Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы 15
1.1. Физические основы взаимодействия СВЧ с веществом 15
1.2. Современные аспекты использования энергии сверхвысоких частот 27
1.3. Применение СВЧ в ортопедической стоматологии 37
ГЛАВА 2. Полимеризация базисных акриловых пластмасс в электромагнитном поле СВЧ 43
2.1. Материалы и методы исследований 44
2.1.1. Метод микроволновой полимеризации съемных протезов с базисами из акриловых пластмасс 44
2.1.2. Методы исследований структуры, термомеханических и теплофизических характеристик акриловых полимеров 48
2.1.3. Термометрические исследования 57
2.1.4. Определение остаточных напряжений методом голографической интерферометрии 66
2.2. Результаты экспериментальных исследований 73
ГЛАВА 3. Микроволновая обработка эластичных пластмасс для съемных протезов с двухслойными базисами 105
3.1. Материалы и методы исследований 106
3.1.1. Методы микроволновой обработки эластичных пластмасс 107
3.1.2. Исследование прочности соединения эластичных и акриловых базисных пластмасс 109
3.1.3. Исследование физико-механических свойств эластичных пластмасс 113
3.2. Результаты экспериментальных исследований 115
ГЛАВА 4. Спекание в СВЧ поле конструкционных материалов для металлокерамических зубных протезов 127
4.1. Материалы и методы исследований 127
4.1.1. Выбор материалов и подготовка образцов 128
4.1.2. Метод микроволнового спекания керамики 135
4.1.3. Исследование адгезионной прочности соединения керамики с металлом 143
4.1.4. Исследования физико-механических свойств керамики 152
4.2. Результаты экспериментальных исследований 160
ГЛАВА 5. Микроволновая обработка стоматологических гипсов 193
5.1. Материалы и методы исследований 194
5.1.1. Методы микроволновой обработки стоматологических гипсов 196
5.1.2. Исследование физико-механических свойств стоматологических гипсов 198
5.2. Результаты экспериментальных исследований 204
ГЛАВА 6. Обсуждение результатов и обоснование возможностей использования сверхвысоких частот в ортопедической стоматологии 212
Выводы 223
Практические рекомендации 226
Список литературы 228
- Современные аспекты использования энергии сверхвысоких частот
- Методы исследований структуры, термомеханических и теплофизических характеристик акриловых полимеров
- Исследование прочности соединения эластичных и акриловых базисных пластмасс
- Исследование адгезионной прочности соединения керамики с металлом
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ
В настоящее время многие разработки в медицине вообще и в стоматологии, в частности, осуществляются на стыке наук, а фундаментальные исследования в области химии и физики получают применение прикладного характера. Одним из современных направлений прикладной физики является использование в медицине энергии сверхвысоких частот (СВЧ). Основными технологическими процессами, основанными на энергии СВЧ, являются: размораживание, сушка, нагрев и термообработка, термомеханические воздействия, различные химические преобразования (Окресс Э., 1971; Терещенко А. И., 1977; Милованов О. С, Собенин Н. П., 1980; Бородин И. Ф., 1989; Fliflet A. W., Bruce R. W., Kinkead А. К., 1996). Многие из этих процессов являются составной частью технологий, применяемых в медицине (Терещенко А. И., 1977; Девятков Н.Д., Голант М.Б., 1983; Голант М.Е., 1991; Б.П.Марков, Е.Г.Пан, О.В.Новикова, 1996; Nishii МЛ968; Kimura Н., Teraoka N., 1984; De Clerk J.P.,1987).
Важное преимущество СВЧ нагрева - тепловая безынерционность, т.е. возможность практически мгновенного включения и выключения теплового воздействия на обрабатываемый материал. Отсюда высокая точность регулировки процесса нагрева и его воспроизводимость.
Достоинством СВЧ нагрева является принципиально высокий КПД преобразования СВЧ энергии в тепловую в объеме нагреваемых тел. Теоретическое значение этого КПД близко к 100%. Тепловые потери в подводящих трактах обычно невелики, и стенки волноводов и рабочих камер остаются практически холодными, что создает комфортные условия для обслуживающего персонала.
Проникновение поля СВЧ внутрь вещества дает возможность обеспечить достаточно равномерный нагрев по всему объему тела. В связи с
тем, что воздействие поля СВЧ приводит к достаточно равномерному выделению тепла именно в обрабатываемом объекте, на его нагрев затрачивается, по сравнению с традиционными способами, значительно меньше времени. Время нагрева определяется объемом тела, но практически не зависит от его формы. Благодаря целенаправленному расходу энергии только в самом обрабатываемом объекте получается большой КПД технологического процесса и осуществляющей его установки (Э.Окресс, 1971; А.И.Терещенко, 1977; Cue Arthur W. 1984).
Среди технологических применений энергии СВЧ в ортопедической стоматологии значительное место занимают процессы, основанные на химических преобразованиях. Так при реакции полимеризации, которая используется при изготовлении разнообразных твердых и эластичных пластмасс из смеси двух или более жидких компонентов, применение СВЧ облучения, оказывающего каталитическое действие или увеличивающего эффективность другого катализатора, ускоряет полимеризацию и улучшает качество продукта. Преимуществами использования СВЧ в данном случае (Марков Б.П. с соавт., 1996, 1997, 1998, 1999, 2000; Cue Arthur W. 1984; Kimura H., Teraoka N., 1984; De Clerk J.P.,1987; McKinstry R.E., 1991; Baysan A, Parker S, Wright P.S., 1998). являются:
быстрое и равномерное по объему повышение температуры;
возможность программирования работы установок;
гибкое управление ходом процессов.
Еще одно направление исследований касается вспомогательных материалов, таких как слепочные термопластические массы (Paul Allen, Steven Worollo, 1991) и гипс, который пожалуй наиболее часто и широко применяется в ортопедической стоматологии. Прочность гипсовой модели достигает максимума при высушивании до постоянной массы, для чего требуется от 24 до 48 часов (Штейнгард М.З., Батовский В.Н., 1981; Гернер М.М., Нападов М.А., Каральник Д.М.и др., 1984; O'Brien W.J., 1997). Однако нередко стоматолог-ортопед бывает заинтересован в возможности работы с
гипсовой моделью в наиболее короткие сроки после удаления слепочного материала. Для экономии времени были предприняты попытки произвести сушку гипсовых и огнеупорных моделей в микроволновой печи (Kazanoglu A., Moon Р.С., 1982; Luebke R.J., Chan К.С., 1985; Luebke R.J., Schneider R.L., 1985).
Таким образом, в ряде случаев при микроволновой обработке ускорение технологических процессов может достигать десятков раз, а также обеспечивается высокое качество получаемого продукта, зачастую недостижимое другими путями. Однако, до сих пор не совсем ясны процессы, происходящие в структуре того или иного материала, обеспечивающие изменение его свойств. Кроме того, результат воздействия поля СВЧ на материал часто бывает непредсказуем, т.к. в большой степени зависит от малейшего изменения его состава.
Все вышесказанное позволило считать перспективными исследования, связанные с изучением возможностей применения СВЧ электромагнитных полей в ортопедической стоматологии.
ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ
Научно обосновать новое направление в развитии технологий изготовления зубных протезов с применением современных достижений фундаментальной физической науки в области сверхвысокочастотных (СВЧ) электромагнитных полей, дающих возможность совершенствовать свойства конструкционных и вспомогательных материалов, используемых в ортопедической стоматологии.
ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
1. Исследовать изменения структуры и свойств конструкционных материалов, используемых для изготовления съемных зубных протезов, под действием СВЧ излучения.
Изучить технологические особенности спекания в поле СВЧ керамических материалов, применяемых для изготовления несъемных зубных протезов.
Провести сравнительный анализ свойств конструкционных и вспомогательных материалов, используемых в ортопедической стоматологии, при традиционных и микроволновых методах их обработки.
Разработать технологические режимы, основанные на воздействии СВЧ излучения, в целях совершенствования свойств стоматологических материалов при изготовлении ортопедических конструкций.
Обосновать возможности использования электромагнитных полей сверхвысоких частот (СВЧ) в ортопедической стоматологии.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА
Впервые на основании сравнительного анализа результатов исследований жестких акриловых пластмасс, полученных традиционным и микроволновым методами, доказано преимущество СВЧ технологии изготовления съемных протезов, позволяющей улучшить структуру и свойства базисных материалов.
Впервые разработаны технологические режимы изготовления съемных протезов с двухслойными базисами, обеспечивающие усиление адгезии эластичных пластмасс горячего и холодного отверждения к жестким акриловым базисным материалам под воздействием СВЧ полей.
Впервые осуществлено спекание стоматологических керамических материалов в СВЧ электромагнитных полях.
Впервые получены результаты сравнительного анализа свойств стоматологических керамических материалов при традиционном и микроволновом методах их спекания.
Впервые разработаны режимы микроволновой обработки стоматологических гипсов и получены качественно новые сведения об эффективности воздействия СВЧ полей на исходные гипсовые материалы и изделия из них в целях улучшения прочностных характеристик.
Разработана методика измерения температуры объектов, помещенных в СВЧ печь, непосредственно в процессе микроволновой обработки.
На основании результатов проведенных экспериментальных исследований доказана целесообразность применения СВЧ электромагнитных полей в ортопедической стоматологии и обосновано новое направление в развитии технологий изготовления зубных протезов с использованием современных достижений фундаментальной физической науки.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ
Разработана и внедрена СВЧ технология изготовления съемных протезов с базисами из акриловых пластмасс.
Предложены методики микроволновой обработки эластичных пластмасс горячего и холодного отверждения для увеличения их адгезии к жестким акриловым базисам съемных протезов.
Предложены методики микроволновой обработки стоматологических гипсов для улучшения их прочностных характеристик.
Совокупность полученных данных доказывает, что СВЧ технологии обработки конструкционных и вспомогательных стоматологических материалов, используемых при изготовлении зубных протезов, позволят улучшить их свойства и, соответственно, повысить качество ортопедического лечения.
АПРОБАЦИЯ МАТЕРИАЛОВ ДИССЕРТАЦИИ
Основные положения диссертационной работы доложены на IV Международной выставке «Медицина для Вас» (3-7 июня 1997г., Москва); на научно-практической конференции «Актуальные вопросы стоматологии» (11 декабря 1997г., Москва); на Всероссийском симпозиуме «Проблемы зубного протезирования» (30-31 октября, 1 ноября 1997г., Москва); на Международной конференции «Актуальные проблемы стоматологии» (7-9 апреля 1998г., Москва); на Всероссийской научно - практической конференции и IV Съезде Стоматологической Ассоциации России (15-17 сентября 1998г., Москва); на Международной научно-практической конференции «Достижения и перспективы стоматологии» (9-12 февраля, 1999г., Москва); на VI Всероссийской научно-практической конференции «Стоматология XXI века» (11-13 сентября 2000г., Москва); на XI Всероссийской научно-практической конференции (9-12 сентября 2003г., Москва); на III Всероссийском конгрессе по ортопедической стоматологии и VI Межрегиональном симпозиуме «Новые технологии в стоматологии» (11-13 ноября 2003 г., Самара). Разработанные СВЧ технологии были представлены на Международной выставке «Стоматологический салон -2003» (22-25 апреля 2003г., Москва); на Всероссийской стоматологической выставке «Дентал - Ревю» (10-13 февраля 2004г., Москва).
Апробация диссертации состоялась 3 июля 2003г. на межкафедральном заседании кафедр факультетской ортопедической стоматологии, госпитальной ортопедической стоматологии, ортопедической стоматологии ФПКС МГМСУ, сотрудников Московского радиотехнического института РАН, Института металлургии и материаловедения им. А.И.Байкова РАН и сотрудников КДЦ МГМСУ.
ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ
Результаты исследования внедрены в практику ортопедических отделений Стоматологического комплекса и Клинико-диагностического центра (КДЦ) МГМСУ, в клинике кафедры ортопедической стоматологии Тверской государственной медицинской академии, в учебный процесс кафедр факультетской и госпитальной ортопедической стоматологии и ортопедической стоматологии ФПКС МГМСУ и др.
ПУБЛИКАЦИИ
По теме диссертации опубликовано 25 научных работ, в том числе одна монография. Получен патент на изобретение.
ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ
Микроволновая технология полимеризации акриловых базисных пластмасс обеспечивает их высокое качество за счет увеличения молекулярного веса, уплотнения структуры полимерной сетки, а также уменьшения остаточных напряжений.
Метод микроволновой обработки эластичных пластмасс горячего и холодного отверждения позволяет повысить силу их сцепления с жесткими акриловыми базисами съемных протезов.
Экспериментально обоснована принципиальная возможность спекания стоматологической керамики в СВЧ электромагнитном поле, что позволяет увеличить прочность ее сцепления с металлом.
Микроволновая обработка, по разработанным нами режимам, позволяет эффективно влиять на величину и скорость достижения прочности стоматологических гипсов.
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ
Диссертация изложена на 255 страницах машинописного текста, состоит из введения, обзора литературы, 4 глав собственных исследований, обсуждения результатов, выводов, практических рекомендаций и списка
литературы, включающего 281 источник, из них 139 отечественных и 142 зарубежных авторов. Работа иллюстрирована 18 таблицами, 81 рисунком и фотографиями.
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Пан Е.Г., Марков Б.П., Новикова О.Б., Макарьева Н.Я. Метод СВЧ-полимеризации съемных пластиночных протезов в ортопедическом лечении пациентов с явлениями непереносимости акрилатов // Материалы межвузовской научной конф. «Актуальные вопросы гигиены». -М., 1996. - С.95-96.
Пан Е.Г., Марков Б.П., Дойников А.И., Новикова О.Б. Технология изготовления зубных протезов с использованием СВЧ-энергии // Сб. Научных трудов (ММСИ - 75 лет).- М., 1997. - С.40-41.
Марков Б.П., Дойников А.И., Пан Е.Г., Новикова О.Б. Методические рекомендации по применению технологии СВЧ-полимеризации при изготовлении съемных пластиночных протезов // МЗ РФ, ММСИ. - М., 1997.- Юс.
Пан Е.Г., Новикова О.Б., Маркова Г.Б. Использование энергии СВЧ в технологии изготовления зубных протезов // Сборник материалов Международной научно-практической конференции «Новые технологии в стоматологии».- М.,1998. - С.92-93.
Пан Е.Г., Марков Б.П., Дойников А.И., Корнеев СВ., Новикова О.Б., Поюровская И.Я., Сутягина Т.Ф., Маркова Г.Б. Изготовление базисов пластиночных протезов из отечественных материалов методом микроволновой полимеризации // Материалы научной сессии ЦНИИС-М.,1998.- С.210-214.
Пан Е.Г., Марков Б.П., Корнеев СВ., Новикова О.Б., Поюровская И.Я., Маркова Г.Б. Микроволновая технология изготовления базисов пластиночных протезов // «Стоматология». - М.,1998. - Т.77.- N6. -С.41-45.
Пан Е.Г., Марков Б.П., Новикова О.Б., Маркова Г.Б., Бровко В.В. СВЧ - полимеризация базисов съемных зубных протезов // Сб. трудов Всероссийской конференции зубных техников. - М.,1998. - С. 15-15.
Пан Е.Г., Марков Б. П., Маркова Г. Б., Арутюнов А. С. Изготовление пластиночных протезов с внутрикорневыми магнитными фиксаторами методом микроволновой полимеризации // Стендовый доклад.-Научно-практическая конференция, посвященная 90-летию В.Ю. Курляндского, 4 декабря 1998 года.
Пан Е.Г., Марков Б.П., Зоткина М.А., Маркова Г.Б., Бровко В.В. Использование энергии сверхвысоких частот в ортопедической стоматологии // Материалы Международной научно-практической конференции «Достижения и перспективы стоматологии». - М.,1999. -Т.1-2.-С.458-461.
Pan E.G.-R., Korneyev S.V., Poyurovskaya I.Ya. Microwave Technologies In Dental And Eye Prosthesis // J. Biomedical Engineering. - 1999. -Vol.33, N6.-P. 319-322.
Пан Е.Г., Марков Б. П., Бровко В. В., Торчинова Т. К., Маркова Г. Б. Изготовление несъемных конструкций протезов с использованием акриловой пластмассы «СИНМА - М» по СВЧ-технологии // Сборник научных трудов к 70-летию В.Н. Копейкина Современные проблемы стоматологии. - М., 1999.- С. 160-161.
Марков Б.П., Дуржинская Г.Ф., Корнеев СВ., Пан Е.Г., Новикова О.Б. Способ изготовления пластмассовых зубных протезов // Патент на изобретение РФ №2157140, приоритет от 28.12. 98г., Зарег. 10.10.2000г.
Пан Е.Г., Марков Б.П., Маркова Г.Б., Зоткина М.А., Бровко В.В. Современные технологии изготовления пластиночных протезов // Сборник трудов международной конференции стоматологов. -Иркутск-Ангарск, 2001. - С. 101-103.
Пан Е.Г., Марков Б.П., Огородников М.Ю., Зоткина М.А., Бровко В.В., Мишина Е.Г. Проблемы термометрии при обработке стоматологических материалов в поле СВЧ // Сборник трудов МГМСУ «Актуальные вопросы стоматологии». - М., 2002. - С. 138-139.
Пан Е.Г., Марков Б.П., Царев В.Н., Зоткина М.А., Узбеков P.M. Микроволновая дезинфекция съемных протезов с двухслойными базисами // Сборник трудов МГМСУ «Актуальные вопросы стоматологии». - М., 2002. - С. 143-145.
Пан Е.Г., Марков Б.П., Огородников М.Ю. Основные направления по улучшению свойств базисных материалов // Труды научно-практической конференции «Актуальные проблемы ортопедической стоматологии».- М, 2002.- С- 201-202.
Пан Е.Г., Марков Б.П., Царев В.Н., Зоткина М.А., Узбеков P.M. Возможность дезинфекции съемных протезов с двухслойными базисами в поле СВЧ // Материалы XI Всероссийской научно-практической конференции и Труды VIII съезда Стоматологической Ассоциации России. - М.,2003.- С. 438-439.
Пан Е.Г., Марков Б.П., Царев В.Н., Узбеков P.M. Микроволновая дезинфекция слепочных материалов // Сборник материалов научно-практической конференции РМАПО «Актуальные проблемы стоматологии». - М., 2003. - С.261-263.
Пан Е.Г., Марков Б.П., Маркова Г.Б., Раваев А.А. Влияние энергии СВЧ на свойства композиционных материалов // Депонировано в ГЦНМБ за № Д-27408 от 17.11.2003г.
Пан Е.Г. Влияние СВЧ излучения на свойства стоматологических гипсов // Депонировано в ГЦНМБ за № Д-27406 от 17.11.2003г.
Пан Е.Г. Обоснование возможности использования СВЧ электромагнитных полей для спекания стоматологической керамики // Депонировано в ГЦНМБ за № Д-27407 от 17.11.2003г.
Пан Е.Г., Марков Б.П., Зоткина М.А. Микроволновая обработка эластичных материалов для двухслойных базисов съемных протезов // Депонировано в ГЦНМБ за № Д-27405 от 17.11.2003г.
Заявка на изобретение «Способ соединения нержавеющих сталей и сплавов с оксидной керамикой для изготовления изделия» за № 2003132115 от 04 ноября 2003 г.
Пан Е.Г. Микроволновая обработка материалов в ортопедической стоматологии // М., 2003. - 109с.
Заявка на изобретение «Способ формирования эластичного слоя на жестком пластмассовом базисе при изготовлении съемного зубного двухслойного протеза» за № 2004100248 от 08 января 2004 г.
Современные аспекты использования энергии сверхвысоких частот
Рассмотренные в предыдущем разделе уравнения макроскопической электродинамики описывают взаимодействие электромагнитных волн с однородными по объему материалами, которые в заданном диапазоне длин волн характеризуются заранее известными материальными параметрами -проницаемостями е, ц и их производными. Эти характеристики фактически являются следствием усреднения по объему огромного числа элементарных процессов - микроскопических токов, поляризации молекул и т.д. Без такого усреднения рассчитать поведение конкретного физического тела произвольной формы в электромагнитном поле на микроструктурном, молекулярном уровне просто невозможно.
Но в действительности физически однородные материалы в природе и технике являются скорее исключением, нежели правилом. Например, химически чистые металлы в промышленности почти не используются. Сплавы же представляют собой гетерогенную композиционную среду, сложный симбиоз разных химических элементов (причем, не только металлов) со строго определенной кристаллической структурой [77, 89, 133]. Для материалов, у которых проводимость, диэлектрическая проницаемость, СВЧ поглощающие свойства составляющих компонентов отличаются не очень сильно, измерение или описание соответствующих макроскопических или, иначе говоря, объемных, эффективных электродинамических параметров не представляет сложной задачи. Как правило, параметры таких материалов легко прогнозируемы.
Отдельный класс являют собой композиционные материалы с резко выраженным различием физических свойств исходных компонентов. Эффективные, результирующие СВЧ параметры таких композитов часто не сопоставимы с параметрами компонентов ни в количественном плане, ни на качественном уровне.
Характерный пример: когда в радиотехнике при разработке антенн СВЧ диапазона потребовались новые материалы с высокими значениями показателя преломления, появился новый тип материалов - «искусственные диэлектрики» [204]. Структурно эти материалы представляют собой диэлектрическую матрицу с диспергированными в ней частицами проводника, металла. Поведение их в СВЧ полях принципиально отличалось от всех известных в то время материалов: при определенных размерах и проводимости частиц эти материалы, будучи в достаточной степени радиопрозрачными, обладали очень высокими значениями эффективной проницаемости б и, соответственно, показателя преломления п.
Этот факт казался тем более поразительным, что применяемые в составе «искусственных диэлектриков» в качестве основы обычные диэлектрики обладают весьма умеренными значениями диэлектрической проницаемости. Металлы же, как известно, СВЧ излучение не пропускают, а напротив эффективно отражают. Да и характеризуются проводники высокими значениями не действительной части є , а, наоборот, проводимости а и мнимой составляющей е". Собственно говоря, все это не противоречило вывод электродинамики [68], но создание реальных материалов с указанными свойствами в то время произвело впечатление.
Раздел электродинамики - теория эффективной среды (ТЭС) как раз и занимается расчетами эффективных значений комплексных проницаемостей е и fi композитов на основе заданных параметров исходных компонентов - их диэлектрической и магнитной проницаемостей в\ и /Xj , размеров ах и формы частиц наполнителей, объемных концентраций Vj и др. [68, 95, 129]
Используя метод индукции - от частного к общему, - эта теория подсказывает направление поиска и позволяет прогнозировать свойства вновь создаваемых электро- и радиотехнических материалов. Особенно большое значение она приобретает сегодня - ввиду развития новых СВЧ технологий синтеза и обработки композиционных материалов.
Вместе с тем актуальность ТЭС обусловлена и ее серьезными дедуктивными возможностями: измеряя эффективные электродинамические параметры композиционных материалов во многих случаях можно с высокой степенью достоверности судить об их внутренней структуре.
Например, возможно, не прибегая к другим методам измерений, определить влажность и особенности поведения в поле СВЧ излучения различных материалов.
Вообще, нужно сказать, что СВЧ методы анализа свойств материалов относятся к дистанционным, неразрушающим. Поэтому перспектива применения рассматриваемой теории для определения и контроля свойств материалов in situ - в процессе технологической обработки - представляется очень заманчивой. Еще большие возможности, видимо, предоставит одновременное применение методов СВЧ синтеза композиционных материалов и СВЧ контроля происходящих при этом процессов. Теория эффективной среды - достаточно сложная проблема, это удел физиков, поэтому, опуская громоздкие математические выкладки и формулы, остановимся лишь на некоторых практически важных выводах теории, а также укажем границы ее применимости.
Как и любая теория, ТЭС базируется на некоторых модельных представлениях. В данном случае в качестве такой модельной среды обычно рассматривают материалы матричного типа. Этот вид материалов представляет собой диэлектрическую (или иную слабо поглощающую) матрицу, в которой равномерно по объему распределены частицы других материалов - тоже диэлектриков, полупроводников или проводников -полуметаллов, металлов и сплавов. При этом ограничение накладывается на размеры частиц наполнителей: длина волны излучения в диэлектрической матрице X] должна существенно превышать размеры этих частиц (радиус а,):
Наконец, формулы ТЭС не работают при очень больших концентрациях наполнителей из порошков металлов и сплавов, то есть из материалов с высокой удельной проводимостью.
Методы исследований структуры, термомеханических и теплофизических характеристик акриловых полимеров
Традиционные методы полимеризации акриловых пластмасс на водяной бане, компрессионное и литьевое прессование под давлением требуют строгого соблюдения режима, больших временных затрат, а полученная пластмасса обладает высоким содержанием остаточного мономера и низкими прочностными характеристиками. Исследованиями целого ряда отечественных ученых [84, 92] доказано, что качество пластмасс, приготовленных в сухой среде, намного выше, чем при их полимеризации на водяной бане. Улучшение физико-механических свойств акрилатов может быть достигнуто за счет инфракрасной, ультрафиолетовой, гидропневматической и ультразвуковой, обработок. В последние годы наиболее прогрессивным методом изготовления акрилатов и придания им лучших свойств является технология с использованием энергии сверхвысоких частот (СВЧ - полимеризация).
На сегодняшний день микроволновая технология является не только приемлемой, но также имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными способами полимеризации пластмасс, что объясняется действием СВЧ-поля на вещество. Электромагнитное поле, проникая в мономер, взаимодействует с заряженными частицами, вызывая их колебания и изменяя, при частоте излучения 2450 МГц, направленность их ориентации приблизительно 5 млрд. раз в секунду. Вследствие чего, они перемещаются внутрь сети молекул, и это движение под воздействием микроволнового излучения является причиной внутреннего нагрева. Этот процесс происходит сразу и равномерно во всем объеме полимеризуемой массы, причем за короткий промежуток времени (3-7 мин).
Сравнительная оценка физико - механических и санитарно -химических характеристик (в частности, содержания остаточного мономера) пластмасс, полимеризованных в поле СВЧ и на водяной бане, показала преимущества микроволновой технологии [80, 83, 121, 163, 208, 236, 259].
Однако практически все исследования были основаны на сравнительном анализе свойств акриловых пластмасс, полученных традиционными методами и в результате микроволновой полимеризации. При этом открытым оставался вопрос, касающийся причин, обеспечивающих улучшение качеств акриловых полимеров при микроволновой обработке.
Мы сочли актуальным попытаться объяснить механизмы, позволяющие при использовании микроволновой технологии полимеризации получить пластмассы более высокого качества.
Для проведения экспериментальных исследований были выбраны базисные акриловые пластмассы «СтомАкрил» («СтомаДент», Россия), «Этакрил - 02», «Фторакс», «Бесцветная» («Стома», Украина), «Асгоп МС» («G-C», Япония), полимеризация которых осуществлялась по традиционной (водяная баня) и микроволновой технологиям.
В течение 1992 - 1997 гг. специалистами Московского государственного медико-стоматологического университета (Марков Б.П., Дойников А.И., Пан Е.Г., Новикова О.Б.) в содружестве с сотрудниками ЦНРІИС (Поюровская И.Ю., Сутягина Т.Ф.), ГосЦНИРТИ (Рыбаков Б.Д.) и НТЦ «Альфа-1» (Корнеев СВ., Дуржинская Г.Ф.) проводились разработка метода и исследования полимеризации базисов съемных зубных протезов при помощи микроволновой энергии.
Основной задачей этих работ являлось обеспечение изготовления базисов протезов из широко применяемых в отечественной практике 2-х компонентных полимер - мономерных пластмасс («Этакрил-02», «Бесцветная», «Фторакс»), которые по качеству не уступали бы таковым, изготовленным на водяной бане.
В процессе исследований было доказано, что ни тепловой, ни микроволновый методы нагрева по отдельности не способны обеспечить однородность нагрева всего объема кюветы. Лишь комбинация теплового и микроволнового нагрева оказалась способной обеспечить разницу температур в центральной части и на периферии кюветы в единицы градусов. Для этого кювета была изготовлена из диэлектрика с потерями, т.е. из материала полупрозрачного для электромагнитных волн. При этом, часть энергии микроволн, проникающих внутрь кюветы, обеспечивала нагрев гипса и полимеризуемого материала. Другая часть микроволновой энергии поглощалась материалом кюветы, нагревая ее, и тем самым обеспечивала обычный тепловой (конвекционный) нагрев. Такое комбинированное воздействие позволило обеспечить равномерный нагрев полимеризуемого материала по всему его объему.
В результате экспериментальных исследований было разработано оборудование для осуществления полимеризации в электоромагнитном поле СВЧ, представленное специальными кюветами «ЗБМП-01-1» из диэлектрика АГ-4 и программированной микроволновой установкой «Дента» (Рис. 1). По конструкции кюветы аналогичны известным металлическим и состоят из двух колец, основания и крышки, плотно подогнанных друг к другу. Части кюветы скрепляются специальными болтами (Рис. 2). Материал кювет механически прочен и выдерживает необходимый режим прессования.
Установка «Дента» снабжена микроволновым генератором мощностью 800 Вт с рабочей частотой 2450 Мгц и укомплектована стеклянным поддоном, на котором устанавливается кювета. Специальное кольцо обеспечивает вращение стеклянного поддона для достижения так называемого «перемешивания» электромагнитного поля внутри камеры микроволновой печи и, следовательно, более равномерного нагрева. Технологические режимы, о которых будет сказано ниже, устанавливаются нажатием фиксированных кнопок на панели управления.
Клинические и лабораторные этапы до момента выплавления воска из кюветы и после извлечения готового протеза не отличаются от общепринятых. После гипсовки моделей и полного затвердевания гипса кювета помещается в печь на вращающийся столик. Запускается режим «Размягчение воска» (1 мин при 100% мощности СВЧ - поля). При этом воск не доводится до полного расплавления, во избежание впитывания его в гипс и деформации поверхности модели, а размягчается и легко удаляется. Остатки вымываются кипящей водой.
Исследование прочности соединения эластичных и акриловых базисных пластмасс
Установлена зависимость санитарно - химических свойств пластмасс от методики полимеризации [80]. Так при СВЧ полимеризации базисной пластмассы «СтомАкрил» содержание в вытяжках основного составляющего полимерной композиции -метилметакрилата - находится на уровне 0,046 - 0,080 мг/л, что более, чем в 10 раз меньше по сравнению с технологией полимеризации на водяной бане и более, чем в 100 раз меньше по сравнению с литьевой технологией изготовления. Только в случае СВЧ полимеризации концентрация метилметакрилата в 3-5 раз ниже безопасного уровня (0,25 мг/л).
Также надо отметить, что степень прилегания базиса к протезному ложу при использовании СВЧ технологии полимеризации выше, чем при традиционном изготовлении обычным нагреванием на водяной бане. Исследования показали, что происходит уменьшение погрешностей линейных размеров [206, 255].
Технология полимеризации акриловых пластмасс на сегодняшний день внедрена в стоматологическую практику. Метод представляет несомненный интерес и для проведения различных научных исследований. Однако до сих пор не совсем ясны причины, позволяющие при микроволновой полимеризации получить пластмассу, обладающую более высокими физико - механическими и санитарно -химическими свойствами. Нами была предпринята попытка найти этому объяснение. В этих целях были проведены следующие исследования: - ИК-спектроскопия - исследование спектров исходных полимерных материалов и продуктов полимеризации, полученных различными методами. - Термометрия и калориметрия - исследование температурных изменений в исследуемых пластмассах при различных методах полимеризации. - Голографическая интерферометрия - исследование остаточных напряжений в образцах акриловых базисных пластмасс, полученных с применением различных технологий. - Термомеханические исследования - исследование структурных особенностей различных акриловых базисных материалов, полимеризованных по традиционной (на водяной бане) и микроволновой технологиям. Для проведения экспериментальных исследований были использованы образцы, изготовленные из базисных акриловых пластмасс «СтомАкрил», «Этакрил - 02», «Фторакс», «Бесцветная», «Acron МС» по традиционной (водяная баня) и микроволновой технологиям. «Этакрил-02».. Представляет собой продукт сополимеризации метилметакрилата (89 %), этилметакрилата (8 %) и метилакрилата (2 %). Материал содержит также 1 % дибутилфталата, который используется в качестве пластификатора, а также небольшое количество оксида цинка и красителей. Жидкий компонент представляет собой смесь метилметакрилата и этилметакрилата в соотношении 3:1 по массе. Эта смесь ингибирована гидрохиноном, а в качестве инициатора используется перекись бензоила. «Бесцветная». В качестве порошкообразного материала используется суспензионный полиметилметакрилат с добавлением тинувина, а в качестве жидкости - ингибированный метилметакрилат. «Фторакс». Это привитой сополимер фторкаучука, цепи которого привиты на полиметилметакрилат. В качестве жидкости используется метилметакрилат с добавлением сшивающего агента - диметакрилового эфира дифенилолпропана. «СтомАкрил». В качестве порошкообразного материала используется сополимер метилметакрилата и бутилметакрилата состава 90 и 10 вес. %, соответственно, а в качестве жидкости метилметакрилат и сшивающий агент (триэтиленгликольдиметакрилат).
«Acron МС». Базисный материал на основе полиметилметакрилата, разработанный специально для микроволновой технологии полимеризации. Включает в свой состав олигомеры, которые позволяют сократить время СВЧ обработки до 3-х минут.
Сопоставление спектров, полученных методом инфракрасной (ИК) спектроскопии, показало их практически полную идентичность по положению и относительной интенсивности полос поглощения у всех исследованных полимерных материалов. Сопоставление со спектрами полимеров, находящихся в компьютерной базе данных показало, что все они соответствуют полиметилметакрилату, естественно, с небольшими добавками других компонентов.
Таким образом, переход от традиционной технологии прогрева реакционной смеси на водяной бане к СВЧ технологии приводит к получению материалов, структура которых аналогична. Поэтому для дальнейшего сравнительного анализа мы сочли возможным провести для всех указанных материалов аналогичные исследования.
При разработке метода полимеризации базисов съемных зубных протезов при помощи микроволновой энергии авторский коллектив руководствовался следующими положениями, изложенными в руководствах по стоматологическому материаловедению [84, 126, 226].
При использовании традиционного метода кювета с запакованной пластмассой погружается в емкость с водой, которая постепенно нагревается. При этом температурные изменения воды при ее нагревании не соответствуют по времени таковым в отверждаемой полимер - мономерной композиции. При повышении температуры в твердеющей массе до 60 С процесс полимеризации протекает плавно. При температуре выше 65С остаточная перекись бензоила быстро расщепляется и скорость полимеризации мономера резко возрастает, что сопровождается выделением значительного количества тепла (в результате сложной экзотермической реакцией соединения полимера и мономера) и температурным скачком свыше 100С. Результатом этого является перегрев пластмассы, что увеличивает возможность образования газовой пористости и ухудшает качество зубных протезов.
Исследование адгезионной прочности соединения керамики с металлом
По литературным данным обработка эластичных силиконовых пластмасс в поле СВЧ не влияет на их свойства, обеспечивая только лучшее качество поверхности и сокращение временных затрат.
В то же время нам представлялось, что микроволновая обработка может повлиять на прочность сцепления эластичных подкладочных материалов с жесткими акриловыми пластмассами. В первую очередь это касается материалов, содержащих акрилаты или непосредственно в своем составе («ПМ-01»), или в составе подслоя («Ufi Gel-P»).
При описании методов обработки эластичных пластмасс целесообразно разделить их в соответствии с условиями вулканизации. СВЧ полимеризацию экспериментальных образцов с эластичной пластмассой горячего отверждения «ПМ-01» осуществляли при базовом (20 минутном) режиме с применением специальных кювет «ЗБМП-01-1» в микроволновой печи «Дента». Работы по изготовлению десневых протезов при рецессии слизистой оболочки показали, что такой режим не ухудшает качества пластмассы «ПМ-01» [79]. До начала непосредственно самого процесса полимеризации эластичного материала этапы подготовки и нанесения эластичного подкладочного материала на жесткие подложки не отличались от общепринятых. Контрольные образцы изготавливали по традиционной технологии (на водяной бане) в соответствии с инструкцией фирмы-изготовителя. Образцы с пластмассой холодного отверждения «Ufi Gel-P» обрабатывали в СВЧ печи без гипсовки в специальные кюветы, а просто располагали на стеклянном вращающемся столике. В силу того, что полимеризованная акриловая пластмасса является практически радиопрозрачной (и, следовательно, не поглощает СВЧ излучение), внутри камеры микроволновой печи размещали, так называемые «балластные» поглотители. Это было необходимо для того, чтобы избежать эффекта «пустой печи» и не повредить магнетрон. Было использовано несколько видов поглотителей СВЧ излучения - резервуар (из радиопрозрачного материала Ругех) с водой (400 мл) и специальные поглотители из материала РПМ. Применение поглотителей из РПМ позволяло избежать присутствия паров воды, образующихся в результате ее нагрева. Это было важно при микроволновой обработке образцов с нанесенным адгезивом. Контрольные образцы изготавливались по традиционной технологии (в соответствии с инструкцией фирмы-изготовителя). Микроволновая обработка образцов с эластичной пластмассой Ufi Gel-P осуществлялась в различной последовательности: обработка подложек с нанесенным адгезивом; обработка образцов после нанесения эластичной массы; двукратная обработка образцов (с нанесенным адгезивом и после нанесения эластичного материала). Кроме того, были исследованы различные по продолжительности воздействия и мощности СВЧ излучения режимы: 1-5 минут при мощности 20%; II - 3 минуты при мощности 60%; Режим I был выбран, так как в изученной нами литературе микроволновую обработку эластичных пластмасс проводили при низких мощностях СВЧ излучения в течение 5-10 минут [144, 217]. Режим II представлял для нас большой интерес, поскольку он приближен к условиям микроволновой полимеризации пластмассы «Acron МС». При оценке прочности соединения эластичных пластмасс с жесткими базисными материалами наиболее часто применяются методы "отслаивания" и "сдвига". Каждый из них имеет свои плюсы и минусы. Так метод «отслаивания» более прост, требует изготовления меньшего количества жестких подложек (в два раза меньше, чем для метода «сдвига»), позволяет получить истинные цифры адгезии (т.е. получить именно адгезионный разрыв материалов, а не зачастую получаемый когезионный разрыв - по толщине эластичного материала). Однако для наших исследований применить его было невозможно, т.к. при этом используется металлическая (латунная) сетка. Обработка же образцов в микроволновой печи исключает присутствие металлических включений. Поэтому исследования прочности адгезии проводили методом «сдвига». Для подготовки жестких акриловых подложек из базисного воска вырезали пластины размером 1,5x20x50 мм, которые гипсовали в кювету, затем воск выплавляли. Базисные пластмассы "Этакрил-02", «Фторакс», «СтомАкрил» паковали в кюветы и полимеризовали на водяной бане по общим правилам (в соответствии с инструкцией) и в СВЧ поле при базовом (20 минутном) режиме (Рис. 34). Поверхности акриловых пластин предварительно зачищали с помощью наждачной бумаги средней зернистости, обезжиривали (96% спиртом), высушивали. При изготовлении образцов с эластичной пластмассой «Ufi Gel-P» акриловые пластины обрабатывали прилагаемым подслоем, через 1 минуту на подготовленные поверхности наносили силиконовый материал и, контролируя толщину эластомера (1,5мм), склеивали "внахлест" для получения площади контакта (20x30) 600мм (Рис. 35).
