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      環(huán)境濕度和溫度對石膏材料的固化膨脹、壓縮強度及表面硬度的影響

      2018-08-21 03:00:38趙鵬陳昕王天璐黃炎姜春萍王瑞林余麗霞楊征
      實用口腔醫(yī)學雜志 2018年4期
      關鍵詞:環(huán)境溫度石膏濕度

      趙鵬 陳昕 王天璐 黃炎 姜春萍 王瑞林 余麗霞 楊征

      石膏材料是目前臨床使用最廣泛及最常見的口腔模型材料。目前對于攪拌水溫、水粉比、添加劑、消毒劑、脫模時間、攪拌方式及速度等因素對石膏性能的影響都均有詳細研究[1-10],但卻鮮有關于環(huán)境濕度(RH)和溫度因素(Temp)的研究,且多限于其對于石膏存儲的影響[11-13],或是不夠量化具體[14-15]。但無論在理論上還是臨床實踐中,RH和Temp這兩個因素對石膏模型性能的影響都不容忽略[14-15]。因此,本實驗通過模擬臨床環(huán)境和石膏固化過程,定量分析環(huán)境溫度和濕度變化對于4 種臨床常用石膏材料性能的影響,為臨床更好地選擇和應用石膏材料提供實驗依據(jù)。

      1 材料與方法

      1.1 實驗材料和儀器

      實驗材料見表 1。實驗儀器如:萬能材料試驗機(英斯特朗公司,5565,美國);恒溫恒溫箱SMC-150-CC(廣東三木科技有限公司);數(shù)顯外徑千分尺、電數(shù)顯卡尺(桂林廣陸數(shù)字測控股份有限公司);顯微硬度儀MMT-X(MATSUZAWA崧澤硬度計,日本);石膏震蕩機(鄭州熙華醫(yī)療器械有限公司);電子秤(500 g/0.01 g,上海犇利貿(mào)易有限公司)。

      表 1 實驗材料

      1.2 實驗方法

      1.2.1 實驗分組 通過查閱中國氣象網(wǎng)2016 年的氣象數(shù)據(jù)模擬臨床實際情況,參考北京、上海、成都3地月均氣溫和相對濕度,將溫度范圍限定在5~35 ℃,濕度范圍限定在10%~90%。 P、Y、H、C分別按照環(huán)境溫度和濕度分為8 組(Temp-RH):5 ℃-50%,15 ℃-50%,25 ℃-50%,35 ℃-50%,25 ℃-10%,25 ℃-30%,25 ℃-70%,25 ℃-90%。每組分別制備固化膨脹試樣2 個、壓縮強度試樣4 個、表面硬度試樣3 個,并進行編號。

      1.2.2 樣本制作 ①按圖 1尺寸制做3 種不銹鋼模型(±0.02 mm)[16],翻制硅橡膠陰模;②按照水粉比,稱量4 種石膏粉和相應的蒸餾水。裝袋,密封標記。硅橡膠模具噴蠟型清洗劑并吹干。將模具和稱量好的蒸餾水水、粉放入恒溫恒濕箱,在各組對應的Temp-RH下放置15 min,進行預處理。預處理后調(diào)拌蒸餾水和石膏粉,調(diào)和時間40 s,調(diào)拌速度一致。將調(diào)拌好的石膏灌注到干燥的硅橡膠模具內(nèi),震蕩灌注,排除氣泡;③恒溫恒濕箱處理40 min,脫模,然后繼續(xù)放置其中處理24 h。取出并標記后用密封袋進行密封。

      1.2.3 固化膨脹的測量 采用數(shù)顯千分尺(精度0.001 mm),測量試樣底部標記的2 條直徑長度。恒溫恒濕處理40 min脫模時的值記為L1,24 h后的值記為L2。每條直徑測3 次,取平均值。

      固化膨脹=(L2-L1)/L1×100%

      1.2.4 表面維氏硬度(HV)的測量 石膏試樣的底面用磨砂紙?zhí)荻却蚰ブ? 000 目,保證上下底面平行。采用顯微硬度儀測量試樣底面均勻分布的5 個點的表面硬度,分別進行0.49 N的壓力加壓15 s,讀取維氏硬度值,取平均值。

      圖 1 實驗測試樣本的形態(tài)參數(shù)

      1.2.5 壓縮強度的測量 將石膏試樣打磨至上下底面平行。采用萬能材料實驗機測量數(shù)據(jù),加載面積為截面積S,加載速度為2 mm/min,記錄樣品碎裂時的峰值F。

      壓縮強度(MPa)=F(N)/S(mm2)

      1.3 統(tǒng)計學分析

      2 結(jié) 果

      2.1 石膏樣本在不同環(huán)境溫度和濕度條件下的固化膨脹

      僅35 ℃-50%組有差異(P<0.05),且P和H的固化膨脹較大。濕度相同時,在不同溫度下,P、H和C的固化膨脹有差異(P<0.05);溫度相同時,在不同濕度下,4 種石膏均有差異(P<0.05)(圖 2)。

      圖 2 4 種石膏在不同測試溫度和濕度下的固化膨脹差異

      Fig 2 The setting expansion of 4 types of gypsum at different RH and temperature

      2.2 石膏樣本在不同環(huán)境溫度和濕度條件下的表面硬度

      每種條件下4 種石膏的表面維氏硬度均有差異(P<0.05),除了15 ℃-50%組和25 ℃-90%組Y和C最高(Y=76.56,C=77.45),以及35 ℃-50%組Y最高(146.18)外,其他條件均為C的表面硬度最高,且P每種條件下均為最低。濕度相同時,在不同溫度下,除了P的表面硬度無顯著差異(P>0.05)外,H、Y和C均有差異(P<0.05);溫度相同時,在不同濕度下,除了P的表面硬度無顯著差異(P>0.05)外,H、Y和C均有差異(P<0.05)(圖 3)。

      2.3 石膏樣本在不同環(huán)境溫度和濕度條件下的壓縮強度

      每種條件下4 種石膏的壓縮強度均有差異(P<0.05),除5 ℃-50%組H(47.06MPa)最高外,其他條件下C最高,且P每種條件下均為最低。濕度相同時,在不同溫度下,除了P的壓縮強度無顯著差異(P>0.05)外,其余3 種石膏均有差異(P<0.05);溫度相同時,在不同濕度下,4 種石膏均有差異(P<0.05)(圖 4)。

      3 討 論

      3.1 環(huán)境溫度和濕度對石膏固化膨脹的影響

      圖 3 4 種石膏在不同測試溫度和濕度下的表面硬度差異

      Fig 3 The surface hardness of 4 types of gypsum at different RH and temperature

      圖 4 4 種石膏在不同測試溫度和濕度下的壓縮強度差異

      Fig 4 The compressive strength of 4 types of gypsum at different RH and temperature

      實驗結(jié)果表明,除硬質(zhì)石膏的固化膨脹不受溫度影響只受濕度影響外,其他石膏的固化膨脹均受環(huán)境溫度和濕度的影響。石膏固化膨脹源自于調(diào)拌時過多的水分所占據(jù)的空間以及石膏固化過程中形成的微空隙及氣泡[11]。微孔隙可能是生成的二水硫酸鈣晶體在生長時互相推擠形成的[17]。氣泡則是操作過程中人為帶入的。

      本實驗發(fā)現(xiàn)在35 ℃下硬質(zhì)石膏和超硬石膏,以及10%、30%、90%相對濕度下的4 種石膏在24 h后的數(shù)據(jù)中均表現(xiàn)為收縮。在臨床實踐中,模型適當?shù)呐蛎浛梢匝a償金屬冠鑄造時的收縮,也可補償制作過程中模型的磨損,給粘接劑留出空間[18]。而模型的收縮會使得模型上的牙預備體小于口內(nèi)的牙預備體,使得按照模型制作出來的修復體難以在患者口內(nèi)就位[19]。模型的收縮可能與水分的散失以及同時發(fā)生的二水硫酸鈣晶體轉(zhuǎn)變?yōu)榘胨蛩徕}或無水硫酸鈣有關[20]。溫度的升高和濕度的降低也會加速石膏的收縮[14]。本實驗中,在高溫(35 ℃)、低濕度(10%、30%)的條件下,24 h后石膏模型便表現(xiàn)為收縮,與前述的文獻結(jié)論基本一致。但本實驗還發(fā)現(xiàn)在高濕度(90%)的情況下,石膏模型也很快表現(xiàn)出收縮,與石膏材料吸水膨脹的現(xiàn)象相悖[21],有待進一步研究。

      盡管環(huán)境溫度和濕度對于4 種石膏的固化膨脹均有影響,但均滿足YY0462-2003牙科石膏產(chǎn)品國家標準的性能要求。值得注意的是4種石膏在高溫度、低濕度及高濕度環(huán)境下的收縮現(xiàn)象,而南方城市(上海、成都)夏季常為高溫高濕天氣,冬季常為低濕度環(huán)境,提示此時在臨床使用中應盡量避免模型暴露于室外空氣中,最好在陰涼處密封保存。

      3.2 環(huán)境溫度和濕度對石膏表面硬度和壓縮強度的影響

      在所有實驗條件下,普通石膏的壓縮強度和表面硬度均最低,且基本上超硬石膏的壓縮強度和表面硬度是最高的。石膏材料的表面硬度與其壓縮強度相關,一般來說高壓縮強度相應的表面硬度也高[8]。這一點在濕度變化時,表現(xiàn)出較高的一致性,但在溫度變化時卻基本相反。這是因為壓縮強度主要由石膏中非結(jié)晶水的量決定,同時受微孔隙和氣泡的影響[2,8,22]。而高溫使得非結(jié)晶水蒸發(fā)加快,并且樣本表面干燥要比內(nèi)部快,但是低溫條件下晶體結(jié)晶更慢,形成的微孔隙更小[8],所以硬質(zhì)石膏和混合石膏在高溫下的壓縮強度反而更小,而表面硬度更高。超硬石膏在35℃時壓縮強度最高,表面硬度最低,反映出其本身水分較少,顆粒細小,微孔隙較小的特點,但也可以看出高溫最終會破壞晶體結(jié)構(gòu),降低表面硬度。 因此,為保證更高的表面硬度和壓縮強度,建議高溫、高濕天氣不要將模型置于室外及暴露于空氣中。

      4 結(jié) 論

      本實驗研究了以北京、上海、成都為代表的不同環(huán)境濕度和溫度條件對于4 種石膏材料的固化膨脹、表面硬度和壓縮強度的影響,得出以下結(jié)論:①環(huán)境溫度和濕度對于4 種石膏的固化膨脹均有影響,但是其最大值均在YY0462-2003牙科石膏產(chǎn)品國家標準的性能要求范圍之內(nèi),對于臨床應用并沒有實際影響;②4 種石膏在高溫度、低濕度及高濕度環(huán)境下均會發(fā)生收縮,并且為保證較高的表面硬度和壓縮強度,應盡量避免模型暴露于高溫、高濕或低濕環(huán)境中;③幾乎所有實驗環(huán)境條件下的壓縮強度和表面硬度均有:普通石膏<混合石膏<硬質(zhì)石膏<超硬石膏,因此建議臨床使用石膏材料時優(yōu)先考慮超硬石膏,普通石膏僅適用于制作記存模型。

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