Appunti Scienza Materiali [PDF]

Zitiervorschau

Anno scolastico 2017/2018

Scienza dei materiali Appunti per le classi 3a , 4a e 5a Odo Giuseppe Sciolla 21/06/2018 11.00.59 a.m.

Creative Commons

G. Sciolla – Scienza dei materiali dentali. Appunti

Appunti scienza dei materiali La materia e i materiali.............................................................................................................. 3 Le caratteristiche dei materiali...................................................................................................5 Le cere......................................................................................................................................12 I materiali da impronta.............................................................................................................16 I materiali per lo sviluppo dell’impronta................................................................................. 23 I metalli.................................................................................................................................... 28 Le leghe....................................................................................................................................30 I materiali refrattari da rivestimento........................................................................................ 39 Le leghe nobili da colata.......................................................................................................... 43 Le leghe non nobili da colata................................................................................................... 46 Il titanio....................................................................................................................................50 Le prove sui materiali.............................................................................................................. 53 La corrosione............................................................................................................................64 I polimeri..................................................................................................................................69 Le ceramiche dentali................................................................................................................ 79 Le leghe per metallo - ceramica...............................................................................................90 Compositi e metallo – resina....................................................................................................98 Schede di esercizi 3a...............................................................................................................104 Schede di esercizi 4a...............................................................................................................118 Schede di esercizi 5a...............................................................................................................132 Testi seconde prove esame Scienza Materiali Dentali........................................................... 146 Appendice 1 La conoscenza e la sua rappresentazione..........................................................150 Appendice 2 Le tecnologie della conoscenza scientifica.......................................................154 Appendice 3 Approfondimenti leghe dentali......................................................................... 157 Appendice 4 Prerequisiti di matematica: le potenze e la notazione scientifica......................161

2

G. Sciolla – Scienza dei materiali dentali. Appunti

La materia e i materiali Percorso base La materia L’universo che ci circonda è costituito da oggetti e da eventi (cose che accadono agli oggetti). Gli oggetti sono porzioni di materia, ma che cos'è la materia? La materia è tutto ciò che possiede una massa e che occupa un volume. La massa di un oggetto è la quantità di materia che lo costituisce. L'unità di misura della massa nel Sistema internazionale è il chilogrammo (kg). Esso viene definito nel seguente modo: il chilogrammo è una massa uguale a quella del chilogrammo campione. Il volume è la porzione di spazio occupata da un oggetto. L’unità di misura fondamentale del volume nel Sistema internazionale è il metro cubo. Il metro cubo è il volume del cubo che ha lo spigolo lungo un metro. Il volume dei liquidi e dei gas sono spesso espressi mediante le unità di misura di capacità. La sua unità fondamentale è il litro. Il litro attualmente è definito uguale ad un decimetro cubo. Esso non fa parte del Sistema Internazionale, ma è tollerato come sinonimo di un sottomultiplo del metro cubo: il decimetro cubo, appunto. Caratteristiche della materia e sistemi. La materia, oltre alle due caratteristiche fondamentali che la definiscono (massa e volume), possiede molte altre caratteristiche. Tra queste particolare importanza rivestono le grandezze intensive. Le caratteristiche intensive sono caratteristiche che non dipendono dalla quantità di materia presa in esame. Un esempio di grandezza intensiva è la densità. Qualsiasi pezzo di ferro, ad esempio, ha la stessa densità, a prescindere dalla sua grandezza. Altri esempi di caratteristiche intensive sono la temperatura di fusione, la temperatura di ebollizione, il colore, la combustibilità. Noi siamo immersi nell'universo che ci circonda, ma è impossibile osservare e prendere in considerazione tutti gli oggetti e tutti gli eventi di cui esso è costituito. Noi riusciamo a coglierne solo una piccola parte, ad esempio un certo oggetto. La parte dell'universo che in un certo momento prendiamo in considerazione, costituisce un sistema. Sistema – una quantità di materia finita o una regione di spazio limitata, su cui concentriamo la nostra attenzione, prende il nome di sistema. I sistemi possono essere studiati e classificati in base alle loro caratteristiche intensive, come la temperatura di fusione, la temperatura di ebollizione, la densità, il colore, l'odore, il sapore, la durezza, la combustibilità, l'acidità,… In alcuni sistemi (come ad esempio un pennarello) le caratteristiche non sono uguali dappertutto (ad esempio il tappo del pennarello ha colore, durezza, temperatura di fusione diverse rispetto a quelle dell'involucro metallico): questi sistemi sono chiamati sistemi eterogenei. Sistema eterogeneo – un sistema è detto eterogeneo se non ha caratteristiche chimiche e fisiche identiche in ogni suo punto 3

G. Sciolla – Scienza dei materiali dentali. Appunti

Altri sistemi (come ad esempio l'acqua contenuta in una bottiglietta), presentano invece caratteristiche identiche in ogni loro punto: questi sistemi sono chiamati sistemi omogenei. Sistema omogeneo – un sistema è detto omogeneo se ha caratteristiche chimiche e fisiche identiche in ogni suo punto. Molto utile nella discussione e classificazione dei sistemi è il concetto di fase. Fase è una porzione di materia con caratteristiche chimiche e fisiche identiche in ogni suo punto. Pertanto, i sistemi omogenei ed eterogenei possono essere definiti anche nel seguente modo: •

un sistema omogeneo è un sistema costituito da una sola fase;

•

un sistema eterogeneo è un sistema costituito da due o più fasi.

I materiali. Abbiamo visto che non tutte le porzioni di materia sono identiche: esistono tipi di materia diversi che possono essere distinti tra loro in base alle grandezze intensive. Questi tipi diversi di materia li chiameremo materiali.


60°C) - in cui l'energia necessaria per rompere il legame perossido è fornita sotto forma di calore. Questa attivazione è caratteristica delle resine termo-polimerizzabili

▪

attivazione fotochimica - in cui l'energia viene fornita sotto forma di radiazione luminosa di opportuna lunghezza d'onda (può essere una "luce visibile" o una radiazione UV, a seconda del tipo particolare di attivatore). Questa attivazione è caratteristica delle resine fotopolimerizzabili.

83

Un radicale libero è una specie chimica molto reattiva che possiede un elettrone spaiato.

73

G. Sciolla – Scienza dei materiali dentali. Appunti

▪

attivazione chimica - in cui il legame perossido è aperto ad opera di un'altra sostanza chimica, detta attivatore (in genere una ammina), con formazione di radicali. Questa attivazione è caratteristica delle resine autopolimerizzabili (a freddo).

b. Propagazione In questa fase il radicale si lega con il suo elettrone spaiato ad uno degli atomi di carbonio del doppio legame, lasciando un elettrone spaiato sul secondo atomo di carbonio del doppio legame. Si forma in questo modo un nuovo radicale, di dimensioni maggiori, ottenuto aggiungendo un monomero al radicale di partenza. Il nuovo radicale attacca un altro monomero, dando luogo alla propagazione della catena. Ad ogni stadio della catena il radicale si accresce di un monomero. c. Arresto Se due radicali si incontrano, reagiscono formando un legame a partire dai due elettroni spaiati. Si ottiene una molecola unica (in genere è di grandi dimensioni), che non contiene più elettroni spaiati. Questa fase tende ad arrestare la reazione, perché in essa scompaiono i radicali che si erano formati nella fase di innesco. 8. Tecniche di preparazione dei polimeri Il processo di polimerizzazione è una reazione fortemente esotermica ed il calore liberato può provocare un innalzamento incontrollato della temperatura, con formazione di un prodotto con caratteristiche diverse da quelle desiderate (grado di polimerizzazione diverso da quello voluto, formazione di bolle e porosità a causa della elevata temperatura che porta all'ebollizione del monomero, ecc.) L’aumento di temperatura accelera a sua volta la velocità della reazione, con aggravamento del problema del riscaldamento della massa. Le tecniche di polimerizzazione, messe a punto o modificate anche per tener conto di questo problema, sono fondamentalmente quattro, ma solo una di esse (la polimerizzazione in massa) è di interesse diretto in campo odontotecnico: a. Polimerizzazione in blocco (o polimerizzazione in massa)84 84

Le altre tecniche di polimerizzazione, impiegate dall’industria per produrre i principali polimeri, sono:

b.

Polimerizzazione in soluzione Il monomero viene sciolto in un solvente organico e, in presenza di un appropriato catalizzatore, si fa avvenire la polimerizzazione in soluzione. Il riscaldamento risulta molto più contenuto, in quanto il calore si disperde nella massa del solvente, contenendo l’aumento di temperatura. L’inconveniente del metodo consiste nella necessità, a polimerizzazione avvenuta, di dover separare e recuperare il solvente, processo non sempre agevole. Parte del solvente può restare intrappolato all’interno del polimero per liberarsi poi lentamente nel tempo. I solventi adoperati, vista la loro natura organica, sono spesso tossici o nocivi e altamente infiammabili, che creano notevoli problemi di sicurezza degli impianti e degli ambienti di lavoro.

c.

Polimerizzazione in emulsione Il monomero, insieme al catalizzatore e alle altre sostanze necessarie ad avviare la polimerizzazione, viene emulsionato in acqua. L’emulsione è stabilizzata con aggiunta di emulsionanti (saponi, tensioattivi, ecc.) In questo caso è il liquido disperdente (l’acqua) ad assorbire il calore in eccesso. Si ottiene un prodotto disperso in acqua, talvolta utilizzabile tal quale (ad esempio, il vinavil), oppure si separa con abbastanza agevolmente per filtrazione o centrifugazione.

d.

Polimerizzazione in sospensione Il processo è simile al precedente. Il monomero è però presente nella matrice acquosa in gocce di maggiori dimensioni che , a reazione avvenuta, danno origine a “perle” di polimero del diametro di qualche millimetro. Le perle così ottenute sono facilmente separabili dall’acqua per filtrazione. Per ottenere la sospensione, ed evitare che le gocce di monomero si riaggreghino e si separino, il liquido deve essere agitato in modo vigoroso ed in continuazione. Si aggiungono anche emulsionanti, ma in quantità inferiore a quelle usate per la tecnica in emulsione.

74

G. Sciolla – Scienza dei materiali dentali. Appunti

Nella sua versione originaria il metodo consiste nella polimerizzazione del monomero puro direttamente nello stampo del manufatto da produrre. Il pregio del metodo consiste nella elevata purezza del monomero e nella produzione diretta dell’oggetto. Esiste però il problema notevole del forte riscaldamento a causa del calore sviluppato dalla reazione con le conseguenze già discusse più sopra. Il problema del riscaldamento può essere attenuato con una variante del metodo, che consiste nel partire anziché dal solo monomero puro, da una miscela di sostanza già polimerizzata e monomero. Il polimero in polvere viene disciolto nel monomero, fino ad ottenere una pasta con viscosità appropriata con cui si riempie lo stampo. Si fa quindi proseguire la polimerizzazione attivando la reazione con un modesto riscaldamento. Questo metodo è ampiamente utilizzato nei laboratori odontotecnici. Questa variante può essere utilizzata solo nel caso in cui il polimero sia solubile nel monomero. 9. Gli additivi Gli additivi vengono fatti incorporare nelle materie plastiche per modificarne le caratteristiche. Essi possono esplicare semplicemente il ruolo di un riempitivo a basso costo oppure, in altri casi, associano questo compito a quello di rinforzare il polimero, rendendolo più resistente nei riguardi della deformazione meccanica. a. I plastificanti I plastificanti svolgono invece il ruolo di lubrificanti interni del polimero, rendendo più facile il riassestamento delle molecole; per questa via si ottiene che polimeri molto rigidi a temperatura ambiente, come il PVC, divengano flessibili. In termini semplici si può ritenere che un plastificante sia composto da piccole molecole che si frappongono tra le macromolecole. b. Gli stabilizzanti Gli stabilizzanti sono additivi che servono a ridurre la velocità di deterioramento di prodotti organici. In genere lo scopo viene raggiunto mescolando al polimero additivi che prevengono l’azione dell’ossigeno contro la molecola organica o riducono la possibilità di assorbimento di energia radiante (essenzialmente UV). c. Ai polimeri, poi, con intenti ovvi, vengono aggiunti coloranti I coloranti sono solitamente ossidi o altri composti dei metalli di transizione. Ad esempio, nelle resine per basi di protesi, il colore rosa delle mucose viene simulato con l’aggiunta di ossido ferrico e di solfuro di mercurio. 10. Classificazione dei polimeri in base alla loro natura chimica e indicazione degli impieghi principali 

plastomeri termoplastici o resine acriliche     

ribasature; corone e ponti provvisori; rivestimento estetico di corone e ponti; basi di protesi mobili; denti artificiali; 75

G. Sciolla – Scienza dei materiali dentali. Appunti

 

modellazione85; (porta-impronte individuali)

o resine vinil – acriliche  basi di protesi mobili; o resine polistireniche  basi di protesi mobili; o policarbonati



 corone e ponti provvisori;  basi di protesi mobili; plastomeri termoindurenti o resine epossidiche



 monconi e modelli elastomeri (materiali da impronta) 86

o polisolfuri o polieteri o polivinilsilossani 11. Resine per basi di protesi e loro formatura Le resine per basi di protesi, parziali o totali, sono tra le più importanti in campo odontotecnico, per la vastità del loro impiego. Esse vengono divise in tre tipi merceologici fondamentali; 

Tipo I – resine termopolimerizzabili



Tipo II – resine autopolimerizzabili



Tipo III resine termoplastiche in blocchetti o polvere

Le resine di tipo I e tipo II chimicamente appartengono o alle resine acriliche o alle resine vinil-acriliche. Le resine tipo III possono essere resine acriliche oppure polistirene o policarbonato. Sono però di impiego molto più limitato per la maggiore difficoltà di lavorazione. La realizzazione delle basi di protesi (formatura) si svolge secondo due metodiche principali: 

formatura per compressione, con resine termopolimerizzabili (tipo I) o autopolimerizzabili (tipo II). Questo tipo di formatura ha il pregio di richiedere attrezzature poco costose. I suoi difetti consistono nel fatto che l’operatore viene a contatto con il monomero liquido esponendolo a effetti nocivi per contatto e per inalazione. Inoltre, se la procedura non è eseguita a regola d’arte, si può avere facilmente la formazione di porosità nel manufatto. Le possibili cause di porosità sono:

85

Le resine per modellazione disponibili da più tempo sono resine acriliche autopolimerizzabili. Di più recente introduzione sono resine a base di uretan-dimetacrilato (UDMA) fotopolimerizzabili. (Simionato, vol2, pp. 701 703) 86 Elastomeri – son così chiamati i polimeri dotati di notevole allungamento in campo elastico. La grande elasticità della gomma dipende dallo svolgersi delle catene macromolecolari che, in posizione di riposo, assumono una configurazione a gomitolo (P. Bassi, Chimica applicata, p. 217, 231] La gomma naturale ha una temperatura di transizione vetrosa di - 70°C

76

G. Sciolla – Scienza dei materiali dentali. Appunti



o

miscelazione non uniforme: nelle zone più ricche di monomero si ha un maggior ritiro da polimerizzazione con formazione di “strappi” e fessure (microporosità)

o

insufficiente pressione – si ha una porosità che interessa tutta la massa del manufatto

o

riscaldamento troppo rapido – può portare alla ebollizione del monomero, con formazione di bolle di vapore che danno luogo ad una porosità localizzata prevalentemente nelle zone interne in cui il manufatto è più spesso (zone in cui si raggiungono le temperature più alte).

formatura per iniezione, in speciali muffole dotate di canali di alimentazione, a temperatura ambiente con resine tipo I e tipo II e a temperatura adeguata, a cui è possibile la loro deformabilità plastica, per resine tipo III. I pregi della formatura per iniezione consistono nel fatto che •

vengono eliminate le possibili cause di porosità. Infatti la lavorazione è automatizzata e consente un perfetto controllo delle fasi di miscelazione, pressione durante l’iniezione e riscaldamento.

•

l’operatore non viene a contatto con il monomero

I difetti della formatura per iniezione riguardano i maggiori costi dei macchinari da impiegare (miscelatore, muffola speciale, …). Riportiamo di seguito la composizione di una tipica resina acrilica termopolimerizzabile di impiego dentale, impiegata per la realizzazione di basi di protesi mobili. Resina acrilica termopolimerizzabile - Composizione di un prodotto commerciale da usare per la polimerizzazione in blocco. Polvere: • • • • • •

polimero (poli-metil-metacrilato), sotto forma di piccoli granuli iniziatore (perossido di benzoile che si dissocia termicamente in radicali) plastificanti, per rendere meno rigido il polimero finale coloranti, pigmenti inorganici come solfuro di mercurio e ossido ferrico, per impartire una colorazione simile a quella dei tessuti orali opacizzanti, solitamente ossido di zinco e biossido di titanio fili di naylon rossi (per simulare i vasi sanguigni)

Liquido: • • •

monomero (metil-metacrilato) inibitori (idrochinone), bloccano eventuali radicali liberi formatisi accidentalmente, impedendo la polimerizzazione del liquido prima del suo impiego sostanze reticolanti (un altro monomero che contiene due doppi legami nella molecola e che ha la possibilità di formare alcune catene trasversali). Provoca una parziale reticolazione che rende il polimero più resistente.

Nelle resine acriliche autopolimerizzabili, dette anche a freddo o ad attivazione chimica,nella polvere è presente anche un attivatore chimico. 77

G. Sciolla – Scienza dei materiali dentali. Appunti

Bibliografia 

Van Vlack, Tecnologia dei materiali, EST Mondadori.



P.Bassi, Chimica applicata ai materiali da costruzione, SEI, TO 1993



Voci: polimeri, polimerizzazione, materie plastiche – Enciclopedia della chimica, USES



http://it.wikipedia.org/wiki/Polimero



http://it.wikipedia.org/wiki/Polimerizzazione



http://www.dmfci.unict.it/siracusa/web1/materiale_didattico/b3.pdf (biomateriali, non solo polimeri)



http://www.dmfci.unict.it/siracusa/web1/materiale_didattico/b4.pdf



http://chifis.unipv.it/mustarelli/Biomateriali%20polimerici%20-%20cap%208.pdf