铝酸钙水泥对氧化镁系包埋料性能的影响

余桂林,李 楠,李友胜,王贻宁

(1.武汉科技大学医学院,湖北武汉,430065;2.武汉科技大学耐火材料与高温陶瓷国家重点实验室培育基地,湖北武汉,430081;3.武汉大学口腔医学院,湖北武汉,430072)

口腔义齿制作通常采用熔模离心铸造法来得到精密度较高的铸件,其主要原理是利用铸造包埋料的热膨胀来补偿高熔合金的冷却收缩。因此,包埋料的性能直接影响到铸件的质量,改进包埋料性能已成为提高铸件精确度的关键所在[1-3]。钛及其合金以其良好的生物相容性和耐腐蚀性等突出优点而受到牙科行业的重视,但在口腔铸钛过程中,由于熔融钛液易与铸型包埋料发生反应,在铸件表面形成反应层,使其机械性能和耐腐蚀性降低,并且材料硬度和脆性增加。氧化镁系包埋料的突出优点就是与钛液反应少,铸造出的钛铸件表面光洁,污染极小[2],故受到牙科行业的青睐。

包埋料通常以高纯度电熔氧化镁为骨材,主要成分为方镁石,以铝酸钙水泥作为结合剂,用水混合,操作性能好,硬化时间适宜,脱模良好。铝酸钙水泥是耐火材料常用的结合剂,水化后产生的常温强度较高,烧后强度较低,很适合作包埋料的结合剂。包埋料在实际应用时需要良好的使用性能,如良好的流动性、适宜的初凝时间和耐压强度等[4-7]。为此,本文以铝酸钙水泥作为结合剂、电熔氧化镁和电熔白刚玉作为原料以及刚玉球作为混磨介质,在聚氨酯滚筒中混磨2 h后制得氧化镁系包埋料,研究了结合剂铝酸钙水泥含量对氧化镁系包埋料性能的影响,以期为氧化镁系包埋料的研制提供理论依据。

1 试验与方法

1.1 原料

试验所用原料主要有:①电熔氧化镁,其成分为方镁石,粒度为180目;②电熔白刚玉(wB为90%),粒度为320目;③铝酸钙水泥:拉法基71水泥,氧化铝含量约为71%;④自配添加剂。

1.2 配方和试样制备

氧化镁系包埋料配方如表1所示。

表1 氧化镁系包埋料的配方(w B/%)Table 1 Formula of investmentmaterial

按表1配方进行配料,以刚玉球作为混磨介质,在聚氨酯滚筒中混磨2 h后制得6类氧化镁系包埋料。

1.3 分析测试

(1)试样初凝时间的测试。初凝时间测定采用维氏针入度计测试,将锥状环形模具(顶部内径为70 mm,底部内径为60 mm,高为40 mm)内表面涂脱模剂后放于基底板上,调整维氏针入度计的刻度尺,使针接触基底板时读数为0。将100 g包埋料与33 m L蒸馏水手工调和30 s后倒入锥状环形模具中达到模具顶表面,直至微溢后,刮平表面。待调和物表面光泽完全消失时,放下针,直至接触调和物表面,然后轻轻地松开针,让其在自重下针入混合物中。每隔15 s重复操作,每次针入后将针擦净,并移动试样,使各针部位至少相距5 mm,以防同一部位针入2次,针入部位与模具边缘液至少相距5 mm。从调和开始至针第1次不能针入模具底部5 mm以内的时间,即为初凝时间。

(2)试样流动性的测试。将环形模具内(高为50 mm,内径为35 mm)表面涂上脱模剂,将模具底放在玻璃板(150 mm×150 mm)上。将100 g包埋料与33 mL蒸馏水在室温下手工调和30 s后注入模具内,直至微溢后,刮平调和物使其与模具顶平齐,在调和开始后120 s以约10 mm/s速度将模具垂直从板上提起,让调和物坍塌倒在玻璃板上。待调和物凝固后,测量固化的包埋料底部最大直径和最小直径,并计算其平均值。

(3)试样显气孔率、体积密度和耐压强度的测试。将100 g包埋料与33 m L蒸馏水在室温下手工调和30 s,将调拌后的包埋料倒入不锈钢圆柱体内,制成直径为20 mm、高为30 mm的试样,凝固脱模后静置于室内24 h,而后置入110℃干燥箱内烘干24 h,最后分别置入900℃和1 100℃烧结炉内热处理3 h。按GB/T2997—2000测量经110℃和900℃热处理后试样的体积密度和显气孔率;按GB/T3001—2000测量经110℃和900℃热处理后试样的耐压强度。

2 结果与讨论

2.1 铝酸钙水泥含量对包埋料性能的影响

图1 铝酸钙水泥加入量对氧化镁系包埋料初凝时间的影响Fig.1 Effect of content of CA cement on solidification time of investmentmaterial

图2 铝酸钙水泥加入量对氧化镁系包埋料流动性的影响Fig.2 Effect of content of CA cement on fluidity of investmentmaterial

图3 铝酸钙水泥加入量对氧化镁系包埋料显气孔率的影响Fig.3 Effect of content of CA cement on apparent porosity of investmentmaterial

图4 铝酸钙水泥加入量对氧化镁系包埋料体积密度的影响Fig.4 Effect of content of CA cement on bulk density of investmentmaterial

图1为铝酸钙水泥加入量对氧化镁系包埋料初凝时间的影响,图2为铝酸钙水泥加入量对氧化镁系包埋料流动性的影响。由图1和图2可看出,随着铝酸钙水泥含量的增加,包埋料的初凝时间缩短,流动性变差。图3为铝酸钙水泥加入量对氧化镁系包埋料显气孔率的影响,图4为铝酸钙水泥加入量对氧化镁系包埋料体积密度的影响。由图3和图4可看出,随着铝酸钙水泥含量的增加,110℃热处理后试样的显气孔率稍微下降,体积密度略微上升,但经900℃热处理后试样的显气孔率和体积密度变化不大,900℃热处理试样显气孔率略微上升,体积密度稍微下降。图5为铝酸钙水泥加入量对氧化镁系包埋料耐压强度的影响。由图5可看出,当铝酸钙水泥含量小于20%时,试样的强度几乎不随着铝酸钙水泥加入量的增加而变化。当铝酸钙水泥含量大于20%时,试样强度随着铝酸钙水泥含量的增加迅速上升。900℃热处理试样的耐压强度低于110℃热处理试样的耐压强度。

图5 铝酸钙水泥加入量对氧化镁系包埋料耐压强度的影响Fig.5 Effect of content of CA cement on compression strength of investmentmaterial

2.2 铝酸钙水泥结合剂作用机理分析

铝酸钙水泥的水化过程和水化产物与温度有着密切的关系。当温度不同时,水化反应的过程和产物也不同,即:

铝酸钙水泥硬化后的水化产物在加热过程中可发生脱水分解反应和结晶等变化。主要水化物CaO·A l2O3·10H2O(CA H10)、3CaO·A l2O3·6H2O(C3AH6)和A l2O3·3H2O(AH3)脱水反应以及与A l2O3可发生如下反应:

在水化物的脱水过程中,由于各种水合物密度的不同,使脱水前后的固体实体积变化很大。当发生3CA H10→C3A H6+2A H3+18H2O反应时,实体积缩小约为1/2;当发生3C2A H8→2C3A H6+A H3+9H2O反应时,实体积缩小约为2/3。C3A H6和A H3的脱水也与此相似[8]。

所谓水泥的凝结和硬化,确切地说应该是一个复杂的物理-化学过程。水泥熟料矿物遇水后会发生水解或水化反应而变成水化物,由这些水化物按照一定的方式靠多种引力相互搭接和联结形成水泥石的结构而产生强度。而水泥的凝结期间,其早期强度主要取决于水化产物铝酸三钙,因此随着铝酸钙水泥含量的增加,水化产物铝酸三钙形成越多,越有利于其凝固和强度的提高。图1和图5的试验结果也证实了这一现象。随着铝酸钙水泥含量的增加,包埋料的初凝时间缩短,耐压强度增强。由于水化物的增多,结合力增强,结构紧密,从而导致包埋料的流动性变差[9]。在试样加热至900℃过程中,水化物发生脱水,固体实体积缩小,水化物结构受到破坏,使其耐压强度低于110℃热处理试样的耐压强度,如图5所示。

由于铝酸钙水泥的真密度比电熔镁砂小,当用铝酸钙水泥等量取代电熔镁砂时,其体积百分含量是不等值的,堆积密度的变化导致随着铝酸钙水泥含量的增加,经110℃热处理后,试样的显气孔率下降,体积密度上升。经900℃热处理后,由于铝酸钙水泥水化物的脱水导致试样的显气孔率上升,体积密度下降。由于这一作用对试样的显气孔率和体积密度的影响很大,这样粉料堆积密度变化带来的影响可以忽略,因此,铝酸钙水泥的加入量对900℃热处理试样的显气孔率与体积密度的影响不大。由于铝酸钙水泥为水化物的脱水,对比110℃热处理试样,900℃热处理试样显气孔率上升,体积密度下降。

3 结论

(1)随着铝酸钙水泥含量的增加,氧化镁系包埋料的初凝时间缩短,流动性变差。

(2)对比110℃热处理试样,900℃热处理试样显气孔率上升,体积密度下降。

(3)铝酸钙水泥加入量大于20%时,可明显提高氧化镁系包埋料的耐压强度。

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