TWI503298B - 陶瓷表面處理方法 - Google Patents

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Yu Fen Kuo
Li Wen Weng
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Description

陶瓷表面處理方法
本發明係關於一種陶瓷表面處理方法，特別係提升陶瓷表面粗糙度之陶瓷表面處理方法。
陶瓷材料係為經由成形及高溫燒結製成之無機非金屬材料，具有高熔點、高硬度、高耐磨性、耐酸鹼等優點，且具有優異之光、電磁、熱功能性及生物可相容性。
依據應用範疇之不同，陶瓷材料可以被區分為：電子陶瓷、結構陶瓷及生醫陶瓷。以生醫陶瓷為例，係藉由陶瓷材料之高度生物可相容性，可以應用於人體骨骼、肌肉系統及心血管系統之修復及替換；其中，材質為氧化鋯之陶瓷材料，由於具有與人體牙齒相似之象牙白色澤，能夠承受較大應力，且不容易造成牙齒之敏感現象，因此常被用作為牙科植體。
研究發現，牙科植體表面之粗糙度係具有提升骨引導作用(osteoconduction)優勢，使骨前質細胞(osteoprogenitor cell)攀爬於牙科植體表面，並且經由增殖及分化成為造骨細胞(osteoblast)，因而可以減少骨癒合時間，並且也可以提升牙科植體之移植成功率。
習知陶瓷表面處理方法中，係使用氫氟酸(hydrofluoric acid，簡稱HF，為氟化氫氣體之水溶液)對一陶瓷表面進行酸蝕，使該陶瓷表面產生微裂隙，因而可以提升該陶瓷表面之粗糙度；氫氟酸雖然屬於弱酸，卻具有強烈腐蝕性，其對皮膚刺激性弱，是以接觸時不會產生立即疼痛感，也無明顯症狀，然而，生物體不論是自皮膚、吸入或是口服等途 徑攝入氫氟酸，其解離出之氟離子(F- )都可能會導致全身性之低血鈣、低血鎂、肺水腫、代謝性酸中毒、心室性心律不整現象，嚴重時甚至會導致死亡，因而該習知陶瓷表面處理方法對作業人員之安全造成危害。
本發明之主要目的係提供一種陶瓷表面處理方法，係免除氫氟酸之使用，以防止氫氟酸對生物體造成之危害者。
為達到前述發明目的，本發明所運用之技術手段及藉由該技術手段所能達到之功效包含有：一種陶瓷表面處理方法，係包含：對一陶瓷表面進行噴砂處理，直至該陶瓷表面形成第一粗糙結構，使得該陶瓷表面粗糙度為100~1000μm；及以一含氟鹽類混合一溶解介質形成一酸處理液，以該酸處理液對該陶瓷表面進行酸蝕處理，使該酸處理液滲入該第一粗糙結構中，而於該陶瓷表面形成粗糙度為1000~5000nm之第二粗糙結構；其中，該酸處理液所含之氟離子濃度為0.25M，該含氟鹽類為IA、IIA及IIIA族金屬與氟離子反應生成之鹽類，該溶解介質則係含有濃度為10-2 ~10-8 M之氫離子。
本發明之陶瓷表面處理方法，其中，較佳係於進行酸蝕處理同時，以頻率為20~80kHz、功率為200~4000W之超音波進行震盪。
本發明之陶瓷表面處理方法，其中，較佳係於50~100℃進行酸蝕處理，該酸蝕處理時間係為5分鐘~3小時，特別係於85℃進行酸蝕處理，該酸蝕處理時間係為30分鐘。
本發明之陶瓷表面處理方法，其中，該含氟鹽類較佳係選自氟化鋰、氟化鈉、氟化鉀、氟化銫、氟化鈹、氟化鈣或氟化鍶之其一。
本發明之陶瓷表面處理方法，其中，且該溶解介質較佳為過氯酸、氫氯酸、硫酸、草酸、亞硫酸、醋酸、碳酸或過氧化氫之一。
本發明之陶瓷表面處理方法，其中，該噴砂處理較佳係以一衝擊材撞擊該陶瓷表面，該噴砂處理時間為10~300秒，特別係以100~500μm之氧化鋁砂做為該衝擊材，且該噴砂處理時間為60秒。
本發明之陶瓷表面處理方法，係藉由噴砂處理及酸蝕處理，分別於陶瓷表面形成不同大小之孔隙，達到提升陶瓷表面粗糙度之功效，其中更免除具有劇毒之氫氟酸的使用，防止氫氟酸對生物體造成傷害，達成提升作業人員安全性之功效。
第1A圖係本試驗第A1組之噴砂處理結果。
第1B圖係本試驗第A2組之噴砂處理結果。
第1C圖係本試驗第A3組之噴砂處理結果。
第1D圖係本試驗第A4組之噴砂處理結果。
第2A圖係本試驗第B1組之酸蝕處理結果。
第2B圖係本試驗第B2組之酸蝕處理結果。
第2C圖係本試驗第B3組之酸蝕處理結果。
第2D圖係本試驗第B4組之酸蝕處理結果。
為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：本較佳實施例之陶瓷表面處理方法，係包含一噴砂處理(blasting)及一酸蝕處理(etching)。
詳而言之，噴砂處理係於無水環境下，以一衝擊材對陶瓷表面進行衝擊，使該陶瓷表面產生顆粒化之凹陷(即，產生第一粗糙結構)，其表面粗糙度為100~1,000μm；其中，該衝擊材係可以選擇為氧化鋁砂、 碳化矽砂或玻璃珠等，其粒徑為100~500μm，該噴砂處理之時間較佳係為10~300秒，特別係為60秒。
酸蝕處理則係將陶瓷浸泡於一酸處理液中，或是將該酸處理液噴灑於陶瓷表面，以藉由該酸處理液與該陶瓷表面進行化學反應，使該陶瓷表面產生侵蝕現象，並且，該酸處理液更可以滲入第一粗糙結構之孔隙中，進而形成表面粗糙度為1000~5000nm之第二粗糙結構；其中，較佳係選擇於50~100℃進行酸蝕處理，且該酸蝕處理時間係為5分鐘~3小時，或者，可以於85℃進行酸蝕處理，且該酸蝕處理時間係為30分鐘。
上述酸處理液係包含一含氟鹽類及一溶解介質，該溶解介質係用以溶解該含氟鹽類，該溶解介質係含有濃度約為10-2 ~10-8 M之氫離子(H+ )，該含氟鹽類溶解於該溶解介質後，係可以解離產生濃度約為0.25M之氟離子(F- )，且該氟離子可以與陶瓷表面進行化學反應，以提升該陶瓷表面之粗糙度。
較佳地，用於酸蝕處理之酸處理液中，含氟鹽類係為IA、IIA及IIIA族金屬與氟離子反應生成之鹽類，較佳係為氟化鋰、氟化鈉、氟化鉀、氟化銫、氟化鈹、氟化鈣或氟化鍶之其一；並且，該酸處理液中，溶解介質係為過氯酸、氫氯酸、硫酸、草酸、亞硫酸、醋酸、碳酸或過氧化氫。
此外，酸蝕處理過程中，較佳係可以對酸處理液進行加熱，惟，酸處理液中之氟離子與陶瓷表面之化學反應係為一放熱反應，其溫度過高時可能使該酸處理液飛濺，是以其溫度係設定為介於50~100℃之間，較佳則介於80~100℃，可以提升酸蝕反應之處理效率；又或者，亦可以於酸蝕處理同時，以頻率為20~80kHz、功率為200~4000W之超音波進行震盪，使該酸處理液之氟離子可以侵蝕該陶瓷表面，進而使該陶瓷表面成粗糙。
是以，藉由本較佳實施例之陶瓷表面處理方法，係可以免除氫氟酸之使用，並且藉由噴砂處理及酸蝕處理，分別於陶瓷表面形成大小不同之孔隙，而提升該陶瓷表面之粗糙度。
為證實本較佳實施例之陶瓷表面處理方法，係可以有效提升陶瓷表面之粗糙度，遂選用材質為氧化鋯之陶瓷材料進行以下試驗：
(A)噴砂處理
請參照第1表所示，本試驗係選用粒徑約為110μm之氧化鋁砂，分別對處理0、30、60秒或120秒，並且以電子顯微鏡(HITACHI S-3000N)拍攝不同放大倍率(500倍、1,000倍及5,000倍)之陶瓷表面，其結果係紀錄於第1A~1D圖。
請參照第1A圖所示，未經過噴砂處理之第A1組中，其陶瓷表面之Ra 值係為0.143μm；續參照第1B~1D圖所示，隨著噴砂處理之時間拉長，各組陶瓷表面係漸呈凹凸不平，且形成第一粗糙結構，使得各組陶瓷隨其受噴砂處理時間逐步增加，而致其表面粗糙度(Ra 值)漸趨近於100~1000μm。是以，藉由本較佳實施例之噴砂處理，確實有利於增加陶瓷表面之粗糙度。
(B)酸蝕處理
續將經上述第A3組噴砂處理之陶瓷，分別浸泡於如第2表 所示之酸處理液中，控制溫度為85℃，進行酸蝕處理30分鐘，並同時以頻率為28kHz之超音波進行震盪，並且以電子顯微鏡(HITACHI S-3000N)拍攝不同放大倍率(500倍、1,000倍及5,000倍)之陶瓷表面，其結果係紀錄於第2A~2D圖。
請參照第2A~2D圖所示，相較於未經過酸蝕處理之第B1組結果，各組之酸處理液皆可以於各組陶瓷表面形成第二粗糙結構，並致其表面粗糙度(Ra 值)為1000~5000nm。是以，藉由本較佳實施例之噴砂及酸蝕處理，確實有利於增加陶瓷表面之粗糙度。
並且，於酸蝕處理中，更可以有效去除用於噴砂處理之氧化鋁砂，免除去除氧化鋁砂之清洗步驟，使本較佳實施例之陶瓷表面處理方法更為方便且簡潔。
綜合上述，本發明之陶瓷表面處理方法，係藉由噴砂步驟及酸蝕步驟，分別於陶瓷表面形成尺寸不同之孔隙，達到提升陶瓷表面粗糙度之功效，其中更免除具有劇毒之氫氟酸的使用，防止氫氟酸對生物體造 成傷害，達成提升作業人員安全性之功效。
雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (8)

  1. 一種陶瓷表面處理方法，係包含：對一陶瓷表面進行噴砂處理，直至該陶瓷表面形成第一粗糙結構，使得該陶瓷表面粗糙度為100~1000μm；及以一含氟鹽類混合一溶解介質形成一酸處理液，以該酸處理液對該陶瓷表面進行酸蝕處理，使該酸處理液滲入該第一粗糙結構中，而於該陶瓷表面形成粗糙度為1000~5000nm之第二粗糙結構；其中，該酸處理液所含之氟離子濃度為0.25M，該含氟鹽類為IA、IIA及IIIA族金屬與氟離子反應生成之鹽類，該溶解介質則係含有濃度為10-2 ~10-8 M之氫離子。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之陶瓷表面處理方法，其中，係於進行酸蝕處理同時，以頻率為20~80kHz、功率為200~4000W之超音波進行震盪。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之陶瓷表面處理方法，其中，係於50~100℃進行酸蝕處理，該酸蝕處理時間係為5分鐘~3小時。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之陶瓷表面處理方法，其中，係於85℃進行酸蝕處理，該酸蝕處理時間係為30分鐘。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之陶瓷表面處理方法，其中，該含氟鹽類為氟化鋰、氟化鈉、氟化鉀、氟化銫、氟化鈹、氟化鈣或氟化鍶。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之陶瓷表面處理方法，其中，該溶解介質為過氯酸、氫氯酸、硫酸、草酸、亞硫酸、醋酸、碳酸或過氧化氫。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之陶瓷表面處理方法，其中，該噴砂處理係以一衝擊材撞擊該陶瓷表面，該噴砂處理時間為10~300秒。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之陶瓷表面處理方法，其中，該衝擊材 為100~500μm之氧化鋁砂，該噴砂處理時間為60秒。
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN101332130A (zh) * 2007-04-19 2008-12-31 斯特劳曼控股公司 提供牙种植体表面形貌的方法
CN101707927A (zh) * 2007-07-06 2010-05-12 维塔假牙制造厂H·劳特有限责任两合公司 陶瓷体及其制备方法

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Title
鴻君科技有限公司，"噴砂&酸蝕處理"， 2013/04/23，http://www.hc-bios.com/ch/rd.php?cs=16&ss=18&sn=17 吳春森，"人工植體之表面處理技術發展"，2011/11/12 *

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