WYśSZA SZKOŁA INśYNIERI DENTYSTYCZNEJ IM. PROF. MEISSNERA W USTRONIU WYDZIAŁ INśYNIERII DENTYSTYCZNEJ Daria Jóźwiak Temat pracy: ODPORNOŚĆ KOROZYJNA STALI CHIRURGICZNEJ 316L MODYFIKOWANEJ POWŁOKĄ CERAMICZNĄ SiO 2 OTRZYMYWANĄ METODĄ ZOL -śel W ROZTWORZE SZTUCZNEJ KRWI. Praca dyplomowa napisana w Katedrze Nauk o Materiałach pod kierunkiem naukowym dr inŝ. Jacka Chęcmanowskiego
Wprowadzenie W ostatnich latach wzrosło zapotrzebowanie na nowe materiały konstrukcyjne, a ich własności powinny spełniać warunki nowoczesnych technologii. Do poŝądanych tych cech materiałów naleŝy duŝa odporność na korozję róŝnego rodzaju i w róŝnych środowiskach. W technice dentystycznej szerokie zastosowanie mają materiały metaliczne. JednakŜe konstrukcje wykonywane z tych materiałów przyczyniają się do występowania zjawisk elektrochemicznych w jamie ustnej, które mogą działać niekorzystnie na organizm ludzki. Korozja tych materiałów moŝe spowodować osłabienie uzupełnienia protetycznego, co moŝe wiązać się z jego uszkodzeniem. Wykorzystując metody w inŝynierii powierzchni moŝna polepszyć odporność korozyjną metali. Metody te słuŝą do nanoszenia na powierzchnię metaliczną powłok ochronnych, najczęściej obecnie powłok ceramicznych. Wykonywane są badania nad poprawą właściwości elementów metalowych. Zastosowanie znalazła równieŝ m.in. technika zol- Ŝel. Proces ten umoŝliwia otrzymywanie powłok ochronnych, nanoproszków oraz materiałów monolitycznych.
Odłamanie licówki po roku uŝytkowania Odprysk ceramiki przyszyjkowej po trzyletnim uŝytkowaniu.
Cel pracy: Celem niniejszej pracy było zbadanie wpływu wielowarstwowych powłok ceramicznych SiO 2 na odporność korozyjną stali nierdzewnej typu 316L w roztworze sztucznej krwi. Dla realizacji zamierzonego celu konieczne było: otrzymanie zolu SiO 2, wytworzenie wielowarstwowych powłok SiO 2 spiekanie kolejno otrzymanych warstw w temperaturze 300 C; sporządzenie roztworu sztucznej krwi. W wykonanych badaniach zastosowano środowisko korozyjne: roztwór sztucznej krwi, w temperaturze 37 C. Zmiennymi parametrami w wykonanych badaniach była: liczba kolejno naniesionych warstw w powłoce SiO 2 : powłoka jednowarstwowa (próbka oznaczona symbolem A ), dwuwarstwowa (próbka B ), trójwarstwowa (próbka C ), czterowarstwowa (próbka D ), pięciowarstwowa (próbka E ), sześciowarstwowa (próbka F ) ) oraz siedmiowarstwowa (próbka G ).
Metodyka badawcza: W części doświadczalnej została przedstawiona preparatyka otrzymywania wielowarstwowych powłok ceramicznych SiO 2 oraz wyniki badań elektrochemicznych stali typu 316L bez oraz z powłokami po ekspozycji w roztworze sztucznej krwi (SBF). Do przygotowania powłok uŝyto następujących odczynników: Tetraetoksysilan Si(C 2 H 5 O) 4 (TEOS) Alkohol etylowy C 2 H 5 OH (ET) Kwas octowy CH 3 COOH Kwas azotowy HNO 3 NaCl KCl CaCl 2 NaHCO 3
K 2 HPO 4.3H 2 O MgCl 2.6H 2 O Na 2 SO 4 (CH 2 OH) 3 CNH 2 HCl Roztwór powłokowy SiO 2 sporządzono z odpowiedniego prekursora przez rozpuszczenie go w rozpuszczalniku organicznym, jakim był bezwodny alkohol etylowy. Następnie całość homogenizowano w płuczce ultradźwiękowej przez p 75min. W tym czasie do roztworu dodawano następujące składniki: kwas azotowy (V) kwas octowy
Skład chemiczny otrzymanych zolu podany w stosunku molowym. Badania wykonano na stali nierdzewnej 316L. Skład chemiczny stali typu 316L (%mas.).
Skład chemiczny roztworu sztucznej krwi (SBF).
Wykorzystane w badaniach próbki miały kształt krąŝków o średnicy 14,8 mm i grubość 1,0 mm.
Procedura przygotowania próbek: W celu właściwego przygotowania powierzchni stali nierdzewnej typu 316L wykonywano następujące operacje: Szlifowanie na papierze ściernym o uziarnieniu 400, 600, 800; Przemywanie wodą destylowaną; Suszenie; Odtłuszczanie w acetonie, w płuczce ultradźwiękowej w czasie 30 min; Ponowne suszenie. Ultrapłuczka.
Pokrywanie podłoŝa warstwą zolu: Powłoki nanoszono metodą zanurzeniową (szybkość wynurzania 2,5 mm/min). Próbki z naniesioną powłoką suszono na wolnym powietrzu przez 24 godziny. Następnie próbki umieszczano w zimnym piecu. Po osiągnięciu zadanej temperatury próbkę wspiekano przez czas 60 minut. Szybkość wzrostu temperatury pieca wynosiła 2 deg/min. Aparatura do zanurzania i wynurzania próbek.
Metodyka wykonywania badań Elektrochemiczne pomiary stałoprądowe słuŝące do oceny odporności korozyjnej, polegały na rejestrowaniu krzywych polaryzacyjnych w konwencjonalnym układzie trójelektrodowym. Przyjęto następujące oznaczenia umowne: i E=-750mV E K-A lub Ecorr gęstość prądu katodowego przy potencjale -750mV; Ecorr potencjał przejścia katodowo anodowego; potencjał przy gęstości prądu anodowego 2 A/cm 2 ; E i=2a/cm2 potencjał przy gęstości prądu anodowego 2 A/cm R p opór polaryzacyjny; P przepuszczalność powłoki.
Układ pomiarowy, słuŝący do, elektrochemicznych pomiarów stałoprądowych. Elektrochemiczne naczyńko pomiarowe.
300 200 100 E ', mv 0-100 -200-300 316L A B C D E F G SYMBOL PRÓBKI Potencjał korozyjny (E ) stali nierdzewnej 316L bez modyfikacji oraz z wielowarstwowymi powłokami ceramicznymi SiO 2 po 120 - minutowej ekspozycji w roztworze sztucznej krwi w temperaturze 37 C.
I (A/cm 2 ) 1 0-3 1 0-4 1 0-5 1 0-6 1 0-7 1 0-8 1 0-9 10-10 316L 316L + 1wars twa SiO2 (próbka A) 316L + 2 wars twy S io 2 ( pr óbk a B ) 316L + 3 wars twy S io 2 ( pr óbk a C) 316L + 4 wars twy S io 2 ( pr óbk a D) 316L + 5 wars tw SiO2 (próbka E ) 316L + 6 wars tw SiO2 (próbka F) 316L + 7 wars tw SiO2 (próbka G) -1,5-0,5 0,5 1,5 2,5 3,5 E (Volts) Krzywe potencjodynamiczne stali nierdzewnej 316L bez modyfikacji oraz z wielowarstwowymi powłokami ceramicznymi SiO 2 po 120 - minutowej ekspozycji w roztworze sztucznej krwi w temperaturze 37 C.
-500-400 E K - A, mv -300-200 -100 0 316L A B C D E F G SYMBOL PRÓBKI Potencjał przejścia katodowo-anodowego anodowego (E K A ) stali nierdzewnej 316L bez modyfikacji oraz z wielowarstwowymi powłokami ceramicznymi SiO 2 po 120 minutowej ekspozycji w roztworze sztucznej krwi w temperaturze 37 C.
1400 1200 1000 E W, mv 800 600 400 200 0-200 316L A B C D E F G SYMBOL PRÓBKI Potencjał zarodkowania wŝeru (E W ) stali nierdzewnej 316L bez modyfikacji oraz z wielowarstwowymi powłokami ceramicznymi SiO 2 po 120 minutowej ekspozycji w roztworze sztucznej krwi w temperaturze 37 C.
14 Przepuszczalnosc, % 12 10 8 6 4 2 0 A B C D E F G SYMBOL PRÓBKI Przepuszczalność wielowarstwowych powłok SiO 2 naniesionych na stal nierdzewną typu 316L po 120 minutowej ekspozycji w roztworze sztucznej krwi w temperaturze 37 C.
4x10 5 3x10 5 R P, Ωcm 2 2x10 5 1x10 5 316L A B C D E F G SYMBOL PRÓBKI Porównanie oporów polaryzacyjnych (R( p ) stali nierdzewnej 316L bez modyfikacji oraz z wielowarstwowymi powłokami ceramicznymi SiO 2 po 120 minutowej ekspozycji w roztworze sztucznej krwi w temperaturze 37 C.
2000 Obszar pasywny, mv 1500 1000 500 0 316L A B C D E F G SYMBOL PRÓBKI WydłuŜenie obszaru pasywnego stali nierdzewnej 316L bez modyfikacji oraz z wielowarstwowymi powłokami ceramicznymi SiO 2 po 120 minutowej ekspozycji w roztworze sztucznej krwi w temperaturze 37 C.
Stwierdzenia i wnioski. Na podstawie wykonanych badań elektrochemicznych stali chirurgicznej typu 316L, polegających na rejestrowaniu krzywych polaryzacyjnych oraz na podstawie analizy wyników badań stwierdzono, Ŝe modyfikacja wielowarstwowymi powłokami SiO 2 stali 316L wpływa na odporność korozyjną gdyŝ korzystnie wpływa na wyznaczone wartości parametrów elektrochemicznych o których była mowa powyŝej. ObniŜa szybkość korozji stali nierdzewnej typu 316L w roztworze sztucznej krwi (zawierających jony chlorkowe) w temperaturze 37 C.
Do oceny właściwości ochronnych wielowarstwowych powłok SiO 2, otrzymanych metodą zol-ŝel, na stali nierdzewnej typu 316L, zastosowano następujące wielkości elektrochemiczne: potencjał stacjonarny, korozyjny (E ), zmierzony po 120-to minutowej ekspozycji próbki w roztworze sztucznej krwi, gęstość prądu katodowego zmierzona przy potencjale -750 mv,, potencjał przejścia katodowo-anodowego anodowego stali 316L bez oraz z wielowarstwowymi powłokami SiO 2 (E K-A ), potencjał zarodkowania wŝeru (E W ) przy gęstości prądu 2,5µA/cm2 oraz opór polaryzacyjny (R( p ), a takŝe wydłuŝenie obszaru pasywnego.
Dziękuję za uwagę