За фізичними властивостями стоматологічні порцеляни близькі до стекол, структура їх изотропна. Вони являють собою переохолоджені рідини і внаслідок високої в'язкості можуть зберігати склоподібний изотропное стан при охолодженні без помітної кристалізації.
Стоматологічні порцеляни можуть переходити при розм'якшенні або отвердении з твердого в рідкий стан (і назад) без утворення нової фази.
Скла немає власної температури плавлення, а характеризуються інтервалом розм'якшення. Фарфор утворюється в результаті складного фізико-хімічного процесу взаємодії компонентів порцелянової маси при високій температурі. Так, при температурі 1100-1300 ° С калієвий шпат перетворюється на калиевое полевошпатное скло. Каолін і кварц мають вищу температуру плавлення, ніж польовий шпат. Однак в розплаві полевошпатного скла каолін і кварц взаємодіють зі склом. При цьому каолін утворює голчасті кристали муллита, пронизують весь обшир порцеляни. Частинки кварцу оплавляються, втрачають игольчатую форму, і невеличке їх кількість переходить в розплав скла.
Численними мікроскопічними дослідженнями встановлено такі основні структурні елементи порцеляни:
1) склоподібна ізотропна маса, що складається з полевошпатного скла з різним ступенем насичення (А12О3; SiO2);
2) не розчинилися в склі оплавлені частки кварцу;
3) кристали муллита ЗА12О3 х 2SiO2> розподілені в розплаві кремнеземполевошпатного скла;
При надмірному збільшенні стеклофази міцність порцеляни зменшується. Нерастворившиеся в полевошпатном склі частки кварцу разом з кристалами муллита і глинозему утворюють скелет порцеляни. Важливим фактором у структурі порцеляни є пори. Найбільшу пористість (35-45%) матеріал має перед початком спікання [Будніков П. П. та ін. 1972].
У міру освіти склоподібної фази пористість знижується. При цьому підвищується щільність матеріалу і, відповідно, скорочуються розміри вироби. Повного знищення пір заважають укладені в них бульбашки газів, що утворюються в результаті фізико-хімічної взаємодії окремих компонентів маси. Висока в'язкість полевошпатного скла заважає видаленню газових бульбашок з фарфорового матеріалу, чим і обумовлюється освіту закритих пір.
Сучасний стоматологічний фарфор по температурі випалу класифікується як тугоплавкий (1300-1370 ° С), среднеплавкого (1090-1260 ° С) і Низкоплавкий (870-1065 ° С). Зразковий склад компонентів фарфору наведено в таблиці 44.
Тугоплавкий фарфор зазвичай використовується для фабричного виготовлення штучних зубів для знімних протезів.
Среднеплавкие і низкоплавкие порцеляни застосовуються для отримання коронок, вкладок і мостоподібних протезів. Використання низкоплавких і среднеплавких порцелян дозволило застосовувати печі для випалу з ніхромового та іншими нагрівачами.
При створенні коронок, вкладок, мостовидних протезів фарфоровий порошок змішують з дистильованою водою до консистенції густої кашки. Порцелянову кашку наносять на матрицю, приготовану з платинової фольги, або на вогнетривку модель для приготування вкладок або безпосередньо на метал при облицюванні фарфором металевих незнімних протезів (рис. 12). Кашку ретельно конденсують, надлишок води видаляють фільтрувальної папером. Після цього виріб встановлюють на керамічний піднос і підсушують у вхідному отворі вакуумної печі. Потім обпікає протез вводять в піч і проводять випал згідно з режимом, рекомендованим виробником фарфорового матеріалу.
Оптичні властивості порцеляни є одним з головних достоїнств штучних зубів. Коронка природного зуба просвічує, але не прозора, як скло. Це пояснюється тим, що поряд з абсорбцією світла прозорість виражається співвідношенням дифузно розсіяного і проходить світла.
Світло, що з хвиль різної довжини, потрапляючи на поверхню зуба, може поглинатися, відбиватися і переломлюватися.
Оптичний ефект порцеляни близький до такого у природних зубів в тих випадках, коли вдається знайти правильне співвідношення між стеклофазой і замутнителями порцеляни. Зазвичай цьому заважає велика кількість повітряних пір і замутняющее дію кристалів. Зменшення кристалічних включень призводить до підвищення деформацій вироби під час випалу і зниження міцності порцеляни. Такий шлях підвищення прозрагності має певну межу.
Друга можливість збільшення прозорості стоматологічного порцеляни залежить від зменшенні розміру і кількості газових пір. До випалу сумарний обсяг повітряних включень сконденсованої порцелянової кашки становить 20-45%.
Для зменшення газових пір запропоновано 4 способи:
1) випал порцеляни в вакуумі - при цьому способі повітря видаляється раніше, ніж він встигне затриматися в розплавленої масі;
2) випал порцеляни в дифузному газі (водень, гелій), коли звичайну атмосферу печі заповнюють здатним до дифузії газом; під час випалу повітря виходить із проміжків і щілин порцеляни (метод непридатний на практиці);
3) випал порцеляни під тиском 10 атм. Якщо розплавлений фарфор охолоджувати під тиском, то повітряні бульбашки можуть зменшуватися в обсязі, і їх светопреломляющее вплив значно слабшає. Тиск підтримують до повного охолодження порцеляни. Цей спосіб ще застосовують на деяких заводах для виробництва штучних зубів. Недолік методу полягає в неможливості повторного розігріву і глазурования під атмосферним тиском, так як бульбашки газу відновлюються при цьому до первинних розмірів;
4) при атмосферному випалюванні підвищення прозорості порцеляни використовується грубозернистий матеріал. При випалюванні такого порцеляни утворюються більші пори, але кількість їх значно менше, ніж у дрібнозернистих матеріалів.
Із зазначених вище чотирьох способів найбільшого поширення набув вакуумний випал, який застосовується в даний час як для створення протезів в зуботехнічних лабораторіях, так і на заводах при виробництві штучних зубів. Фарфор, обпікає в вакуумі, має в 60 разів менше часу, ніж при атмосферному випалюванні.
При випалюванні порцелянових мас усадка становить 20-40%. Причинами такої усадки є:
- недостатнє ущільнення (конденсація) частинок керамічної маси;
- втрата рідини, необхідної для приготування фарфорової кашки;
- вигоряння органічних добавок (декстрин, цукор, крохмаль, анілінові барвники).
Велике практичне значення має напрямок усадки. Усадка може бути:
- в бік більшого тепла;
- в напрямку сили тяжіння;
- в напрямку більшої маси.
У першому і другому випадках усадка незначна, так як в сучасних печах (рис. 13) гарантовано рівномірний розподіл тепла, а сила тяжіння невелика. Усадка в напрямку великих мас значно вище. Маса в розплаві через поверхового натягу і зв'язку між частинками прагне прийняти форму краплі. При цьому. вона підтягується від периферичних ділянок (т. е. від шийки коронки, наприклад) до центральної частини коронки (до більшої масі порцеляни), що в кінцевому рахунку може привести до появи щілини між штучної порцелянової коронкою і уступом моделі препарованого зуба.
Міцність порцеляни залежить від рецептури (складу компонентів) порцелянової є і технології виробництва. Основними показниками міцності порцеляни є:
- міцність при розтягуванні;
- міцність при стисненні (4600-8000 кг / см2);
- міцність при вигині (447-625 кг / см2).
Міцність при згині сучасної кераміки (за міжнародним стандартом ISO 9693 «Стоматологічна металокераміка для зубного протезування», величина міцності фосфору при вигині не повинна бути нижче 50 МПа) для облицювання металевих каркасів 80-90 МПа, а у порцеляни ЕХ-3 Норіташ (фірма « Норітаке », Японія) вона на 30% вище [Хіросі І. Бан К. 1987].
Великий вплив на міцність надає метод конденсації частинок порцеляни. Існують 4 методу конденсації:
- колонкової або соболиній пензлем;
- методом гравітації (без конденсації);
Більшість дослідників вважає, що найкращого ущільнення порцелянової маси можна досягти рифленим інструментом з наступним застосуванням тиску фільтрувальної папером при видаленні рідини.
Серед технологічних умов, які суттєво впливають на показники міцності, необхідно відзначити наступні:
- необхідне ущільнення матеріалу, т. Е. Конденсація частинок порцеляни (див. Вище);
- хороше просушування маси перед випалюванням;
- оптимальне (як правило, не більше 3-4) кількість обжигов;
- проведення випалу при адекватній для даної маси температурі;
- спосіб застосування вакууму при випалюванні;
- глазурование поверхні протеза.
1) початок випалу повинно збігатися з початком розрядження атмосфери робочої камери печі;
2) при досягненні оптимальної температури випалу повинен бути досягнутий повний вакуум;
3) збільшення кількості обжигов знижує міцність порцеляни через його заскловування;
4) випал при температурі, що перевищує оптимальну, зменшує міцність через нестачу кількості стеклофази;
5) випал при температурі нижче оптимальної для даної маси знижує міцність через надмірне збільшення стеклофази;
6) час випалу в вакуумі при досягненні оптимальної температури випалу не перевищує 2 хв (при збільшенні часу витримки у вакуумі навіть при оптимальній температурі міцність порцеляни зменшується).
Кращі сорти стоматологічного порцеляни при дотриманні оптимальних режимів виробництва виробів мають міцність при вигині 600-700 кг / см2. Подібна міцність стоматологічного матеріалу є недостатньою. Тому умовно можна виділити, як мінімум, два основних напрямки в пошуку шляхів підвищення міцності порцеляни: за рахунок нових технологій випалу, включаючи і розробку відповідного обладнання та інструментарію; за рахунок зміни рецептури порцелянової маси.
Так, наприклад, введення в скло або фарфор кристалічних частинок високої міцності і еластичності, що мають однаковий коефіцієнт термічного розширення зі склом або порцеляною, призводить до значного підвищення міцності. При цьому її збільшення відбувається пропорційно зростанню кристалічною фази. Кварц додають в фарфор як підсилювач кристалічної фази. Частинки кварцу добре з'єднуються зі склом основного речовини, але коефіцієнт термічного розширення у них різний. При охолодженні навколо кристалів кварцу виникають зони напруги, які добре видно під поляризаційним мікроскопом. Тріщини в порцеляні, посиленому кварцом, проходять по зонам напруги, минаючи кристали.
Так, глиноземний фарфор містить 60% стоматологічного порцеляни і 40% оксиду алюмінію, що дозволило знизити температуру. випалу до 1050 ° С, а міцність при цьому збільшилася вдвічі. Оскільки оксид алюмінію і стоматологічний фарфор мають однаковий коефіцієнт термічного розширення, тріщина в алюмооксидного порцеляні поширюється як через скляну, так і через кристалічну фазу. Кристали є потенційними «гальмами розтріскування» (рис. 14).