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 неопределенно долго.

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. При температуре.

1100… 1300 °C 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:

• 1) стекловидная изотропная масса, состоящая из полевошпатного стекла с различной степенью насыщения (А1₂0₃; Si0₂);
• 2) не растворившиеся в стекле оплавленные частицы кварца;
• 3) кристаллы муллита ЗА1₂0₃ • 2Si0₂, распределенные в расплаве кремнеземполевошпатного стекла;
• 4) поры.

Стекловидная изотропная масса в современных стоматологических фарфорах составляет их основную массу. Она определяет 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. Очень высокая температура обжига приводит к появлению на поверхности изделия мелких пузырьков. При чрезмерном увеличении количества стеклофазы прочность фарфора уменьшается.

Нс растворившиеся 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. По мере образования стекловидной фазы пористость снижается. При этом повышается плотность материала и сокращаются размеры изделия. Полному уничтожению пор мешают заключенные в них пузырьки газов, которые образуются в результате физико-химического взаимодействия отдельных компонентов массы. Высокая вязкость полевошпатного стекла мешает удалению газовых пузырьков из фарфорового материала, поэтому в нем присутствует большое количество закрытых пор.

Современный стоматологический фарфор по температуре обжига классифицируется как тугоплавкий (1300… 1370 °С), среднеплавкий (1090…1260 °С) и низкоплавкий (870…1065 °С) [6]. Примерный состав компонентов фарфора приведен в табл. 2.2.

Тугоплавкий фарфор обычно используется для фабричного изготовления искусственных зубов в съемных протезах.

Таблица 2.2.

Состав тугоплавкого, среднеплавкого и низкоплавкого фарфора

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

Огнеупорностью называют свойство материалов противостоять, не расплавляясь, воздействию высоких температур. Огнеупорность — это физическое понятие, а не техническая константа материала; огнеупорность не следует смешивать с температурой плавления. Огнеупорность материала — это температура деформации образца — пироскопа определенных размеров при известных условиях нагревания. Пироскоп представляет собой трехгранный усеченный конус высотой 30 мм со стороной нижнего основания 8 мм, верхнего 2 мм. Из испытываемого материала изготавливается образец таких же размеров. Огнеупорность материала обозначают номером того пироскопа, который деформируется (падает) при данной температуре нагрева. Если испытываемый образец деформируется в интервале температур падения двух смежных пироскопов, то его огнеупорность обозначают двумя номерами, написанными последовательно. В скобках указывают температуру падения пироскопа. Во время испытания подставку с образцами осторожно помещают в центр жарового пространства печи на высоту середины зоны наивысшей температуры. Температура в печи при этом должна быть не выше 1000 °C. Затем включают устройство для вращения подставки и поднимают температуру. Падение пироскопа определяют в тот момент, когда он наклонится и коснется вершиной подставки.

При изготовлении коронок, вкладок, мостовидных протезов фарфоровый порошок смешивают с дистиллированной водой до консистенции густой кашицы. Фарфоровую суспензию наносят на матрицу из платиновой фольги, или на огнеупорную модель для приготовления вкладок, или непосредственно на металл при облицовке фарфором металлических несъемных протезов. Суспензию тщательно конденсируют, избыток воды удаляют фильтровальной бумагой. После этого изделие устанавливают на керамический поднос и подсушивают во входном отверстии вакуумной печи. Затем протез ставят в печь и обжигают согласно режиму, который рекомендует изготовитель фарфорового материала. При изготовлении металлокерамических коронок для достижения необходимого косметического эффекта керамическое покрытие наносят, как минимум, тремя слоями, различными по своему химическому составу (рис. 2.2), формируют грунт, дентин и эмаль искусственного зуба по аналогии с натуральными зубами. Свойства получаемых покрытий приведены в табл. 2.3.

Рис. 2.2. Остаток зуба с надетой на него металлокерамической коронкой:

• 1 — эмаль; 2 — дентин; 3 — грунт;
• 4 — металлическая коронка; 5 — остаток зуба

Таблица 2.3.

Требования к физическим и химическим свойствам керамики для металлокерамических протезов по международным стандартам

Оптические свойства фарфора — это одно 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. Световые волны разной длины, попадая на поверхность зуба, поглощаются, отражаются и преломляются. Короткие волны (менее 400 нм) отражаются от эмали режущего края зуба, создавая голубоватый оттенок. Длинные волны, проходя через срединную часть зуба, содержащую основную массу твердых тканей, отражаясь и преломляясь, образуют множество цветовых оттенков от желто-оранжевого до голубого. В пришеечной части эмаль резко утончается. Этот участок имеет цвет от желто-оранжевого до коричневого [2, 4, 6].

Стоматологический фарфор также является гетерогенным по структуре материалом. При правильном соотношении между стеклофазой и замутнителями фарфора его оптические качества очень близки к натуральным. Но 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 суспензии составляет 20…45%.

Существует 4 способа уменьшения газовых пор:

• 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 не пригоден 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, т. к. пузырьки газа восстанавливаются 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 намного меньше, чем у мелкозернистых материалов.

Из указанных 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, который обжигают 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;
• • испарение жидкости, введенной при приготовлении фарфоровой суспензии;
• • 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, т. к. в современных печах гарантировано равномерное распределение тепла, а сила тяжести невелика. Усадка в направлении больших масс значительно выше. Масса в расплаве из-за поверхностного натяжения и связи между частицами стремится принять форму капли. При этом она подтягивается от периферических участков (т. е. от шейки коронки, например) к центральной части коронки (к большей массе фарфора), и это 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 сжатии (4600…8000 кг/см²);
• • прочность при изгибе (447…625 кг/см²).

Технологические условия, которые существенно влияют на прочностные показатели:

• • необходимое уплотнение материала, т. е. конденсация частичек фарфора;
• • 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.

Большое влияние на прочность оказывает метод конденсации. Существует 4 метода конденсации:

• • электрохимической вибрацией;
• • колонковой кистью;
• • методом гравитации (без конденсации);
• • рифленым инструментом.

Большинство исследователей считает, что наилучшего уплотнения фарфоровой массы можно достигнуть рифленым инструментом с последующим применением давления фильтровальной бумагой при отсасывании жидкости.

Кроме того, необходимо учитывать следующее:

• 1) начало обжига должно совпадать с началом разряжения атмосферы рабочей камеры печи;
• 2) при достижении оптимальной температуры обжига в печи должен быть достигнут полный вакуум;
• 3) увеличение количества обжигов снижает прочность фарфора из-за увеличения количества стеклофазы;
• 4) обжиг при температуре, превышающей оптимальную, уменьшает прочность из-за чрезмерного увеличения стеклофазы;
• 5) обжиг при температуре ниже оптимальной для данной массы снижает прочность из-за недостатка стеклофазы;
• 6) время обжига в вакууме при достижении оптимальной температуры обжига не более 2 мин (при увеличении времени выдержки под вакуумом даже при оптимальной температуре прочность фарфора уменьшается) [6].