Alexandra Kloužková 1 Martina Mrázová 2 Martina Kohoutková 2 Vladimír Šatava 2

Transkript

1 Syntéza leucitové suroviny pro dentální kompozity 1 Ústav skla a keramiky VŠCHT Praha VYSOKÁ ŠKOLA CHEMICKO- TECHNOLOGICKÁ V PRAZE Alexandra Kloužková 1 Martina Mrázová 2 Martina Kohoutková 2 Vladimír Šatava 2 2 Laboratoř anorganických materiálů ÚACH AV ČR a VŠCHT Praha

2 Keramika v dentální protetice Historie! první nálezy primitivních dentálních implantátů pocházejí již ze starého Egypta! v Evropě vzniká v 18. století stomatologie jako samostatný obor! na začátku 18. století se začaly používat první zubní protézy ze slonoviny a kovu ( zlato, stříbro), později se objevují i protézy z porcelánu a plastu. Výhody keramiky! Barva! Tvrdost! Stálost barevných odstínů! Odolnost proti korozi v kyselém i alkalickém prostředí! biosnášenlivost Zásadní nedostatek! křehkost Řešení: kovo-keramické systémy celokeramické kompozitní systémy

3 Nové systémy- kovokeramika! snaha zlepšit mechanické vlastnosti zubní keramiky! problém při sladění koeficientu teplotní roztažnosti kovu! řešení LEUCITOVÁ KERAMIKA Kovová zubní konstrukce Metalo - keramický můstek Výhody leucitové keramiky:! zvýšení koeficientu teplotní roztažnosti materiálu! zvýšení lomové houževnatosti

4 Nové systémy- celokeramika Odstranění kovu -! není třeba opákní vrstvy! zvýšení biokompatibility! vysoká propustnost- zlepšení estetického vzhledu vynikající, od původních zubů téměř nerozeznatelný! celokeramické náhrady cenově dražší vzhledem k praskání - výroba především jednotlivých korunek a menších frontálních můstků Celokeramický frontální můstek zhotovený metodou frézování ze systému Cercon Výhody leucitové celokeramiky keramiky:! řízení koeficientu teplotní roztažnosti materiálu! zlepšení mechanických vlastností

5 Leucit (KAlSi 2 O 6 ) tektosilikát patřící do skupiny feldspatoidů struktura trojrozměrná kostra tvořená tetraedry AlO 4 a SiO 4 v dutinách kationty K + kompenzující záporný náboj skeletu dvě polymorfní modifikace vysokoteplotní kubická nízkoteplotní tetragonální krystal přírodního leucitu koeficient teplotní roztažnosti (KTR) - t-leucit 26,0 ± 0,9 x 10-6 / C [ C] - c-leucit 16,5 ± 0,4 x 10-6 / C [ C] (skleněná matrice 8 x 10-6 / C) (kovová konstrukce x 10-6 / C) struktura t-leucitu

6 Technologie přípravy Povrchová krystalizace - k nukleaci dochází pouze na povrchu skla Krystalizace z taveniny - vysokoteplotní zpracování časově náročné - obtížné řízení mikrostruktury materiálu Výbuch Vesuvu v roce 1774 Hydrotermáln lní syntéza - nízká teplota a tlak - krátké doby syntéz několik hodin - homogenní produkt Sol-gel -nečistoty, (resp. amorfní podíl) - časová náročnost - malé množství produktu

7 CÍL navržené technologie Oddělená příprava leucitu o požadované velikosti částic a matrice. Výsledný mikrokompozit pak bude získáván slinováním obou těchto fází. Výhodami této technologie jsou: - výrazně nižší teploty přípravy obou surovinových složek - slinování výsledného kompozitu bude cca. při 1000 C - možnost řídit mikrostrukturu výsledného kompozitu. Dílčí cíle : Příprava teragonálního leucitu o požadované velikosti částic v hydrotermálních podmínkách. Příprava kubické modifikace leucitu v hydrotermálních podmínkách, která by byla stabilní při pokojové teploty.

8 Zdroj SiO 2 Volba vstupních surovin : amorfní práškový SiO 2 (Polskie Odczynniki Chemiczne Gliwice, PL), koloidní sol SiO 2 (Ludox, Aldrich), saze SiO 2 (HiChem, CZ), metakaolinit (Al 2 O 3 2SiO 2, kaolin Sedlec Ia, CZ, pálený 1h při 700 C) Zdroj Al : práškový Al (Lachema, CZ), Al 2 O 3 (Lachema, CZ), Al(OH) 3 (Lachema, CZ), metakaolinit (Al 2 O 3 2SiO 2, kaolin Sedlec Ia, CZ, pálený při 700 C 1h) Podmínky hydrotermáln lní syntézy - teplota C, - doba syntéz 15 minut až 3 dny - poměr SiO 2 /Al 2 O 3-3; 3,5; 4; 4,5; 5 - molarita KOH - 1M až 5M roztok

9 Hydrotermální syntéza tetragonálního leucitu zdroj Al zdroj SiO 2 NaOH Hydrotermální syntéza AlO 2 - SiO 3 2- Příprava analcimu (NaAlSi 2 O 6.H 2 O) ANALCIM KCl Iontová výměna Příprava t-leucitu (KAlSi 2 O 6 ) t-leucit

10 1. krok syntéza analcimu Faktory ovlivňující syntézu analcimu vstupní suroviny poměr SiO 2 /Al 2 O 3 poměr H 2 O/SiO 2 molarita NaOH délka syntézy teplota

11 1. krok syntéza analcimu Vliv molarity NaOH 4M 5M 6M

12 1. krok syntéza analcimu Vliv reakční teploty - difrakční spektra vzorků po 2 hodinách hydrotermální syntézy při p teplotě 100 C 125 C 150 C 160 C 175 C 200 C.

13 Vliv reakční doby 1. krok syntéza analcimu 2 hod 1den 3 dny

14 2. krok syntéza t-leucitu (KAlSi 2 O 6 ) Iontová výměna ANALCIM Analcim KCl filtrace sušení t-leucit Iontová výměna analcim t-leucit výměna Na + iontů z analcimu za K + ionty z roztoku KCl 1M 4M roztok KCl teplota C reakční čas 1h - 24 h

15 2. krok syntéza tetragonálního leucitu Časový průběh iontové výměny od výchozího analcimu až po výsledný leucit ilustrují spektra vzorků.

16 SEM snímky analcimu vstupujícího do reakce a produktu t-leucitu A, B - analcim připravený hydrotermální syntézou 2 při 200 C C, D leucit připravený iontovou výměnou 3 hod v 4M KCl

17 Hydrotermální syntéza c-leucitu Příprava kubické modifikace leucitu v hydrotermálních podmínkách, která by byla stabilní při pokojové teploty. Stabilizátor: Cs 2 O Hydrotermální podmínky " nízká teplota a tlak " krátký čas reakce několik hodin " homogenní produkt X Krystalizace z taveniny

18 Schéma přípravy kubického leucitu " 3 stupňová syntéza: CsCl KCl analcim polucit c-leucit SiO 2 NaOH + H 2 O práškový Al CsCl KCl analcim polucit Cs-leucit Hydrotermální syntéza 1. Iontová výměna 2. Iontová výměna

19 Příprava analcimu (NaAlSi 2 O 6.H 2 O) analcim krok = příprava prekurzoru analcimu Příprava analcimu Vstupní suroviny: SiO 2, Al, NaOH AlO 2- + SiO 2-3 vznik gelu Hydrotermální syntéza v autoklávu C Délka syntézy 2 72 hodin 3 Cílem bylo připravit monodisperzní analcimový prášek o požadované velikosti části, který je vhodným prekurzorem pro následné iontové výměny.

20 Příprava polucitu (Cs x Na (1-x) AlSi 2 O 6.H 2 O) 2. krok = příprava meziproduktu polucitu polucit 2 1 Příprava polucitu Prekurzor analcim (2 hodinový) Výměna Na + iontů za Cs + ionty, 4M roztok CsCl Doba iontové výměny 4 72 hodin analcim polucit Na + Cs + 3 H 2 O

21 Příprava c-leucitu (Cs x K (1-x) AlSi 2 O 6 ) 3. krok = příprava kubického leucitu 1 2 Příprava c-leucitu Meziprodukt polucit Výměna Na + iontů za K + ionty 4M roztok KCl Na + polucit Cs-leucit Cs-leucit K + 3 H 2 O

22 Příprava c-leucitu (Cs x K (1-x) AlSi 2 O 6 ) Difrakční spektra vzorků; A - tetragonální leucit, B - leucit stab. 4 mol % Cs 2 O, C - leucit stab. 5 mol % Cs 2 O, D plně stab. kubický leucit 9,5 mol % Cs 2 O 25,86 27,31 A B C D 26,22

23 Kubický leucit (Cs x K (1-x) AlSi 2 O 6 ) Kubický leucit: Monodisperzní Velikost částic 2 4 µm Velikost částic a šíře intervalu je dána podmínkami syntézy

24 Závěr Navržená hydrotermální syntéza leucitu " syntéza tetragonálního leucitu se stává ze 2 kroků - 1. krok syntéza analcimu - 2. krok iontová výměna analcim t-leucit " syntetizovaný analcimový prášek je vhodným meziproduktem pro přípravu jak tetragonálního, tak stabilizovaného kubického leucitu, jehož příprava se skládá ze tří kroků: - 1. krok syntéza analcimu - 2. krok iontová výměna analcim polucit - 3. krok iontová výměna polucit stabilizovaný kubický leucit

25 Závěr "volbou reakčních podmínek hydrotermálních syntéz lze řídit, jak velikost částic výsledného produktu, tak podíl kubické fáze "Výhoda oproti klasické technologii - - nízká teplota a tlak - nižší spotřeba energie - krátké doby syntéz několik hodin - homogenní produkt " Navržená hydrotermální syntéza leucitu je vhodnou metodou pro přípravu leucitu s požadovanými vlastnostmi pro použití v dentální protetice

26 Děkujeme za pozornost Tato práce byla součástí projektu č. 2A-1TP1/063, "Nové skelné a keramické materiály a pokročilé postupy jejich příprav a výrob", realizovaného za finanční podpory z prostředků státního rozpočtu prostřednictvím Ministerstva průmyslu a obchodu.