CZ298538B6

CZ298538B6 - Vodná suspenze oxidových smesí pro prípravu keramických vrstev definované drsnosti metodou nástriku

Info

Publication number: CZ298538B6
Application number: CZ20032794A
Authority: CZ
Inventors: Andertová@Jana
Original assignee: Vysoká škola chemicko-technologická v Praze
Priority date: 2003-10-14
Filing date: 2003-10-14
Publication date: 2007-10-31
Also published as: CZ20032794A3

Abstract

Vodná suspenze oxidových smesí pro prípravu keramických vrstev definované drsnosti metodou nástrikuobsahuje základní vodnou suspenzi tvorenou oxidovou smesí na bázi oxidu zirkonicitého a oxidu hlinitého o složení pevné fáze 10 % hmotn. až 50 % hmotn. Al.sub.2.n.O.sub.3.n. a 90 % až 50 % hmotn. ZrO.sub.2.n.. Hrubé cástice specifické velikosti jsouvolené dle požadované drsnosti materiálu, jejichžchemické složení je tvoreno bud cistým ZrO.sub.2.n., nebo smesí Al.sub.2.n.O.sub.3.n.-ZrO.sub.2.n. ve stejném pomerném hmotnostním zastoupení jako v základní suspenzi, a dále je suspenze tvorena organickými aditivy modifikujícími její reologické vlastnosti.

Description

Vynález se týká přípravy keramických vrstev definované drsnosti metodou nástřiku vodných suspenzí oxidových směsí na bázi ZrO₂ na keramickou matrici. Tato metoda a materiály mohou být využity jak při přípravě bio-kompatibilních povrchů u bioinertních keramických materiálů pro chirurgické implantace, tak při výrobě inženýrské keramiky specifických vlastností.

Dosavadní stav techniky

Nejsou známy práce, kde by tato metodika byla vědecky publikována. Při dosavadní přípravě vrstev na pracovišti Vysoké školy chemicko-technologické - Ústavu skla a keramiky byly tyto vrstvy uvedenou metodikou připravovány v rámci řešení grantu MPO č. FB - CV 64/98 „Umělé náhrady skeletámího systému člověka z bioinertních a bioaktivních materiálů nové generace“ ze suspenzí obsahujících A1₂O₃ suspenze tvořené čistou směsí nebo čistou směsí ZrO₂, nebylo však dosaženo normovaných mechanických vlastností povrchově upravených materiálů (norma ISO 13356: 1997 (E)). Keramické materiály na bázi Al₂O₃-ZrO₂ (tzv. ATZ keramika) vyznačují se zvýšenými hodnotami mechanických vlastností jsou běžně používány (RU 2142442 C2, KR 9612722), ale využití tohoto složení keramických suspenzí pro přípravu vrstev normovaných mechanických vlastností a definované drsnosti (tj. obsahující částice v rozsahu 0,6 až 250 pm) na zirkoničité keramické matrici nebylo dosud publikováno.

Podstata vynálezu

Podstatou vynálezu je zlepšení, resp. dosažení normovaných mechanických vlastností keramických materiálů s nanesenou vrstvou definované drsnosti v rozsahu Ra~5-30 (Hodnota drsnosti dle DIN EN ISO 4287) v závislosti na velikosti použitých hrubých částic. Zlepšení je dosaženo změnou chemického složení směsí používaných pro přípravu vlastních suspenzí pro nástřik. Změna spočívá v použití základní vodné suspenze o složení pevné fáze o obsahu 10 % hmotn. až 50 % hmotn. čistého oxidu hlinitého A1₂O₃ a 90 % hmotn. až 50 % hmotn. oxidu zirkoničitého ZrO₂. Použití základní vodné suspenze uvedeného složení vede ke zlepšení mechanických vlastností povrchově upravených materiálů a povrchově upravený materiál vykazuje normované hodnoty mechanických vlastností, tj. biaxiální ohybové pevnosti vyšší než 500 MPa (hodnota 500 MPa je normovaná hodnota ISO 9656, resp. ISO 13356).

Pro přípravu keramických vrstev definované drsnosti na keramické matrici je využit proces nástřiku vodné suspenze oxidových směsí tlakovým vzduchem. Na tepelně upravenou keramickou matrici je tlakovým vzduchem nastříknuta vrstva ze suspenze a takto upravená matrice je dále podrobena tepelnému zpracování na konečnou teplotu danou charakterem materiálu použitým pro přípravu matrice i vrstev. Běžně používaná teplota tepelného zpracování je nad 1000 °C, v závislosti na typu použitého materiálu.

Vodné suspenze použité po nástřik vrstev mají obecné složení:

- základní suspenze - vodná suspenze submikronových oxidových prášků ztekucená optimálním množstsvím deflokulantu,

- hrubé částice - částice o specifické velikosti dle požadované drsnosti materiálu, dále jen hrubé částice. Materiál použitý pro přípravu hrubých částic je tvořen buď čistým ZrO₂ nebo směsí A1₂O₃ - ZrO₂ ve stejném hmotnostním zastoupení jako v základní suspenzi; obsah a velikosti hrubých částic (řádově desítky a stovky pm) určuje drsnost připraveného povlaku,

- organická aditiva: (deflokulant a plniva), zajišťují požadované reologické vlastnosti suspenzí.

-1 CZ 298538 B6

Pokud se pro přípravu zirkoničitých vrstev na ziskoničité matrici použije pro přípravu suspenze pouze materiál na bázi ZrO₂, nesplňují takto upravené materiály normované hodnoty mechanických vlastností (biaxiální pevnost minimálně 500 MPa). Tuto nevýhodu odstraňuje příprava suspenze z oxidových prášků na bázi směsí Al₂O3-ZrO₂, kdy se dosáhne u povrchově upravených keramických materiálů normované hodnoty biaxiální pevnosti (na základě využití transformačního zpevnění ZrO₂ pomocí A1₂O₃).

Příklad složení suspenze pro nástřik vrstev o definované drsnosti cca Ra~14, kdy matrice s nanesenou vrstvou splňuje po tepelné úpravě (tj. výpalu) požadované hodnoty mechanických vlastností, resp. hodnoty biaxiální ohybové pevnosti vyšší než 500 MPa.

Složení navržené suspenze je pak následující:

I. základní suspenze - vodná suspenze oxidové směsi Al₂O3-ZrO₂ s částicemi submikronové velikosti (tj. velikost částic kolem nebo menší než 1 pm), obsah A1₂O₃ ve směsi se pohybuje v rozsahu 10% hmotn. až 50% hmotn. na úkor hmotnostního zastoupení ZrO₂, tj. poměrně zastoupení oxidů ZrO₂/Al₂O₃ = (90 % hmotn. až 50 % hmotn)/(10 % hmotn. až 50 % hmotn.)

II. hrubé částice - jsou připraveny sítováním polydisperzní směsi ZrO₂ nebo Al₂O₃-ZrO₂ (buď čisté ZrO₂, nebo směsi A1₂O₃), tj. proséváním nylonovými síty 250pm a 50 pm. Při přípravě hrubých části je nutné dodržovat interval poměrného zastoupení oxidů: ZrO₂/Al₂O3 je rovno (100 % hmotn. až 50 % hmotn.)/(0 % hmotn. až 50 % hmotn.), obsah ZrO₂ se ve směsi může pohybovat v rozsahu od 100 % hmotn. do 50 % hmotn., lze ho tedy postupně nahradit až polovinou hmotnostního zastoupení oxidem hlinitým, AI₂O₃. Výhodné se jeví použití chemického složení hrubých částic shodné s materiálem matrice, pokud je tvořena keramikou na bázi čistého ZrO₂ nebo směsi Al₂O3-ZrO₂ nebo chemického složení shodného s chemickým složením základní suspenze pokud je matrice tvořena z čistého A1₂O₃.

III. organická aditiva:

deflokulant (regulace mezičásticových interakcí v základní suspenzi), v hmotnostním zastoupení v závislosti na obsahu pevné fáze v suspenzi.

plnivo (na bázi polysacharidů, modifikované celulózy nebo kyseliny hyaluronové). Hmotnostní obsah přidaných plniv se mění v závislosti na obsahu základní suspenze a hrubých částic, v rozsahu 9 % hmotn. až 13 % hmotn.

Příklady provedení vynálezu

Pro dosažení vrstvy drsnosti cca R_a ~ 14 - 17 je poměr základních komponent v konečné suspenzi (tj. suspenzi pro nástřik) následující:

I. Základní suspenze: cca 77 % hmotn. pevné fáze v suspenzi (jako stabilizátor použit Dolapix CE 64 fy. Zschimmer Schwarz, GmbH, Germany maximální 1,5 % hmotn., počítáno na obsah pevné fáze v suspenzi). Základní suspenze se použije 85 % hmotn.

II. Hrubé částice: Obsah hrubých částic ZrO₂ v konečné suspenzi činí cca 9,1 % hmotn. Při změně drsnosti je nutné měnit jak interval velikosti „hrubých částic“, tak i hmotnostní zastoupení částic v suspenzi.

III. Organická aditiva: 5,9 % hmotn. plniva na bázi polysacharidů, (popř. kyseliny hyaluronové nebo modifikované celulózy).

Průmyslová využitelnost

Povrchová úprava keramických materiálů s pokrytím hladkého povrchu keramického materiálu keramickou vrstvou definované drsnosti. Tato vrstva je nanesena metodou nástřiku keramické

-2CZ 298538 B6 suspenze tlakovým vzduchem. Proces nástřiku rozhoduje o charakteru vrstvy (výška, bezdefektní spojení s matricí atd.), složení vodných suspenzí rozhoduje jak o charakteru vrstvy, tak i o mechanických vlastnostech povrchově upraveného keramického materiálu. Povrchově upravené keramické materiály lze využít:

- v oblasti medicínské- příprava bioinemích keramických implantátů na bázi ZrO₂, resp. AIO3, kde povrchová úprava kotvících povrchů vede k lepšímu ukotvení implantátu a až k dosažení tzv. bezcementové fixace (prorůstání tkání nebo nerovností povrchově upraveného implantátu, dosažení morfologické fixace). Takto upravené materiály splňují normované hodnoty mechanických vlastností.

- v oboru inženýrské konstrukční keramiky (např. spojování keramiky s kovem atd.).

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Vodná suspenze oxidových směsí pro přípravu keramických vrstev definované drsnosti metodou nástřiku, vyznačující se tím, že obsahuje základní vodnou suspenzi tvořenou oxidovou směsí na bázi oxidu zirkoničitého a oxidu hlinitého o složení pevné fáze 10% hmotn. až 50 % hmotn. AI2O3 a 90 % až 50 % hmotn. ZrO₂, a hrubé částice specifické velikosti volené dle požadované drsnosti materiálu, jejichž chemické složení je tvořeno buď čistým ZrO₂, nebo směsí Al₂O3-ZrO₂ ve stejném poměrném hmotnostním zastoupení jako v základní suspenzi, a dále je suspenze tvořena organickými aditivy modifikujícími její reologické vlastnosti.
2. Vodná suspenze oxidových směsí podle nároku 1, vyznačující se tím, že hrubými částicemi se rozumí částice o velikosti 250 pm a 50 pm a organickými aditivy jsou deflokulant a dále plniva na bázi polysacharidů, modifikované celulózy nebo kyseliny hyaluronové, přičemž hmotnostní obsah přidaných plniv se mění v závislosti na obsahu základní suspenze v rozmezí 5 % hmotn. až 7 % hmotn. a hrubých částic v rozsahu 9 % hmotn. až 13 % hmotn.