不同离子交换时间和温度对白榴石增强陶瓷弯曲强度的影响

　　作者：王辉, 陈吉华, 施长溪, 沈丽娟    作者单位：第四军医大学口腔医学院修复科，陕西 西安 710033

　　【摘要】目的: 研究不同离子交换时间和温度对白榴石增强陶瓷双轴弯曲强度的影响，为临床应用提供参考. 方法: 试件的蜡型制作采用将融化的铸造蜡灌注于机械加工模具内，制成厚度和直径一致的蜡型. 厚度为2.0 mm，直径为18 mm圆片，共90个. 实验分组首先按照同一时间下不同温度即离子交换温度为400℃，450℃，500℃，离子交换时间为3 h，每组试件10个. 然后在确定最佳离子交换温度的基础上以不同时间分组即交换时间为3，5，7，9，11 h，每组试件10个. 以不做打磨、上釉和离子交换的为对照组，试件为10个. 根据ASTM标准 F39478.1991（美国材料实验协会）测试试件的双轴弯曲强度. 经oneway ANOVA及KruskalWallis秩和检验统计分析各实验组. 结果: 同一处理时间不同处理温度下的双轴弯曲强度经统计分析可知有统计学差异(P<0.01). 同一处理温度不同处理时间下的双轴弯曲强度经统计分析可知有统计学差异(P<0.01). 与对照组比较均存在统计学差异(P<0.01). 结论: cerinate热压铸陶瓷的离子交换处理较佳的温度为450℃，时间为11 h.

　　【关键词】  牙瓷料；陶瓷；离子交换；双轴弯曲强度

　　Effect of different time/temperature of ion exchange on the biaxial flexural strength of heat pressed ceramic

    WANG Hui, CHEN JiHua,  SHI ChangXi, SHEN LiJuan

    Department of Prosthodontics, College of Stomatology, Fourth Military Medical University, Xian 710033, China

    【Abstract】 AIM: To study the effect of different time/temperature of ion exchange on the biaxial flexural strength of heat pressed ceramic. METHODS: Eighty disks of Cerinate ceramic specimens (shade 2), 18 mm in diameter and 2.0 mm thick, were prepared. The specimens were manufactured according to the companys recommendations. Ten disks were used as controls. The remaining disks were divided into 7 groups of 10 disks each and ionexchanged specimens were made by the treatment of potassium salt at 400℃, 450℃, 500℃ for 3 h and at the optimal temperature for 5, 7, 9, 11 h. The biaxial flexural strength was evaluated by a threepoint bending in a universal machine according to ASTM Standard (F39478.1991). RESULTS: The biaxial flexural strength had significant difference among different treatment temperature and time groups (P<0.01). Compared with control group, the biaxial flexural strength of each experimental group was also statistically significantly different (P<0.01).  CONCLUSION: The ionexchange process of the Cerinate hot pressed ceramic should be performed at 450℃ for 11 h.

    【Keywords】 dental porcelain; porcelain; ionexchange; biaxial flexural strength

　　 0引言

    随着人们对牙科修复体的美观要求的增加,越来越多的临床医生关注于陶瓷材料的美观性和生物相容性，但由于陶瓷材料自身的缺点如脆性大、强度差. 作为牙科修复材料在烧结过程中在瓷表面形成张应力和微裂纹，从而降低了陶瓷的强度，影响其在口腔复杂的化学环境下的使用寿命. 因此应运而生了陶瓷表面增强技术，以减少和防止陶瓷表面微裂纹的产生和扩散. 陶瓷表面增强技术的离子在陶瓷表面的扩散率受交换的温度和交换时间的影响，因此需要确定最佳的交换时间和温度，使热压铸陶瓷表面强度获得最佳, 为临床应用提供依据和参考.

    1材料和方法

    1.1材料Cerinate全瓷修复体系(DenMat Corp, California, USA)；Autopress热压铸瓷炉(Jeneric/Pentron, wallingford, USA)；万能测试仪Autograph(No. 130103600805 Japan)；测厚仪(Germany)；离子交换剂KNO3（天津耀华化学试剂有限公司，批号：20000801）；Cerinate烤瓷炉(DenMat Corp., California, USA)；Radiance Burnout Furnace烤箱(USA).

    1.2方法

    1.2.1试件制备试件的蜡型制作采用将融化的铸造蜡灌注于机械加工模具内. 去除溢出的软蜡，待蜡型冷却后取出，制成厚度和直径一致的蜡型. 将厚度为2.0 mm，直径为18 mm蜡型圆片立专用底座，外用纸围圈包埋采用全瓷专用包埋料粉100 g混合20 mL包埋液+5 mL蒸馏水，真空搅拌60 s，包埋，静置1 h后去除底座及外圈纸. 试件的加工工艺过程按照厂家提供的参数进行加工. 待铸圈冷却后，喷砂去除包埋料， 砂粒为50 μm， 压力为1500.124 mmHg（1 mmHg=0.133 kPa），金钢砂片切除铸道，金钢砂车车打磨，采用千分尺测量其厚度和直经，使其最终厚度为（2.0±0.1）mm，直径为（18.0±0.1）mm. 发现任何拆裂，或裂缝则重新制做，实验组共80个试件. 试件依次采用普通粗沙纸、320目、400目、600目打磨. 再经超声清洗，试件放入烤瓷炉内上釉，上釉程序按制造商推荐的程序. 实验分组首先按照同一时间下不同温度即离子交换温度为400℃，450℃，500℃，离子交换时间为3 h，每组试件10个. 然后在确定最佳离子交换温度的基础上以不同时间分组即交换时间为3，5，7，9，11 h，每组试件10个. 将打磨、上釉完成的试件随即放入三氧化二铝烧杯中，浸泡于固态的硝酸钾离子交换剂中，将烧杯放置于烤箱内，自室温开始分别升温至400℃，450℃，500℃升温速度为3℃/min，保持3，5，7，9，11 h. 完成后立刻从烤箱中取出烧杯，室温冷却，同时去除试件表面的残余的离子交换剂. 以不做离子交换的为对照组(n=10).

    1.2.2测试根据ASTM标准F39478.1991（美国材料实验协会），采用三点弯曲实验. 将试件放置于测试装置上，装置上部为三半球支柱，半球直径为3.18 mm，半球间夹角为120°. 在试件与半球间放置厚度为0.05 mm的塑料薄片，将测试装置于万能测试仪底座上压力由直径为1.58 mm的圆形钢头加载，传感器为2000 N，压力通过压头以0.25 mm/min的速度加载直至碎裂，计算机记录碎裂载荷. 双轴弯曲强度计算公式为: S=-0.2387P(X-Y)/d2. X=(1+v)1n(B/C)2+［(1-v)/2］(B/C)2, Y=(1+v)［1+1n(A/C)2］+(1-v)(A/C)2. 其中P为碎裂载荷(N)，A为支柱半径(mm)，B为加载半径(mm)，C为试件的半径(mm)，d为试件厚度(mm)，v为设定的泊松比（0.25）.

    统计学处理: SPSS13.0软件分析比较同一处理温度不同处理时间下的双轴弯曲强度及相同处理时间不同处理温度下的双轴弯曲强度(α=0.05).

    2结果

    方差齐性检验发现，第一部分实验数据方差不齐，故采用KruskalWallis秩和检验. 统计学分析可知，同一处理时间不同处理温度下的各组双轴弯曲强度之间均有统计学差异(P<0.01，表1). 各组与对照组比较均存在统计学差异(P<0.01)；单因素方差分析表明，同一处理温度不同处理时间下的双轴弯曲强度间也存在统计学差异(P<0.01,表2). LSD检验证实各组与对照组比较均存在统计学差异(P<0.01).表1不同温度下离子交换处理3h热压铸陶瓷的双轴弯曲强度表2不同处理时间450℃下离子交换处理热压铸陶瓷的双轴弯曲强度

    3讨论

    Dunn等［1］发现过高和过低的温度都不能获得最大的强度,在高温下过度延长处理时间反而会降低强度. 离子扩散和应力释放都取决于温度，因此多数学者认为其影响大于时间因素. K+在玻璃基体中的扩散符合Arhenius方程［2］：D=Doexp(-Q/RT) （其中，D为扩散深度，Do为扩散常数，Q为活化能，R为气体定律常数，T为绝对温度. 当较大的K+扩散于玻璃基体中，替代了体积较小的Na+时，在陶瓷表面形成压应力）. 这种压应力并不能阻止裂纹的产生，但可以阻止裂纹的延伸. 随温度升高，离子扩散速度加快. 大体积离子进入形成压应力层. 随温度升高的同时，应力释放的过程也加速，符合Arhenius方程［3］：n=n0exp(Q/RT) （n：粘性，n0：粘性常数）. 随温度升高，玻璃基质粘度迅速下降. 粘度下降使玻璃相分子流动加快，最终形成玻璃质的流动体导致应力释放. 本试验我们着重研究离子交换时温度、时间的变化对K+离子扩散和应力释放的影响，主要是通过对弯曲强度的影响来反映. 虽然以弯曲强度的变化不能精确反映离子扩散和应力释放的过程，但仍不失为一个常用而简便的方法［4］.

    本试验中的温度范围在400℃～500℃之间,是因为离子交换剂硝酸钾的沸点为400℃, K+的活动性最为活跃. 而当温度大于500℃时，硝酸钾溶液将发生离子溶解，从而降低了离子交换的效果. 离子交换时间以3 h为起点是因为离子交换时间小于3 h，试件的硬度随时间增加而增加，大于3 h后，硬度随时间延长而降低［5］. 从本试验中可得知，当温度达到450℃时，弯曲强度为最大(P<0.01). 通过以往的研究显示［6］，适当的离子交换时间可以使强度增加，在450℃的离子交换温度时，弯曲强度随时间延长而增加(P<0.01). 当离子交换时间达到11 h，其弯曲强度已可以满足临床的要求，这与国外学者的研究是一致的［7］. 是否延长离子交换时间其弯曲强度仍会继续增加，有待进一步实验证明. 本试验我们所采用的Cerinate热压铸瓷据报道三点弯曲强度可达到118.2 MPa［8］,本试验的双轴弯曲强度为81.5 MPa,可能是实验方法不同造成的. Cerinate热压铸瓷经离子交换的双轴弯曲强度提高了167%，这较以往研究的经离子交换的双轴弯曲强度提高值（134%～170%）［4,9-10］较高或接近. 由于试验中对试件采取打磨、上釉等处理，然后再进行离子交换，这区别于以往研究［11-12］，可能是弯曲强度较其他研究的弯曲强度不同的原因之一.

    综上所述，热压铸陶瓷的离子交换处理较佳的温度为450℃，时间为11 h.

 

【参考文献】
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