CN1203830C - 多晶氧化锆陶瓷牙桩材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多晶氧化锆陶瓷牙桩材料及其制备方法，属于陶瓷材料制备技术领域。其特征在于：所述材料含有初始原料氧化锆陶瓷粉，高分子粘结剂，低分子助剂，其配比为：氧化锆陶瓷粉80～90wt%，高分子粘结剂5～10wt%，低分子助剂5～10wt%。其制备方法包括混炼造粒，射出成型，热脱脂和烧结四个步骤。所述热脱脂温度为500～800℃，所述烧结温度为1350～1550℃。本发明注射成型用有机粘结剂体系，具有流动性好、成型坯体密度高，烧结后陶瓷产品密度大于6.0g/cm3；成型坯体烧结收缩小，变形小，保证了产品尺寸精度；所制备的陶瓷牙桩抗弯强度大于600MPa，断裂韧性高达13MPa.m1/2，弹性模量140MPa，维氏硬度1050～1200MPa。其制备工艺重复性好，便于工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种多晶氧化锆陶瓷牙桩材料及其制备方法，属于陶瓷材料制备技术领域。
背景技术
牙桩是口腔修复中常用的一种齿科材料。目前采用的牙桩材料主要有金属和无机纤维增强树脂两大类，如不锈钢牙桩、碳纤维增强树脂牙桩。金属牙桩虽有较好的强度和韧性，但潜在的锈蚀、离子溶出都将危害到牙桩的可靠性。而纤维增强树脂易老化，其耐久性和可靠性也受到影响。另外，这两类牙桩材料颜色与人体牙齿颜色相差很大，在陶瓷牙冠中显示暗灰色，影响陶瓷牙的美观效果。
采用工程结构陶瓷可以克服上述问题。其中，相变增韧多晶氧化锆陶瓷材料具有下述优异性能：(1)高的抗弯强度(600～1000MPa)；(2)高的断裂韧性(10～15MPa·m1/2)，高于氧化铝等结构陶瓷；(3)化学稳定性好，即不与人体内液体反应，耐酸碱腐蚀性；(4)生物相容性好，具有抗血栓和灭菌性。因此，氧化锆陶瓷作为生物陶瓷已应用于人工髋关节等。本发明采用力学性能和化学生物性能优良的一种相变增韧多晶氧化锆陶瓷——钇稳定四方相多晶氧化锆陶瓷(简称Y-TZP)，作为陶瓷牙桩材料。
由于牙桩尺寸小，形状复杂，表面精度和光洁度要求高，因此，本发明提出采用注射成型方法制备陶瓷牙桩。这是因为陶瓷注射成型具有如下特点：
(1)具有成型各种复杂形状陶瓷零件的能力。
(2)尺寸控制精度高，注射成型体具有近净形特征。
(3)成型的陶瓷件表面平滑，外观好。
(4)成型过程机械化程度高，批量制造，产品重复性好。
对比其它的陶瓷成型制造方法，如干压成型、注浆成型和冷等静压成型，陶瓷注射成型技术在陶瓷零件尺寸精度、密度均匀性、形状复杂性和批量化连续化生产方面比其它制造方法更佳。
发明内容
本发明的目的是提供一种精密度高、力学性能好，适宜于工业化生产的多晶氧化锆陶瓷牙桩材料及其制备方法。
本发明提出的多晶氧化锆陶瓷牙桩材料，其特征在于：所述材料使用的初始原料含有氧化锆陶瓷粉，高分子粘结剂，低分子助剂，其配比为：氧化锆陶瓷粉80～90wt％，高分子粘结剂5～10wt％，低分子助剂5～10wt％。
在上述多晶氧化锆陶瓷牙桩材料中，所述高分子粘结剂为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或一种以上。
在上述多晶氧化锆陶瓷牙桩材料中，所述低分子助剂为石蜡、微晶石蜡、邻苯二甲酸二乙酯、邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二丁酯中的一种或一种以上。
本发明提出的多晶氧化锆陶瓷牙桩材料的制备方法，其特征在于：所述方法依次为：
(1)混炼造粒：先将混炼机的温度调至130℃～180℃，加入高分子粘结剂，熔融后，加入低分子助剂和氧化锆陶瓷粉，充分混炼搅拌均匀无团聚后，再降温，获得片状的混合料块，破碎；
(2)射出成型：将上述经混炼造粒好的颗粒料倒入注射机料筒内，料筒内分四段加温，温度为130℃～180℃，射出压力在150MPa以内，进行注射成型，得到陶瓷牙桩生坯体；
(3)热脱脂：将上述射出成型得到的陶瓷牙桩生坯体放入坩埚内，然后将其放至炉中，以10～30℃/h的的速度升至500～800℃，炉内冷却至室温，脱除全部有机粘结剂，得到陶瓷牙桩素坯；
(4)烧结：将上述脱脂的陶瓷牙桩素坯置于高温炉内，以2～5℃/分的升温速度升至烧结温度，温度范围为1350～1550℃，在此温度下恒温1～3小时，炉内冷却至室温。
在上述制备方法中，步骤(4)所述烧结过程采用常压烧结，在空气气氛中进行。
本发明提出的多晶氧化锆陶瓷牙桩材料及其制备方法，具有如下特点和效果：
注射成型用有机粘结剂体系，具有流动性好、成型坯体密度高(相对密度52-58％)的优点，从而，保证了烧结后陶瓷产品密度大于6.0g/cm3；
成型坯体烧结收缩小，总的线收缩率为15-19％，变形小，保证了产品尺寸精度；
所制备的陶瓷牙桩综合性能好：抗弯强度大于600MPa，断裂韧性高达13MPa.m1/2，弹性模量140MPa，维氏硬度1050～1200MPa。
实验证明：本发明制造工艺重复性好，产品质量稳定、性能可靠，便于工业化生产。
具体实施方式
下面结合实施例详细介绍本发明的技术方案：
本发明陶瓷牙桩注射成型制造主要包括下列步骤：混炼造粒、射出成型、脱脂、烧结这4个关键步骤。
1.混炼造粒步骤
先将混炼机的温度调至130℃～180℃。首先加入高分子粘结剂5～10wt.％。这类粘结剂包括聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或者一种以上。待高分子粘结剂熔融后，然后加入5～10wt.％的增塑剂和润滑剂，如石蜡、微晶石蜡、邻苯二甲酸二乙酯、邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二丁酯中其中的一种或者一种以上。再加入80～90wt.％的Y-ZrO2陶瓷粉。然后充分混炼搅拌，经30～60分钟，待氧化锆陶瓷粉和有机添加剂混炼均匀无团聚后，再降温，同时获得片状的混合料块。然后破碎成颗粒料，装袋保存。
3.射出成型步骤
将上述经混炼造粒好的颗粒料倒入注射机料筒内，料筒内分四段加温，温度从130℃～180℃，射出压力在150MPa以内，进行注射成型，得到陶瓷牙桩生坯体。
4.热脱脂步骤
射出成型得到的陶瓷牙桩生坯体放入陶瓷坩埚内，在牙桩坯体与坩埚间隙处填充刚玉砂和石英砂，即埋粉。然后将坩埚放至于马弗炉中，以10～30℃/h的的速度升至500～800℃。然后炉内冷却至室温，即可脱除全部有机粘结剂，得到陶瓷牙桩素坯。
5.烧结步骤
将完成脱脂的陶瓷牙桩素坯置于高温炉内，以2～5℃/分的升温速度升至烧结温度，温度范围为1350～1550℃，在此温度下恒温1～3小时，再于炉中冷却至室温并取出烧结好的陶瓷牙桩，整个烧结过程采用常压烧结，在空气气氛中进行。
为进一步阐述本发明的具体技术内容，下面以具体实施例说明氧化锆陶瓷牙桩注射成型制造的每个步骤。
实施例1
采用Y-ZrO2陶瓷粉，平均粒径为0.4μm。先将混炼机加热至150℃，将7wt.％重量百分比的聚乙烯(PE)加入混炼机，再徐徐加入石蜡(5wt.％)和邻苯二甲酸二乙酯(DEP)(3wt.％)，待完全熔融后。再加入二氧化锆陶瓷粉，陶瓷粉占85wt.％的重量百分数。混炼约30分钟，达到完全均匀，无团聚状态。最后将混炼好的料取出冷却，再进行破碎造粒，得到颗粒料。
将上述造粒后的颗粒料约500克，徐徐加入注射成型机料筒内熔融，在120MPa的注射压力下将熔融喂料射入模具，冷却2分钟，即可脱模得到氧化锆陶瓷牙桩的生坯体。
将生坯体放入氧化铝坩埚，并在试样周围填充刚玉砂，在马弗炉内以25℃/小时的升温速度升至700℃，保温1小时后，随炉冷却。生坯体内有机物全部排出得到要烧结的陶瓷素坯。
将上述陶瓷牙桩素坯放入硅目棒电炉内，以2℃/分的升温速度升至1500℃，保温2小时，然后随炉冷却，得到致密完好的陶瓷牙桩。
实施例2
采用Y-ZrO2陶瓷粉，平均粒径为0.2μm。先将双辊混炼机加热至135℃，将8wt.％重量百分比的聚苯乙烯加入混炼机，熔融混炼约5分钟。再徐徐加入石蜡(8wt.％)和邻苯二甲酸二丁酯(DBP)(4wt.％)。再加入二氧化锆陶瓷粉，陶瓷粉占重量80wt.％。混炼35分钟，达到完全均匀。最后将混炼好的料取出冷却，再进行破碎造粒，得到颗粒料。
将上述造粒后的颗粒料约500克，徐徐加入注射成型机料筒内熔融，在80MPa的注射压力下将熔融喂料射入模具，冷却3分钟，即可脱模得到氧化锆陶瓷牙桩的生坯体。
将生坯体放入氧化铝坩埚，并在试样周围填充刚玉砂，在马弗炉内以20℃/小时的升温速度升至550℃，保温至2小时后，随炉冷却。生坯体内有机物全部排出得到要烧结的陶瓷素坯。
将上述陶瓷牙桩素坯放入硅目棒电炉内，以3℃/分的升温速度升至1400℃，保温2小时，然后随炉冷却，得到致密完好的陶瓷牙桩。
实施例3
采用Y-ZrO2陶瓷粉，平均粒径为0.6μm。先将双辊混炼机加热至180℃，将5wt.％重量百分比的聚甲基丙烯酸甲酯加入混炼机，融熔后再徐徐加入微晶石蜡(5wt.％)和邻苯二甲酸二辛酯(2wt.％)。再加入二氧化锆陶瓷粉，陶瓷粉占总量88wt.％的重量百分数。混炼40分钟，达到完全均匀。最后将混炼好的料取出冷却，再进行破碎造粒，得到颗粒料。
将上述造粒后的颗粒料约500克，徐徐加入注射成型机料筒内熔融，在100MPa的注射压力下将熔融喂料射入模具，冷却2分钟，即可脱模得到氧化锆陶瓷牙桩的生坯体。
将生坯体放入氧化铝坩埚，并在试样周围填充刚玉砂，在马弗炉内以5℃/分的升温速度升至800℃，保温至2小时后，随炉冷却。生坯体内有机物全部排出得到要烧结的陶瓷素坯。
将上述陶瓷牙桩素坯放入硅目棒电炉内，以4℃/分的升温速度升至1550℃，保温2小时，然后随炉冷却，得到致密完好的陶瓷牙桩。
Claims (4)
1、多晶氧化锆陶瓷牙桩材料，其特征在于：所述材料使用的初始原料含有氧化锆陶瓷粉，高分子粘结剂，低分子助剂，其配比为：氧化锆陶瓷粉80～90wt％，高分子粘结剂5～10wt％，低分子助剂5～10wt％，所述高分子粘结剂为聚乙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或一种以上，所述低分子助剂为石蜡、微晶石蜡、邻苯二甲酸二乙酯、邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二丁酯中的一种或一种以上。
2、一种制备如权利要求1所述的多晶氧化锆陶瓷牙桩材料的方法，其特征在于：所述方法依次为：
(1)混炼造粒：先将混炼机的温度调至130℃～180℃，加入高分子粘结剂，熔融后，加入低分子助剂和氧化锆陶瓷粉，充分混炼搅拌均匀无团聚后，再降温，获得片状的混合料块，破碎；
(2)射出成型：将上述经混炼造粒好的颗粒料倒入注射机料筒内，料筒内分四段加温，温度为130℃～180℃，射出压力在150MPa以内，进行注射成型，得到陶瓷牙桩生坯体；
(3)热脱脂：将上述射出成型得到的陶瓷牙桩生坯体放入坩埚内，然后将其放至炉中，以10～30℃/h的的速度升至500～800℃，炉内冷却至室温，脱除全部有机粘结剂，得到陶瓷牙桩素坯；
(4)烧结：将上述脱脂的陶瓷牙桩素坯置于高温炉内，以2～5℃/分的升温速度升至烧结温度，温度范围为1350～1550℃，在此温度下恒温1～3小时，炉内冷却至室温。
3、按照权利要求2所述的多晶氧化锆陶瓷牙桩材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)所述将射出成型得到的陶瓷牙桩生坯体放入坩埚内，并在牙坯体与坩埚间隙处填充刚玉砂或石砂。
4、按照权利要求2所述的多晶氧化锆陶瓷牙桩材料的制备方法，其特征在于：步骤(4)所述烧结过程采用常压烧结，在空气气氛中进行。
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