EFEITO DA TROCA IÔNICA PELO MÉTODO DA PASTA NA DUREZA E NA TENACIDADE À FRATURA DE PORCELANAS ODONTOLÓGICAS.
C. C. Gonzaga1; P. F. Cesar1; W. G. Miranda Jr.1; H. N. Yoshimura2 Av. Prof. Almeida Prado, 532, São Paulo, SP, 05508-901, carlacg@usp.br
1
Faculdade de Odontologia da Universidade de São Paulo (FOUSP) 2
Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo - IPT
RESUMO
A fratura de cerâmicas é geralmente iniciada pela propagação de defeitos superficiais. A têmpera química envolve a troca de pequenos íons na superfície por íons maiores, criando tensões compressivas e reduzindo a tendência à propagação de trincas. O objetivo foi avaliar os efeitos da troca iônica pelo método da pasta em porcelanas odontológicas comerciais. Foram coccionadas barras de cinco porcelanas e uma de suas superfícies foi polida. Seguindo a técnica da pasta, uma mistura de KNO3 e água destilada foi colocada sobre a superfície polida e a troca iônica foi realizada por 30 min a 450oC. A dureza e a tenacidade à fratura foram medidas pelo método da indentação Vickers antes e depois da troca. A dureza e a tenacidade aumentaram com o tratamento, com exceção de uma porcelana. Conclui-se que o método da pasta é simples, de baixo custo e efetivo para o reforço de peças confeccionadas com porcelanas.
Palavras-chave: porcelana odontológica, têmpera química, dureza, tenacidade à fratura.
INTRODUÇÃO
A crescente demanda por materiais estéticos na Odontologia tem feito com que o estudo das cerâmicas se desenvolva com grande rapidez. Além de proporcionarem um resultado excelente quanto à reabilitação estética, as restaurações totalmente cerâmicas apresentam vantagens incontestáveis como estabilidade de cor, resistência ao manchamento, resistência ao desgaste e biocompatibilidade (1).
O fracasso de restaurações cerâmicas pode ocorrer devido à fratura ou descolamento da peça (2). Estudos clínicos apresentam resultados bastante diversos, com índices de insucesso que podem variar de 10 a 40% (3).
Restaurações totalmente cerâmicas apresentam alto risco de sofrer fratura frágil catastrófica (4). Esse tipo de fratura ocorre quando defeitos existentes no material, sob tensão apropriada, crescem em proporções críticas. A habilidade de uma cerâmica resistir à iniciação de uma trinca e sua propagação de modo instável (fratura catastrófica) pode ser descrita pela tenacidade à fratura (KIc), que é uma propriedade intrínseca de cada material, também definida como o fator de intensidade da tensão crítica na ponta de uma trinca preexistente (5).
O aumento da tenacidade à fratura dos materiais cerâmicos pode ser conseguido por meio da têmpera (térmica ou química) de vidros e cerâmicas. A têmpera térmica cria uma camada superficial de compressão por meio do resfriamento rápido da superfície, promovendo um aumento na resistência à fratura (6)
. A têmpera química é realizada trocando-se pequenos íons monovalentes presentes na superfície de vidros e cerâmicas por íons maiores (7). Essa troca iônica gera tensões compressivas na camada superficial, dificultando a propagação de trincas. Essa têmpera pode ser realizada colocando-se um vidro contendo sódio em contato com um banho de nitrato de potássio à temperatura de 350oC (8). O sucesso da troca iônica depende da profundidade de penetração dos átomos indutores de compressão, pois a camada de compressão criada deve ser mais profunda do que os defeitos superficiais. Uma camada de compressão de 50 µm tem sido considerada suficiente para que ocorra um aumento da tenacidade à fratura (9). No mercado, existe uma pasta de silicato de potássio (Tuf-Coat, GC International) utilizada para a realização de têmpera química de porcelanas odontológicas. Essa pasta deve ser aplicada sobre a superfície cerâmica, a qual é subseqüentemente seca em um forno por 20 minutos a 150oC e tratada termicamente por 30 minutos a 450oC (10).
O efeito da troca iônica na resistência à flexão das cerâmicas odontológicas tem sido extensivamente estudado. A maior parte dos trabalhos concluiu que a têmpera química aumenta a resistência das cerâmicas, sendo que um aumento de cerca de 40% nos valores médios são os mais comumente relatados (11, 12). Entretanto, aumentos de até 83% também foram reportados (13).
Embora o efeito da troca iônica nas propriedades mecânicas das porcelanas tenha sido muito estudado, ainda não está claro como a microestrutura e composição química do material podem interferir nesse processo de têmpera. O objetivo do presente estudo foi avaliar o efeito da têmpera química na dureza Vickers e tenacidade à fratura em cinco porcelanas odontológicas com diferentes microestruturas. A hipótese a ser testada é a de que a têmpera química leva a um aumento das propriedades mecânicas das porcelanas odontológicas.
MATERIAL E MÉTODOS
Foram utilizadas três porcelanas à base de leucita e duas para recobrimento de infra-estrutura de alumina. A descrição das porcelanas utilizadas neste estudo encontra-se na Tabela I.
Tabela I – Descrição das microestruturas das porcelanas. Sigla Fabricante /
Nome comercial Descrição da microestrutura
B Dentsply/Ceramco Tipo II
Matriz vítrea com 22% em volume de partículas facetadas de leucita com tamanho da ordem de 10 µm, distribuídas heterogeneamente formando aglomerados com dimensões de cerca de 50 a 100 µm; presença de trincas longas circunferenciais ao redor dos aglomerados de leucita.
C Dentsply/Ceramco Tipo III
Matriz vítrea com 6% em volume de partículas facetadas de leucita com tamanho da ordem de 10 µm, distribuídas heterogeneamente formando aglomerados com dimensões de cerca de 20 a 30 µm.
Cb Noritake/Cerabien
Matriz vítrea com partículas irregulares de SiO2, principalmente de cristobalita, com dimensões de cerca de 3 a 30 µm (cerca de 7% em volume), dispersas de forma relativamente homogêneas na matriz.
D Ivoclar/d.Sign
Matriz vítrea com 15% em volume de partículas de leucita, algumas com morfologia dendrítica, distribuídas heterogeneamente formando aglomerados; presença de partículas submicrométricas e aciculares, possivelmente de fluorapatita, distribuídas heterogeneamente na matriz. V Vita/Vitadur
Alpha
Material constituído basicamente de fase amorfa, sem partículas de segunda fase.
Os corpos-de-prova foram confeccionados com a ajuda de um molde de aço, sendo que as dimensões da sua cavidade eram 5 x 6 x 60 mm. A parede inferior do molde era constituída por uma placa metálica móvel (punção) ajustada para se obter a profundidade de 5 mm. O pó de cada porcelana foi misturado com água destilada em um béquer, formando uma suspensão que foi vertida no molde com a ajuda de uma espátula. O preenchimento foi realizado em três camadas, sendo que o molde foi levado a um vibrador de gesso após a inserção de cada camada para aflorar a
água que era então removida com papel absorvente. O excesso de material da última camada foi removido com uma espátula. Em seguida, o corpo-verde foi extraído do molde pressionando-se o punção inferior através da cavidade da matriz.
Os corpos verdes foram coccionados (sinterizados) de acordo com as recomendações de cada fabricante em um forno para porcelana odontológica Keramat I (Knebel, Porto Alegre, RS, Brasil). Os corpos-de-prova saídos do ciclo de cocção (~4 x 5 x 50 mm) tiveram o seu lado de 4 mm polido e posteriormente indentado com uma ponta de diamante Vickers com carga de 1 kgf e com tempo de penetração de 20 segundos em um microdurômetro MVK-H-3 (Mitutoyo, São Paulo, Brasil). Imediatamente após a indentação, foram medidas no próprio microdurômetro as diagonais da marcação e a extensão das trincas radiais superficiais. A dureza foi calculada pela fórmula (14):
2
a
2
Q
8544
,
1
HV
=
(A)onde Q é a carga e 2a é a média das medidas das diagonais da indentação.
A tenacidade à fratura foi calculada de acordo com a fórmula (15):
K
Ic
=
0,016
(
E/H
)
0,5
⎜
⎝
⎛
P/c
1,5
⎠
⎞
⎟
(B)onde, P é a carga, c é a medida da trinca radial, E é o módulo de elasticidade e H é a dureza do material.
Foram confeccionados três corpos-de-prova de cada porcelana, sendo que em uma metade de cada corpo-de-prova foram feitas 5 indentações previamente à realização da têmpera. Na outra metade, as indentações foram realizadas após o tratamento químico. O tratamento de troca iônica foi realizado com uma pasta feita de água destilada com nitrato de potássio. Com a ajuda de uma espátula, uma camada fina da pasta de nitrato de potássio foi colocada sobre a superfície polida dos espécimes. Os espécimes tiveram sua massa aferida antes e depois da colocação da pasta para que se conseguisse uniformizar a quantidade de pasta colocada sobre cada corpo-de-prova.
Os espécimes recobertos pela pasta foram colocados sobre um suporte de alumina e levados a um forno elétrico muflado (Yamato, FP32, Japão) para a realização do tratamento térmico. O ciclo de têmpera consistiu de duas etapas:
secagem e queima. A etapa de secagem teve duração de 20 minutos com temperatura de 150oC, sendo que o forno foi programado para o aquecimento a uma taxa de 5oC/min. A etapa de troca iônica teve duração de 30 minutos a 450oC, com taxa de aquecimento de 5oC/min. O tempo total do ciclo foi de 2 horas e 15 minutos.
Após o término do ciclo, os espécimes foram resfriados dentro do próprio forno até que pudessem ser retirados à temperatura ambiente. Depois de retirados do forno, o resíduo da pasta colocada por cima dos espécimes foi removido com o auxílio de uma espátula e de algodão úmido. Aparentemente não houve alteração na superfície polida situada abaixo da pasta.
RESULTADOS
A observação da Tabela II e das Figuras 1 e 2 mostra que, depois de feito o tratamento de troca iônica, todas as porcelanas tiveram suas propriedades mecânicas melhoradas. Com relação à dureza Vickers, as porcelanas C, Cb, D e V tiveram sua dureza aumentada significantemente quando comparadas as condições experimentais de sem e com tratamento de têmpera. A porcelana B não apresentou alteração estatisticamente significante com relação a essa propriedade. No que tange a propriedade de tenacidade à fratura, todas as porcelanas estudadas obtiveram valores de tenacidade significantemente aumentados com relação às condições controle, com exceção da porcelana B, que diminuiu seu valor de tenacidade.
Tabela II – Médias (± desvio-padrão) de tenacidade à fratura (KIc) e dureza Vickers (HV) para os diferentes materiais testados na condição de sem têmpera e com têmpera (para cada parâmetro, valores seguidos da mesma letra são estatisticamente semelhantes, p>0,05).
Porcelana Condição KIc (MPa.m1/2) HV (GPa)
Controle 0,96 ± 0,14 c 7,40 ± 0,38 c, d B Com têmpera 0,77 ± 0,12 d 7,85 ± 0,68 c Controle 0,60 ± 0,05 e 6,45 ± 0,31 d C Com têmpera 1,53 ± 0,13 a 10,06 ± 0,79 b Controle 0,71 ± 0,07 d 7,59 ± 0,98 c Cb Com têmpera 1,55± 0,11 a 12,73 ± 1,47 a Controle 0,75 ± 0,07 d 6,48 ± 0,45 d D Com têmpera 1,24 ± 0,11 b 8,20 ± 0,87 c Controle 0,68 ± 0,05 d, e 7,14 ± 0,41 c, d V Com têmpera 1,15 ± 0,07 b 10,42 ± 1,03 b
0 2 4 6 8 10 12 14 16 B C Cb D V Porcelana
Dureza Vickers, HV (GPa)
Sem têmpera Com têmpera
Figura 1 – Médias de dureza Vickers para as porcelanas estudadas, nas condições de sem têmpera e com têmpera.
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 B C Cb D V Porcelana KIc (MPa.m1/2) Sem têmpera Com têmpera
Figura 2 – Médias de tenacidade à fratura para as porcelanas estudadas, nas condições de sem têmpera e com têmpera.
DISCUSSÃO
Os resultados do presente estudo mostraram que o tratamento de troca iônica melhorou significativamente as propriedades das cerâmicas feldspáticas testadas, mostrando-se um método prático de criar uma camada com tensões compressivas na superfície do material.
Embora muitos dos estudos envolvendo o uso da troca iônica em Odontologia foquem nos efeitos de aumento da resistência à tração e resistência máxima, estas não são as únicas propriedades alteradas pelo processo. Melhoras na durabilidade química, tenacidade à fratura, dureza e resistência à abrasão têm sido reportadas, podendo ser vantajosas para algumas situações clínicas (16). Estudos preliminares in vitro sugerem que esta técnica também pode afetar a adesão de placa bacteriana sobre sua superfície.
Enquanto os estudos que analisam os efeitos da troca iônica em propriedades de resistência dão uma idéia deste processo de uma forma geral, as medidas feitas pelas técnicas de indentação fornecem dados sobre o grau de uniformidade dos efeitos diretamente na superfície em que as trincas são iniciadas (17).
Para a propriedade de dureza, os aumentos para as porcelanas estudadas variaram entre 6 e 68%. Já para a tenacidade à fratura, a porcelana B teve um decréscimo de 20% no valor de tenacidade depois de feito o tratamento de têmpera. Todas as outras porcelanas obtiveram aumentos significantes para essa propriedade, variando entre 65 e 155% (Tabela III). A formação de trincas radiais menores depois da troca iônica indica que este tratamento promove realmente o desenvolvimento de uma camada superficial com tensões compressivas, que dificultam assim a propagação das trincas. É importante salientar que as tensões compressivas geradas na superfície não impedem que as trincas sejam formadas, o mecanismo tenacificador se dá pela dificuldade da propagação dos defeitos, diminuindo as chances de fratura da peça protética.
Tabela III – Porcentagem de reforço obtida através do tratamento de troca iônica para as propriedades de tenacidade à fratura e dureza Vickers para os diferentes materiais testados.
Porcelana Tenacidade à fratura Dureza Vickers
B -20% 6%
C 155% 56%
Cb 118% 68%
D 65% 27%
V 69% 46%
O comportamento da cerâmica B foi bastante diverso das demais porcelanas feldspáticas utilizadas neste estudo. Como o tratamento térmico e a pasta utilizada foram os mesmos para todos os materiais, pode se supor que o tipo de material foi o responsável pelo resultado discrepante. Os fatores referentes ao material que podem afetar os processos de troca incluem a concentração e a mobilidade dos íons trocados na matriz vítrea, a temperatura de transição da cerâmica e a relação entre tempo e temperatura do processo. A concentração de íons sódio presentes no material cerâmico parece não ter tanta importância de forma isolada para a quantidade de reforço conseguida durante o tratamento de troca iônica. Isto suporta a idéia de que a mobilidade iônica das espécies envolvidas é mais crítica do que a concentração total dos íons (17).
O principal mecanismo tenaficidador identificado para porcelanas reforçadas por leucita é o de deflexão da trinca, que ocorre quando esta muda de direção de propagação ao encontrar uma partícula de segunda fase, devido à tensão residual de tração radial na matriz vítrea, acarretando uma diminuição do fator de intensidade de tensão na ponta da trinca (18). Algumas hipóteses podem ser levantadas para explicar o comportamento da cerâmica B, uma delas pode ser a ocorrência de relaxação das tensões ao redor das partículas de leucita em função do ciclo de têmpera, o que possibilitou uma menor deflexão das trincas ao redor dos cristais, aumentado seu tamanho. Outra hipótese versa sobre a mobilidade dos íons sódio na matriz vítrea desta cerâmica. Pode ser que os íons presentes se encontrem menos móveis e tenham mais dificuldade em se difundir e serem trocados por íons grandes de potássio.
Como pode ser observado pelas tabelas de resultados, existe uma forte interação entre o tipo de material e o tratamento iônico, sendo que cada tipo de porcelana respondeu de forma diferente ao tratamento.
A literatura mostra dados discordantes em relação à melhora de propriedades como a dureza de cerâmicas submetidas ao tratamento de têmpera química. Segui (17)
mostrou que a dureza não foi significantemente alterada pela troca de íons, mas que a tenacidade à fratura foi afetada significantemente. No presente estudo a dureza teve um aumento significante em todas as porcelanas, com exceção da B. Em primeira instância, este resultado pode não parecer muito bom para as porcelanas odontológicas, já que a confecção de próteses com um material com dureza aumentada pode acarretar desgaste dos dentes antagonistas. Porém é interessante notar que o tratamento com a troca iônica deve ser feito preferencialmente lugares em que a restauração protética estará sujeita a forças de tração, em particular na superfície interna da peça.
Além das melhores propriedades mecânicas, a manutenção da estética nas peças tratadas é bastante importante. Southan (19) estudou o efeito do reforço pela troca iônica na translucidez das porcelanas odontológicas. Um leve aumento na densidade óptica foi verificado quando comparado com a grande redução de translucidez que resultava da incorporação de cristais de alumina usados no reforço de porcelanas para infra-estrutura.
Embora os efeitos do tratamento com a pasta de nitrato de potássio na cor dos espécimes não tenham sido objetivamente examinados, a superfície tratada não parecia estar diferente do que a superfície original não tratada.
A troca iônica é um método de difusão controlada para o reforço de vidros e cerâmicas. Três variáveis interagem no processo de difusão: a concentração das espécies envolvidas, a temperatura e o tempo de queima (20). A difusão de íons pode ocorrer mais rapidamente em altas temperaturas (acima de 400oC), sendo que maior reforço pode ser obtido em menores períodos de tempo. Entretanto, as elevadas temperaturas podem tornar o material mais susceptível à relaxação de tensões, o que pode ter efeito contrário às forças compressivas criadas pela introdução de grandes íons durante o tratamento térmico (13).
A temperatura ótima para a troca iônica é a de 100oC abaixo da temperatura de amolecimento. Se uma temperatura maior for utilizada, uma relaxação viscosa pode
ocorrer, e o padrão das forças compressivas pode ser modificado com o máximo das forças compressivas localizando-se a alguma distância da superfície (21).
A profundidade da camada de forças compressivas e sua influência na resistência e na redução dessa resistência causada pelo subseqüente polimento das porcelanas dentárias submetidas ao tratamento de troca iônica não estão bem caracterizadas. Idealmente, a camada com tensões compressivas deve se estender para além da profundidade dos defeitos superficiais, chegando a pelo menos 50 µm (9)
. Vários estudos estimaram a profundidade de camada de troca, encontrando valores que variaram de 30 a 200 µm (20, 22, 23)
.
A preocupação de que o polimento reduza significantemente o efeito de reforço da troca iônica e possa causar uma fratura catastrófica das cerâmicas dentárias pela libertação das tensões internas está aparentemente ainda em dúvida e necessita ser criticamente analisado. Giordano II (12) relataram que se o auto-glaze, acabamento ou polimento forem feitos depois da têmpera, seu efeito se anula.
A troca iônica deve ser o último passo antes da cimentação da peça cerâmica na boca, já que qualquer outro procedimento de acabamento, como o ajuste oclusal, eliminará o efeito de reforço conseguido com a troca iônica. Procedimentos de caracterização que necessitem de um ciclo de queima não devem ser feitos depois da troca iônica, pois pode haver a relaxação das tensões em alta temperatura e as forças compressivas podem diminuir, reduzindo o efeito de reforço. O processo de troca iônica é indicado para o reforço de superfícies internas de restaurações totalmente cerâmicas como veneers, inlays, onlays e coroas (12).
A relativa simplicidade do processo e o pequeno tempo consumido sugerem que este processo pode ser utilizado nos laboratórios de prótese como uma forma prática de reforçar as restaurações totalmente cerâmicas.
CONCLUSÕES
Em relação ao tratamento de têmpera química, foi possível concluir que:
• o tratamento foi efetivo para a melhora das propriedades estudadas para quatro das cinco porcelanas;
• as porcelanas C, Cb, D e V tiveram sua dureza aumentada significantemente quando submetidas ao tratamento de têmpera. A porcelana B não apresentou alteração estatisticamente significante com relação a essa propriedade;
• todas as porcelanas estudadas obtiveram valores de tenacidade à fratura significantemente aumentados com relação às condições controle, com exceção da porcelana B, que apresentou decréscimo de 20% nos valores de tenacidade à fratura depois de realizado o tratamento de têmpera química; • a troca iônica é um processo simples e relativamente de baixo custo, podendo
se tornar uma alternativa viável para o reforço de peças protéticas confeccionadas com porcelanas feldspáticas.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. R. R. Braga, R. Y. Ballester, M. Daronch, Dent Mater, 16 (2000) 303. 2. F. J. T. Burke, D. C. Watts, Quint Int, 25 (1994) 335.
3. J. W. V. Van Djiken, A. Örmin, A. L. Olofsson, J Prosthet Dent, 82 (1999) 529. 4. J. Y. Thompson, K. J. Anusavice, H. F. Morris, J Dent Res, 73 (1994) 1824. 5. S. Sudsangiam, R. Van Noort, J Adhesive Dent, 14 (1999) 91.
6. K. J. Anusavice, B. Hojjatie, J Dent Res, 70 (1991) 1009-1013. 7. S. S. Kistler, J Am Ceram Soc, 45, 2 (1962) 59-68.
8. D. E. Southan, Aust Dent J 15, 6 (1970) 507-510.
9. B. Dunn, M. N. Levy, M. H. Reisbick, J Dent Res 56, 10 (1977) 1209. 10. P. Wassenaar, Aust Dent J 35, 5 (1990) 474.
11. V. Piddock, A. J. E. Qualtrough, I. Brough, Int J Prosthodont, 4, 2 (1991) 132. 12. R. A. Giordano II, S. Campbell, R. Pober, J Prosthet Dent, 71, 5 (1994) 468. 13. R. R. Segui, B. C Crispin, W. Mito, Int J Prosthod, 3, 2 (1990) 130.
14. A. S. Souza, Ensaios mecânicos em materiais metálicos: fundamentos teóricos e práticos. 5 ed. São Paulo: Edgard Blüncher (1982), p. 103-137. 15. G. R. Anstis, P. Chantikul, B. R. Lawn, D. B. Marshall, J Am Ceram Soc, 64, 9
(1981), 533.
16. D. L. Rothermel, J Am Ceram Soc, 50, 11 (1967) 574.
17. R. R. Segui, I. L. Denry, F. Brajevic, Int J Prost, 5, 4 (1992) 309.
18. P. F. Cesar, H. N. Yoshimura, W. G. Miranda Jr., H. Goldenstein, C. Y Okada, C. C. Gonzaga, A. L. Santos, P. R. Bermejo, Anais do 47° Congresso Brasileiro de Cerâmica, São Paulo, SP, junho 2003. (CD-ROM): ABC, referência 1-13, p. 405-416.
19. D. E. Southan, Quintessence Int, 18, 4 (1987) 261.
21. I. L. Denry, S. F. Rosentiel, J. A. Holloway, M. S. Niemiec, J Dent Res, 72, 10 (1993) 1429.
22. K. J. Anusavice, B. Hojjatie, T. C. Chang, J Dent Res, 73, 8 (1994) 1444. 23. V. Piddock, A. J. E. Qualtrough, I. Brough, Quint Dent Technol, 16 (1993) 79.
EFFECT OF ION EXCHANGE BY PASTE METHOD ON HARDNESS AND FRACTURE TOUGHNESS OF DENTAL PORCELAINS.
ABSTRACT
The fracture of ceramics is generally initiated by the propagation of superficial flaws. The ion-exchange process has been shown to be effective in improving the mechanical properties of most dental porcelains through the development of a compressive surface layer. Specimens of 5 dental porcelains were sintered and one of their surfaces was polished. A slurry of KNO3 and distilled water was placed on the polished surfaces. Ion exchange was performed for 30 minutes at 450oC. Vickers hardness and fracture toughness of several commercial dental ceramics were determined by indentation technique. The results of this investigation indicate that ion-exchange can significantly improve apparent surface hardness and the resistance of the ceramic surface to crack propagation, exception made to only one porcelain. Ion exchange is a simple, relatively low-cost process that can have a substantial effect on the reinforcement of feldspathic dental porcelains.
