наибольшая усадка фарфора идет в сторону большего тепла, в направлении силы тяжести и в направлении большей массы. В первом и втором случае усадка незначительна, так как в современных печах гарантировано равномерное распределение тепла, а сила тяжести невелика, поскольку применяются небольшие количества фарфора. Усадка в направлении больших масс значительно выше. Масса в расплаве в силу поверхностного натяжения и связи между частицами стремится принять форму капли. При этом она подтягивается от периферических участков к центральной части коронки, к большей массе фарфора. При изготовлении фарфоровой коронки керамическая масса, сокращаясь, движется от шейки зуба в сторону центра коронки, приподнимая при этом платиновую матрицу. Вследствие этого может появиться щель между коронкой и уступом модели обточенного зуба.



Прочность фарфора. Основным показателем прочности фарфора является прочность при растяжении, сжатии и изгибе. Стоматологический фарфор имеет высокую прочность при сжатии (4600—8000 кг/см2). Такие нагрузки в полости рта не достигаются. Однако прочность стоматологического фарфора при изгибе относительно невелика (447—625 кг/см2).

Основной характеристикой прочности стоматологического фарфора принято считать величину прочности при изгибе. Прочность какого-либо определенного фарфора зависит не только от его состава и технологии производства, но и в значительной степени от способа обращения с ним. Так, большое влияние на прочность оказывает метод конденсации частичек фарфора. Существует четыре метода конденсации: рифленым инструментом, электромеханической вибрацией, конденсация кистью, метод гравитации (без конденсации). Большинство авторов считают, что наилучшего уплотнения фарфоровой массы можно достигнуть рифлением с последующим применением давления фильтровальной бумагой при отсасывании жидкости. Наряду с оптимальным уплотнением материала имеет большое значение хорошее просушивание керамической массы перед обжигом.

Большое значение для прочности фарфора имеет последующее проведение обжига. Обычно стоматологическое изделие проходит обжиг 3—4 раза. Большое количество обжигов уменьшает прочность материала ввиду его остекловывания. Каждый из видов фарфора имеет оптимальную температypy обжига. Отклонение от этой температуры в сторону понижения или повышения ее приводит к уменьшению прочности фарфора. В первом случае происходит неполное сплавление материала (т. е. образуется недостаточное количество стеклофазы), во втором — чрезмерное увеличение стеклофазы за счет кристаллической фазы. При достижении температуры обжига изделие должно быть выдержано под вакуумом 1—2 мин. Продление времени обжига дает заметное снижение прочности. Обжиг фарфора должен быть окончен глазурованием. Исследования прочности фарфора показали, что глазурованная поверхность придает большую прочность изделию. Обожженные вакуумным способом коронки хорошо шлифуются и полируются. В то же время рекомендуется избегать сошлифовки глазурованной поверхности, так как при этом прочность падает. В отдельных случаях глазурованную поверхность все же сошлифовывают для уменьшения стираемости зубов-антагонистов. В отношении влияния пор на прочность обжигаемого изделия мнения исследователей не совпадают. Большинство авторов указывают, что обжиг в вакууме снижает пористость и повышает прочность фарфора.

Прочность фарфора зависит также от способа применения вакуума на различных этапах обжига. Начало обжига должно совпадать с началом разряжения атмосферы печи. При достижении температуры обжига вакуум должен быть полным. Время обжига в вакууме при достижении необходимой температуры не должно превышать 2 мин. Лучшие сорта стоматологического фарфора при соблюдении оптимальных режимов изготовления изделий имеют прочность при изгибе 600—700 кг/см2. Подобная прочность стоматологического материала является недостаточной, поэтому продолжаются поиски путей повышения прочности фарфора.

Один из путей — введение в стекло или фарфор кристаллических частичек высокой прочности и эластичности, имеющих одинаковый коэффициент термического расширения со стеклом или фарфором, что приводит к значительному повышению прочности изделия. При этом прочность повышается 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 напряжений, которые хорошо видны под поляризационным микроскопом. Трещины в фарфоре, усиленном кварцем, проходят по зонам напряжения, минуя кристаллы.

I. McLean и Н. Huges в 1965 г. предложили использовать глиноземный (алюмооксидный) фарфор. Принцип их открытия заключается в добавлении частичек окиси алюминия к некоторым сортам фарфора. Механическая прочность сплавленной окиси алюминия в 7 раз больше, чем у стоматологического фарфора. Температура плавления окиси алюминия 2000°С. Температура обжига алюмооксидного фарфора 1650—1750 °С. Снижение температуры обжига достигается введением в окись алюминия других минеральных веществ. Так, глиноземный фарфор содержит 60% стоматологического фарфора и 40% окиси алюминия, что позволило снизить температуру обжига до 1050 °С. Прочность нового керамического материала вдвое превышает прочность лучших сортов стоматологического фарфора. Поскольку окись 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».

Практическое применение стоматологического фарфора. Индивидуально обожженные коронки из фарфорового материала в эстетическом отношении представляют собой оптимальный вид протеза при восстановлении одиночного зуба во фронтальном участке зубного ряда.

Изготовление фарфоровой коронки. Для обжига фарфоровой коронки необходимо прочное основание — матрица, которая должна выдерживать температуру обжига фарфора, не искажать цвета и точности коронки. Этим требованиям полностью отвечает матрица, изготовленная из платины. Хотя платина относительно дорогой благородный металл, пока не удалось найти равноценную замену. Платина имеет высокую температуру плавления (1773,5 °С) и не образует окрашенных окислов. Она легко вальцуется в тонкую, но достаточно жесткую фольгу (0,025 мм). Коэффициент термического расширения ее соответствует таковому фарфоровой массы. Платиновая фольга может быть легко отделена от готовой обожженной коронки, так что потери в целом очень малы. Остатки ее могут быть переплавлены и превращены в новую фольгу.

Обычно при изготовлении фарфоровой коронки производят 3—4 обжига. В настоящее время Таганрогским заводом электротермического оборудования налажен серийный выпуск отечественных электрических печей для вакуумного обжига фарфора. При первом обжиге производят моделирование внутреннего слоя коронки. Фарфоровый порошок замешивают с дистиллированной водой до консистенции густой кашицы. Для нанесения фарфоровой кашицы используют специальный шпатель и колонковые кисточки. На платиновую матрицу, надетую на модель зуба, наносят первый слой фарфоровой массы (керн-масса) и проводят первый обжиг по рекомендованному изготовителем режиму. Если при осмотре обожженной коронки выявлены трещины, то их расширяют, вновь заполняют фарфоровой кашицей и проводят дополнительный обжиг в том же режиме.

При втором обжиге добиваются получения предварительной формы коронки. Этот этап является наиболее трудоемким и сложным, включает в себя моделирование коронки из дентин-массы и прозрачной массы, обжиг и коррекцию формы коронки шлифованием. Учитывая последующую усадку материала в объеме в процессе обжига (на 30—35%), моделируемую коронку увеличивают соответственно на треть размера. При необходимости на коронке создают «меловые пятна», трещины и другие индивидуальные особенности зуба. После обжига проводят коррекцию коронки, придавая ей конечную форму. После примерки коронки в клинике производят третий обжиг (глазурование). Если первые два обжига ведутся в вакууме, то третий — в атмосферной среде. Для повышения эстетических свойств коронки используют специальные краски для подкрашивания обожженного (после второго обжига) фарфора перед глазурованием.