Bài giảng Sứ nha khoa: Công nghệ & đặc điểm

SỨ NHA KHOA

& ĐĐĐĐẶẶẶẶC ĐIC ĐIC ĐIC ĐIỂỂỂỂMMMM CÔNG NGHỆỆỆỆ & CÔNG NGH & & CÔNG NGH CÔNG NGH

NGND. GS. BS. Hoàng Tử Hùng tuhung.hoang@gmail.com www.hoangtuhung.com

www.hoangtuhung.com

DÀN BÀI

1- Qui trình chế tạo bột sứ đắp-thiêu kết 2- Quá trình tạo thành sứ thủy tinh 3- Quá trình tạo thành sứ oxid

MỤC TIÊU

Sau khi nghiên cứu bài này, sinh viên có thể

1- Mô tả được:

2- Trình bày được đặc điểm và ứng dụng của từng

loại sứ trong phục hình

– Quá trình chế tạo bột sứ đắp thiêu kết – Quá trình chế tạo sứ thủy tinh – Quá trình chế tạo sứ oxid

MỞ ĐẦU

Gốm sứ dùng trong nha khoa bao gồm nhiều chủng loại (gốm chịu lửa, xi măng...ở labô; porcelain, sứ thủy tinh, sứ oxid…trong phục hình)

Bài này tóm tắt qui trình chế tạo bột sứ (porcelain),

sứ thủy tinh và sứ oxid nha khoa

www.hoangtuhung.com

SỨ NHA KHOA TRONG BA LOẠI GỐM SỨ

SỨ THỦY TINH& SỨ OXYT NHA KHOA

GỐM KỸ THUẬT

PORCELAIN NHA KHOA

GỐM GIA DỤNG&MỸ NGHỆ

GỐM XÂY DỰNG

BA LOẠI SỨ NHA KHOA

Porcelain

Sứ thủy tinh Glass-ceramic

Sứ oxid

Cả ba loại sứ nha khoa nêu trên đều đang có tại Việt nam

CHẾ TẠO BỘT SỨ ĐẮP-THIÊU KẾT

Trường thạch (feldspar): là một loại đá tự nhiên có cấu

trúc tinh thể, đục, màu từ xám đến hồng.

• là một silicate nhôm kali (potassium aluminum silicate - K2O•Al2O3•6SiO2). Thành phần hoá học của trường thạch thường gồm: – Silica (SiO2): 64%; – Alumina (Al2O3): 18%; – Soda (Na2O), Potash (K2O): 8-10%.

www.hoangtuhung.com

• Nóng chảy ở 1150º C, tạo thành leucite (KAlSi2O6)

(pha tinh thể) và thủy tinh nóng chảy.

CHẾ TẠO BỘT SỨ ĐẮP-THIÊU KẾT (tiếp)

• Trường thạch được khai thác từ mỏ, nghiền nhỏ, • Loại bỏ sắt và mica (thường có trong trường thạch không tinh khiết): chỉ chọn sử dụng những phần trường thạch có màu sáng,

• Nghiền thành bột mịn, loại bỏ những hạt lớn hoặc quá

nhỏ,

• Rung trên một mặt nghiêng có rãnh từ tính để loại bỏ

www.hoangtuhung.com

một lần nữa sắt còn lại.

CHẾ TẠO BỘT SỨ ĐẮP-THIÊU KẾT (tiếp)

• titanium oxide: vàng nâu; • manganese oxide: xanh nhạt pha đỏ; • oxid sắt: nâu; • cerium tạo tính phát huỳnh quang (trước đây dùng uranium

oxide,

•Nung bột mịn trường thạch đến ~1200º C, (cid:1)Hỗn hợp leucite và thủy tinh •Làm lạnh nhanh trong nước để khối sứ bị rã thành bột •Thêm các chất màu:

oxide thiếc, titanium, zirconium được dùng để làm

www.hoangtuhung.com

các chất che màu.

CHẾ TẠO BỘT SỨ ĐẮP-THIÊU KẾT (tiếp)

Sản phẩm của quá trình là bột sứ trường thạch nha khoa (feldspathic dental porcelain) có hai pha:

• Pha thủy tinh với các tính chất đặc trưng: dòn,

trong, nứt vỡ không theo hướng nhất định…

– chiếm 10 - 20% – có hệ số dãn nở nhiệt cao (>20 x 10¯ 6 /° C).

• Pha tinh thể leucite (KAlSi2O6):

www.hoangtuhung.com

(Leucite cũng được dùng để làm tăng độ bền của sứ trong phục hình toàn sứ (lượng leucite lên tới 45%), xem phần sứ thủy tinh).

CHẾ TẠO SỨ THỦY TINH

CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO SỨ THỦY TINH

Sứ thủy tinh gồm tối thiểu hai pha: 1. Pha glass vô định hình, và 2. Pha tinh thể (môt hoặc nhiều loại) kết hợp

theo tỷ lệ đặc hiệu.

Qui trình sản xuất Sứ thủy tinh có hai giai đoạn:

– –

Tạo pha thủy tinh (1) Tinh thể hóa có kiểm soát (2)

1- TẠO PHA THỦY TINH

12-18% Na2O 8-15% CaO 60-70% SiO2

Nguyên liệu thủy tinh thông dụng:

•Nấu chảy ở 1400-1500°C (cid:1) pha lỏng đồng nhất •Hạ nhiệt độ để có pha thủy tinh

Thủy tinh chảy mềm ở 1000-1200°C

1- TẠO PHA THỦY TINH (trong chế tạo sứ thủy tinh)

Các hệ nguyên liệu:

Li2O x Al2O3 x nSiO2,

MgO x Al2O3 x nSiO2

ZnO x Al2O3 x nSiO2 …

Tạo thành các hệ thống sứ thủy tinh kỹ thuật

tương ứng: LAS, MAS, ZAS…

Quá trình tạo pha thủy tinh (LAS)

Processing

Nấu chảy nguyên liệu thủy tinh (Melting)

ộ đ t ệ i h N

Khối thủy tinh

Làm lạnh (cooling)

Thời gian

IPS e.max CAD

Chú ý: Dạng sản phẩm là khối thủy tinh

2- TINH THỂ HÓA CÓ KIỂM SOÁT (controlled crystallization)

Xử lý nhiệt lần 2 (reheat treatment) để:

1- tạo mầm tinh thể*, và 2- phát triển mầm tạo pha tinh thể**.

Pha thủy tinh chuyển một phần thành pha kết tinh

Pha tinh thể chiếm ≥30%, Nếu số mầm đủ lớn và tinh thể đủ nhỏ (~1µm): Đạt 90% thể tích).

2- TINH THỂ HÓA CÓ KIỂM SOÁT (controlled crystallization)

1-Tạo mầm tinh thể: dùng chất xúc tiến (accelerator) tạo mầm: Pt, SnO2 hoặc các muối kim loại nhạy sáng: Au, Ag, Cu…(vừa xúc tiến vừa tạo màu). Chất xúc tiến có cấu trúc gắn với tinh thể hình thành

trong thủy tinh(cid:1) kết tinh có trật tự

2-Phát triển mầm tạo pha tinh thể: Nhiệt độ được kiểm soát để tốc độ tạo mầm và lớn lên của mầm phải như nhau theo các phương

Quá trình xử lý nhiệt lần hai (tạo mầm và phát triển mầm, tạo pha tinh thể) (cid:2)Kích thước tinh thể phụ thuộc nhiệt độ

(cid:2)IPS e.max CAD 840°-:- 850°C

•Hòa tan loại tinh thể LS và lớn lên của tinh thể thứ hai (LS2) 770°-:- 820 °C

ộ đ t ệ i h N

•Sự lớn lên của loại tinh thể thứ nhất (LS)

•Đồng thời tạo nhân kết tinh của hai loại tinh thể

IPS e.max CAD

Thời gian

Produktname | Thema3

CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO SỨ THỦY TINH Như vậy: Sản phẩm của “Giai đoạn 1” là chế tạo được khối thủy tinh

• Thủy tinh có thể chuyển dạng từ “mềm” (soft glass) dễ tạo dạng (shaping): đúc, mài…sang dạng cứng (sứ thủy tinh: tough glass-cereamic) nhờ quá trình tinh thể hóa có kiểm sóat.

Giai đoạn 2 (tinh thể hóa có kiểm soát) diễn ra trong quá trình chế tác phục hình bằng công nghệ ép nóng hoặc CAD/CAM

SỨ THỦY TINH

Đặc điểm sứ thủy tinh: • Tinh thể liên kết với nhau có qui luật (cid:1)pha tinh thể đồng nhất, có cấu trúc

• Pha thủy tinh đóng vai trò kết dính. • Lượng pha tinh thể từ 30 – 90% Có thể điều chỉnh:

· tỷ lệ giữa hai pha, · bản chất hóa học pha tinh thể

Khác “sứ đắp”, sứ thủy tinh hầu như không lỗ rỗ do

không trải qua nung trong xử lý nhiệt

Cấu trúc vi thể (Microstructure) sứ thủy tinh lithium disilicate

Trạng thái tiền tinh thể hóa

Trạng thái tinh thể hóa

(precrystallized state)

(crystallized state)

Khoảng 70 % tinh thể lithium disilicate hạt mịn trong khuôn thủy tinh

Khoảng 40% tinh thể lithium nửa bền (lithium metasilicate crystals) rải rác trong khuôn thủy tinh

Hình ảnh khi xoi mòn pha thủy tinh (etching the glass matrix)

IPS e.max CAD

Hình ảnh khi tinh thể được xoi mòn (etching of crystals)

Processing Quá trình tạo pha thủy tinh

Nấu chảy nguyên liệu thủy tinh (Melting)

ộ đ t ệ i h N

Khối thủy tinh

Làm lạnh (cooling)

Thời gian

IPS e.max CAD

Quá trình xử lý nhiệt lần hai (tạo mầm và phát triển mầm, tạo pha tinh thể) (cid:2)Kích thước tinh thể phụ thuộc nhiệt độ

(cid:2)IPS e.max CAD 840°-:- 850°C

•Hòa tan loại tinh thể LS và lớn lên của tinh thể thứ hai (LS2) 770°-:- 820 °C

ộ đ t ệ i h N

•Sự lớn lên của loại tinh thể thứ nhất (LS)

•Đồng thời tạo nhân kết tinh của hai loại tinh thể

IPS e.max CAD

Thời gian

Produktname | Thema3

Chú ý: Xử lý nhiệt lần 2 diễn ra khi chế tác phục hình

CHẾ TẠO SỨ OXID

CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU SỨ OXID

Phát triển trong khoảng 15 năm trở lại đây, là các sứ

đơn pha đa tinh thể: – Zirconia (zirconium oxide: ZrO2) – Alumina (aluminum oxide: Al2O3)

Trong trạng thái thiêu kết hoàn toàn (completely

sintered state) là vật liệu rất bền chắc, cứng rắn, đáp ứng được đòi hỏi để làm sườn phục hình (mão/chụp, cầu, cùi cho implant…) thay thế kim loại, nhưng khó gia công.

(cid:1)

ALUMINA & ZIRCONIA

Al2O3

ZrO2

VẬT LIỆU SỨALUMINA

Bột aluminum oxid tinh khiết được nung đến 1357°C để đạt trang thái alumina xốp (bisque alumina).

Alumina trong trạng thái này được tạo hình bằng

máy (CAM) sau đó, được nung đến 1700°C để đạt trạng thái thiêu kết sau cùng, là một sứ oxid đa tinh thể, tinh khiết (99,5%), đồng nhất (co thể tích giữa hai trạng thái: 15 – 18%)

VẬT LIỆU SỨ ZIRCONIA

Zirconia (ZrO2) gồm ion kim loại Zr(4-) và ion oxid O(2+). Là một sứ oxid có cấu trúc hạt mịn (fine-grain) đa tinh thể

(polycrystalline). – Trong tự nhiên, tồn tại dưới dạng pha đơn xiên

(monoclinic), ổn định ở nhiệt độ thường đến 1170°C,

– ≥ 1170°C , chuyển dạng thành pha tứ giác

(tetragonal),

– Đến 2370°C , ở dạng khối vuông (cubic). – Khi nhiệt độ hạ xuống, sự chuyển dạng diễn ra ngược lại với sự khác biệt nhỏ về mức nhiệt độ

Trong quá trình chuyển dạng, ZrO2 tăng thể tích 3-5%. (cid:1) ứng dụng để phát triển vật liệu với đặc tính được lựa chọn có kiểm soát.

ZrO2 tổng hợp có chứa các yếu tố ổn định

(stabilizers,“doping”): Y2O3, CaO, MgO, CeO2, Sc2O3… để: – Đưa chuyển dạng tetragonal về nhiệt độ thấp hơn – Chống chuyển dạng từ tetragonal sang monoclinic

(t/m transformation) ở nhiệt độ thường

– Giữ dạng cubic ở nhiệt độ thường.

Có bốn loại sứ ZrO2:

1. FSZ: 2. PSZ I: 3. PSZ II: 4. TZP: Fully Stabilized Zirconia Partially Stabilized Zirconia I Partially Stabilized Zirconia II Tetragonal Zirconia Polycrystals

PSZ I, PSZ II, TZP là những vật liệu tăng cường chuyển

dạng (transformation-reinforced materials). (cid:1) Giảm đặc tính dòn cố hữu của sứ, xuất hiện tính “giả chịu uốn” (“pseudo-ductile”)

Hai cơ chế tăng chuyển dạng: Tăng chuyển dạng cảm ứng vi nứt (microcrack-induced

transformation reinforcement: RM) có ở PSZ I

Tăng chuyển dạng cảm ứng ứng lực (stress-induced

transformation reinforcement: TR) có ở PSZ II

TZP ổn định từng phần với 3 mol-% Y2O3 được sử dụng trong nha khoa: mỗi tinh thể trong cấu trúc đều duy trì trạng thái nửa bền (metastable) trong pha tetragonal ở nhiệt độ thường. Lực gây biến dạng vi cấu trúc được bù trừ bằng sự chuyển dạng tinh thể tetragonal thành monoclinic (cid:1) sự lan rộng vết nứt được ngăn chặn

CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU SỨ OXID

Dạng chế tạo của sứ oxyt là khối sứ tiền thiêu kết

(presintered) khi vật liệu còn tương đối “mềm”: “sứ có thể gia công bằng máy”: (machinable ceramics); sứ “non” (“green” ceramic); trạng thái trắng (white state).

Quá trình gia công (chế tác phục hình) được thực hiện

bằng công nghệ CAD/CAM.

Sau khi được tạo hình, sứ được tiếp tục thiêu kết hoàn

toàn. Quá trình này điễn ra sự co thể tích.

- Từ 15 – 18% đối với alumina ~25% đối với zirconia -

SƠ LƯỢC ĐẶC ĐIỂM SỨ NHA KHOA

1. Đặc điểm về cấu trúc

– Trong quá trình chế tác phục hình: đắp sứ &

nung(cid:1)khoảng hở +“dị vật”

– Lỗ rỗ & vi nứt : là những nứt gãy khởi đầu trong quá trình nguội do sốc nhiệt (làm nguội sứ quá nhanh).

• Sứ dòn, có hai loại rạn nứt: Các khiếm khuyết trong chế tác:

- Trong gia công bằng máy hoặc mài khi gắn phục hình - Trong quá trình sử dụng: lực chức năng, cận chức năng

(cid:1)lan rộng dần vết nứt: nguyên nhân thất bại phổ

biến (đưa đến nứt, vỡ sứ)

Nứt bề mặt:

2. Đặc điểm quang học của sứ nha khoa Trên lâm sàng, Cần chú ý các đặc điểm:

– Sự phù hợp màu – Màu của phục hình sứ – Độ trong của sứ – Tính huỳnh quang – Chất dán/gắn phục hình

Độ bền và đặc điểm quang học của sứ phụ thuộc tỷ lệ và bản chất của pha tinh thể, nói chung:

Pha tinh thể nhiều: độ bền tăng, độ trong giảm

Pha tinh thể ít: độ trong tăng, độ bền giảm

(cid:1)Không phải sứ nha khoa nào cũng trong

NHA KHOA ĐĐĐĐẶẶẶẶC ĐIC ĐIC ĐIC ĐIỂỂỂỂM CM CM CM CỦỦỦỦA SA SA SA SỨỨỨỨ NHA KHOA NHA KHOA NHA KHOA

3. Đặc điểm vật lý Độ bền uốn Độ bền cắt Độ co Sự co thể tích Đặc điểm nhiệt

Độ bền gãy Hằng số đàn hồi Độ co tuyến tính Mật độ Hệ số dãn nở nhiệt tuyến tính

CÁC PHƯƠNG PHÁP TĂNG CƯỜNG ĐỘ BỀN CỦA SỨ

1. Biện pháp nội sinh

Tăng cường pha tinh thể

Nguyên tắc: đưa vào một pha tinh thể phân tán có độ bền cao, làm tăng sức đề kháng đối với sự lan & làm lệch vết nứt

Biến đổi tăng độ bền: ZrO2 có 2 dạng tinh thể:

*tứ giác (tetragonal) bền vững ở khoảng 1170 - 2370o C, *đơn nghiêng (monoclinic) bền vững ở nhiệt độ dưới 1170o C. Cho thêm 3 mole % yttrium oxid (3Y-TZP) (cid:1)Dạng tứ giác trở nên bền vững ở nhiệt độ thường do cảm lực (stress-induce): Dưới tác động lực, ZrO2 biến đổi từ pha tứ giác kém bền vững thành pha đơn nghiêng bền vững do đặc tính cơ học cuả (3Y-TZP) (xem phần thứ ba).

www.hoangtuhung.com

2. Biện pháp ngoại sinh

TTTTạo một lớp chịu lực ở bề mặt: Tạo lớp ion bề mặt

•

Tạo sự trao đổi ion dựa trên khuyếch tán (diffusion-based ion exchange): trong mạng pha thủy tinh: ion kiềm nhỏ (natri) thành ion lớn hơn (kali). Thực hiện trong bồn muối nóng chảy 450 - 480o C, ứng dụng trong sứ nha khoa từ những năm 90. Độ dày: khoảng 140µm Làm láng

• Làm láng (glazing): nướng lại, tạo một lớp sứ láng; không có ý

•

nghĩa để làm tăng độ bền uốn của sứ trường thạch. “Glaze” là loại thủy tinh có độ dãn nở thấp, đặt trên bề mặt sứ, nung ở nhiệt độ cao. Độ co của lớp sứ bên dưới lớn hơn, do đó làm giảm kích thước các rạn nứt

www.hoangtuhung.com

TÓM TẮT

ĐẶC ĐIỂM và CÔNG NGHỆ CHẾ TÁC

- Làm lớp phủ phục hình sứ-kim loại - Làm lớp phủ thẩm mỹ cho toàn sứ - Làm mặt dán sứ

•Đặc điểm: Thẩm mỹ, nhưng dòn, độ bền thấp, lỗ rỗ •Cấu trúc nhiều pha, pha tinh thể không được kiểm soát về cấu trúc •Chế tạo thành dạng bột sứ; •Chế tác thủ công bằng phương pháp đắp-thiêu kết •

PORCELAIN: Bột sứ đắp-Thiêu kết (tỷ lệ pha tinh thể <30%)

ĐẶC ĐIỂM và CÔNG NGHỆ CHẾ TÁC

SỨ THỦY TINH (Tỷ lệ pha tinh thể >30-90%)

- Viên sứ ép sườn mão (Li2Si2O5) - Viên sứ ép “press-on” (Ca5(PO4)3F) - Khối sứ CAD/CAM (Li2Si2O5)

•Đặc điểm: Thẩm mỹ khá, độ bền khá, ít lỗ rỗ •Cấu tạo nhiều pha, pha tinh thể được kiểm soát về mức độ

và sự phân bố

•Chế tạo thành viên hoặc khối thủy tinh; •Chế tác bằng công nghệ ép nóng hoặc CAD/CAM

ĐẶC ĐIỂM và CÔNG NGHỆ CHẾ TÁC

- Khối sứ CAD/CAM zirconia (ZrO2) - Khối tiền thiêu kết zirconia (ZrO2) - Khối tiền thiêu kết alumina (Al2O3)

•Đặc điểm: Kém thẩm mỹ, độ bền cao, không lỗ rỗ •Cấu trúc đơn pha, không có pha thủy tinh •Chế tạo thành khối sứ tiền thiêu kết; •Chế tác bằng công nghệ CAD/CAM

SỨ OXID (Pha tinh thể >>95%)