nanoparticule ZrO2

8/12/2019 nanoparticule ZrO2

1/25

Nanoparticule de ZrO2stacu Y2O3pentru aplicaortopedice i dentare

Speriatu Andreea-

Facultatea de Ingi


2/25

Cuprins Generaliti despre ZrO2. Forme polimorfe

Proprieti

Proprieti biologice

Proprieti mecanice

Proprieti optice

Rute de sintez

Reacii n stare solid

Piroliza

Metoda sol-gel

Aplicaii

Sinteza zirconei pentru implanturi osoase i implanturi dentar

Concluzii

Bibliografie


3/25

Zircona pur (ZrO2) este un oxid ce p

polimorfisme de simetrie monoclinic, tetragona

instabile la temperatur. Pentru ca acest oxid spo

pentru fabricarea de diferite componente, este ne

stabilizat cu oxizi cum este ioxidul de ytriu (Y2O3)


4/25

1. Generaliti despre ZrO2. Fopolimorfe

Zirconul este un metal gri, lucios, care poate preanegru-albde pulbere. Zircona este un oxid cu rezistende traciune mare,rezistenla coroziune. Nu se gsete n naturca oxid pur. Princzircon sunt zirconatul (ZrO2-SiO2, ZrSiO4) i badelitul (ZrOmaterialului utilizat fiind extraschimic din aceste minerale. Zircabundent, dar mai puin pur, fiind necesar o procesare semobinerea zirconei. Badelitul coninencde la nceput procente

de la 96.5% pnla 98.5%.Dioxidul de zircon (ZrO2) obinut din badelit, cunoscut i ca

tip de oxid care prezintstructurcristalinmonoclinicla tempeTotui, pulberea poate fi purificat i procesat sintetic la temformnd o structur cubic numit zircon cubic. Materialul rfr defecte i translucid din punct de vedere optic, de obicobinerea de pietre preioase i senzori de gaz.


5/25

Fazele zirconei (monoclinictetragonal, cubic)

Aranjamentul spaial al atomilor zirconei este caracterizat princristalografice distincte, prezentnd o proprietate numitpolimorfismfaze, sau structuri cristaline, sunt caracterizate prin geometrie spparametri dimensionali: monoclinic,tetragonali cubic.


6/25


7/25

Fabricarea de componente din zirconpurnu este posibileec spontan. Adugarea unor oxizi stabilizatori este importpermite meninerea formei tetragonale la temperatura camerei.

Diferii oxizi, cum sunt oxidul de ytriu (Y2O3), oxidul de caoxidul de magneziu (MgO), pot fi adugai zirconei pentru stabilformei tetragonale sexiste la temperatura camerei dupsinteri

Adugarea unor cantiti diferite de stabilizatori permite fparial (PSZ) sau complet/total (TSZ) stabilizate care, atucombinat cu schimbri n procesare, se pot forma ceramicexcepionale precum rezisten la ncovoiere mare i rezist

duritate mare, rezistenchimicexcelenti conductivitate buO zircon complet stabilizat se obine prin adugarea

suficiente de oxizi stabilizatori, precum 16mol% magnezie (MgOde var (CaO) sau 8mol% ytrie (Y2O3).


8/25

2. Proprieti2.1 Proprieti biologice

Biocompatibilitate i bioinerie

Zircona prezintbiocompatibilitate mare. Ceramicile pe bazmateriale inerte din punct de vedere chimic ce permit adeziunea

Gradul de toxicitate

Testele in vitro au artatczircona este mai puin toxicdeci similaraluminei.

Radioactivitate

Zircona este de obicei nsoit de elemente radioactivnjumtire mare, precum thoriu (Th) i uraniu (U). Separarea aeste dificili costisitoare. Cu zircona sunt asociate dou tipuri dgamma. n implanturile chirurgicale au fost observate particule celulele esuturilor moi i dure.


9/25

2.2 Proprieti mecanice

Rezistena la ncovoiere

Rezistena la ncovoiere este o proprietate mecanicimportantcare aperformanei materialelor fragile. Microfisurile i defectele intrinseci cresc n mecanice i termice i pot influena semnificativ rezistena materialului.

Rezistena la rupere

Aceast proprietate indic abilitatea materialului de a rezista la propfisurii i a fracturii cu efecte grave. De asemenea, msoaruurina de cretedintr-un eec iniial. La zircon, procesul de transformare a fazelor indcompresiune la vrful fisurii i tensiuni de forfecare ce acioneaz mpottensiuni generat n aceastregiune.

Creterea subcritica fisurilor

Creterea subcritica fisurilor (SCG), care const n propagarea lentauna din cauzele majore de deteriorare a ceramicilor i apare de obicei n timp

O rspndire rapida fisurilor se observ n prezena apei, ceea ce poconcentraii mari de molecule de apn jurul fisurii. Mediul mrete gradul dedeoarece faciliteazcltireauniunii Zr-O-Zr la captulfisurii.

ntrirea

Adugareade aluminzirconei Y-TZP produce un material cu un modul e

o microstructurmai fin,de obicei cu o duritate mai mare.


10/25

Transformarea martensitic

Transformrile caracteristice de faz pe care le sufer zircmartensitic. Acest proces este caracterizat de o transformafr transfer de mas, ntr-un interval specific de tempschimb forma nucleului. Transformrile de faz sunt reveexpandarea volumului nucleului cu 3-4%.

mbtrnirea

mbtrnirea sau degradarea zirconei la temperatur jotemperature degradation) este un fenomen progresiv i spoagravat de prezena apei, aburului sau fluidelor. Consecinmaterialului includ deteriorarea suprafeei, microfisuri i rezistetermen mediu i lung.

2.3 Proprieti optice Gradul de opacitate i transluciditate

Sistemele ceramice folosite n stomatologie trebuie saibtranslucpentru a obine proprieti estetice bune i n acelai timp s fuadecvatn timpul mestecrii. Considernd materialele ceramice ddou proprieti nu pot fi obinute dintr-un singur material, producerea de proteze fixe. Astfel, un material ceramic oxidic ar trebinfrastructur, n timp ce o sticl sau o ceramic feldspatic trematerial estetic de acoperire.


11/25

3. Rute de sintez3.1 Reacii n stare solid

Reacia n stare solideste o reacie chimicce are loc

solvent. Metoda se bazeaz pe procese la temperaturnamcinaremecanic.

Aceastmetodprezinto serie de avantaje care i-au favdezvoltare:

este economic,nefiind necesari solvenii

este uor de purificat, nefiind necesarndeprtareasolvenilo

nu polueaz,solvenii nefiind prezenipermite obinerea unor volume mari de producie

se pot obine particule cu dimensiuni de 30nm folosind corpude 200m reducerea dimensiunilor granulare se realizeaz cupnla 103104ori


12/25

Prin procedeul de mcinare, se urmretereducerea dimensiunii particulelor, omogenizareamecanic a amestecurilor i schimbarea formeiparticulelor. n timpul acestui proces, pulberile, cudimensiuni ale granulelor de aproximativ 50m, suntintroduse ntr-o incintnchismpreun cu bilele demcinare. Energia de mcinare mare, necesarobinerii nanopulberilor, este obinututiliznd vibraii cufrecven mare i amplitudine mic. Corpurile demcinarese realizeazdin materiale cu densitate mare(oel sau carburde tungsten).

Mecanismul prin care se realizeazacest proces sebazeaz pe producerea unor defecte de structur,

datorit aportului de energie. Acestea sunt puse neviden prin difractometria de raze X, datoritefectului de disturbare asupra superpoziiei radiaieidifractate n punctele cu defecte din reea, ceea ceconduce la lrgirea picului de difracie. Iniial seformeaz zone cu o concentraie mare de dislocaii,separate de zone cu mai puine defecte.


13/25

3.2 Piroliza

Piroliza spray este o metod fizic relativ simpl, reprdimensiuni controlabile, care implicun cost redus i poate fi fopentru sinteza ctorva oxide metalice.

Pulberile obinute prin aceastmetod,comparativ cu cemetode chimice, sunt mai cristaline, mai puin aglomeratei cumarei au de asemenea suprafee specifice mari.

Soluiile precursor de acetat metalic, clorur i nitrat sunt sinteza nanoparticulelor de oxizi metalici prin metode de piromoment ce ultimii doi compui produc gaze acide care sumediului i ageni corozivi, acetatul de metal este preferat. Mai m

de acetat de metal produc suprafee specifice mai netede i puagreg datorit descompunerii exoterme din reacie, n timpnitrat produc pulberi ce agregputernic.

Metoda presupune piroliza unui aerosol produs prin ultrasunete generate de ctreo ceramicpiezoelectric.


14/25

Principalele componente ale sistemului sunt:

Un furnal cu lungime de 130 cm mprit n 3 zone capabil s se nclzea1100C (Lindberg Model Blue M)

Reactor tubular de cuar(lungime-170 cm) cu un diametru de 7.6 sau 2.5 cm

Pulverizator cu sistem de alimentare pentru generarea picturilorde precurso

Debitmetre de precizie i controllere (MKS Model 1179, Andover, MA).


15/25

Aerul purttoreste furnizat n sus i o pompde vacuum estjosul reactorului pentru controlul timpului de edere a picturilo

ce curg prin reactor. Particulele rezultate sunt colectate n cape filtrul poziionat ntre capcane i pompa de vacuum.

Temperatura nalt provoac evaporarea solventului speciilor solubile omogen n volumul particulelor de aerosrealizeaz uscarea compusului, urmat de descompunereparticulelor de precipitat la o temperatur mai ridicat, rezumicroporoase. Se realizeaz apoi sinterizarea particulelor, cugranule dense de formsferic.


16/25

3.3 Metoda sol-gel

Procedeul sol-gel este o metodfolositpentru producerea de din molecule mici. Aceast metod este utilizat pentru fabricoxidice. Procedeul implic o conversie a monomerilor ntr-o soluiecare se comport ca un precursor pentru o reea integrat (sauparticule discrete, fie pentru reele polimerice. Precursorii tipici sunt alc

n aceast procedur chimic, solul (sau soluia) evolueazformarea unui sistem difazic asemntorunui gel coninnd att fafaz solid ale crormorfologii variazde la particule discrete la recontinue. n cazul unui coloid, fracia volumic de particule (particulelor) poate fi att de mic nct o cantitate semnificativdnecesar a fi ndeprtat iniial pentru a fi recunoscute proprietilegelului. Cea mai simplmetodde obinere este alocarea de timp psedimentarea, urmnd ca lichidul rmass fie scurs. Centrifugarea pentru accelerarea procesului de separare de faze.

ndeprtarealichidului rmas(solventului) necesitun proces decare este de obicei nsoit de o contractare semnificativi de dende lichid care trebuie ndeprtat este determinat i de poroMicrostructura final va fi puternic influenat de schimbrile din aprocesare.

Ulterior, un tratament termic sau proces de ardere este de obicea favoriza policondensarea i mbuntirea proprietilor mecanicstructurale prin sinterizare, densificare i creterea granulelor. Un avmetode este densificarea la o temperaturjoas.


17/25

Precursorul sol poate fi depozitat fie pe un substrat pentru a forma unun container adecvat cu forma dorit(pentru a obine ceramici monomembrane, aerogeluri), fie pentru a sintetiza pulberi (microsfere, nanosfe

Abordarea sol-gel este o tehnic ieftin , desfurat la tempepermite controlarea compoziiei chimice a produsului.


18/25

4. Aplicaii Principala utilizare a zirconei este n producerea de ceramici,

nveli protector pe particulele de pigment de dioxid de refractar, n izolaii, smaluri i materiale abrazive. Zircona stabpentru senzorii de oxigen i membrane de celule combustibi

abilitii de a permite ionilor de oxigen s treac liber prin strtemperaturi mari. Aceast conductivitate ionic mare electronicmic)face zircona una dintre cele mai utile electroc

Conductivitatea termicfoarte mica fazei cubice a zirconei ca barier termic (TBC thermal barrier coating), n mturboreactor, pentru a permite operarea la temperaturi mari.

Zircona este utilizati pentru depunerea nveliurilor optice; epoate fi folosit de la UV pn la IR, datorit absorbiei mici

spectral. n astfel de aplicaii, este depus prin depunere fizicphysical vapor deposition).

Cristalele singulare de faz cubic a zirconei sunt folosite cdiamant n bijuterie. Ca i diamantul, zircona cubic are ocubici un index mare de refracie. Visual, discernerea ntre o cubic de bun calitate i un diamant este dificil, mafolosindu-se de un tester de conductivitate termic pentru adupa conductivitatea sa termicjoas(diamantul este un foartermic).


19/25

Acest material este folosit i n stomatologiepentru fabricarea:

1) subcadrelor pentru construirea restauraiilor dentare cum suntpunile i coroanele, care sunt apoi smluite cu un porelanfeldspatic convenional din motive estetice sau

2) proteze dentare puternice, foarte durabile construite n ntregime din

zircon monolitic, cu proprieti estetice limitate dar n continumbuntire.

Materialele folosite n stomatologie necesitcompatibilitate, rezisteni duritate pentru aciunea mecanic a dinilor i de asemeneatrebuie s se potriveasc esutului natural n culoare itransluciditate.

Materialele pe bazde zirconau fost folosite n ortopediedin 1985pentru a nlocui metalele, mai ales datorit rezistenei mari la

frecare.Pulberile zirconice pentru aplicaii biomedicale trebuie s fie foarte

pure, cea mai comun impuritate fiind alumina (proporia nutrebuie sdepeasc0.5%). Densitatea zirconei trebuie sfie ctde aproape posibil de densitatea teoretic,adic6.1. Cu ct estemai aproape de aceast valoare, cu att spaiile dintre particulesunt mai puine i rezistena mecanic este mai mare i la fel iduritatea suprafeei. Particulele ceramice trebuie sfie mai mici de0.6mm.


20/25

5. Sinteza zirconei pentru implanturii implanturi dentare

Cnd o ceramic este folosit ca implant medical, escrearea unei legturistabile ntre esutul osos i suprafaa implaslab la interfaa implant-esut osos conduce la rezistenmec

jonciunii os-implant i la posibilul eec al implantului. Un scooptimizrii interfeei este utilizarea speciilor biocompatibilemineralizarea osului la interfa,ulterior implantrii.

Ceramicile zirconice au fost folosite pentru implanturi ortopo rezistensuperioarla coroziune i zgriere fade metal i obunla ruperea fragilfade alumin.

Ceramica zirconic stabilizat cu 3 mol% ytrie (3Y-TZP) pentru artroplastie totalde old i stomatologie. Aceste tipuri bioinerte au proprieti agreabile, precum rezisten la ruppentru aplicaii biomedicale. Totui, integrarea ntre ceramicesut este o problemcritic.


21/25

Se preparseparat soluii apoase 1M de oxiclorurde zircon iau fost filtrate optic pentru a elimina orice contaminare. Celeamestecate i amestecul omogen a fost obinut dupagitare

de o or.

Soluia 1M de acid oxalic a fost preparati adugatperiodic ZrOCl2*9H2O i Y(NO3)2*6H2O sub agitare. Adugarea de asensibili n acelai timp crucialn determinarea calitii gelulu

Cnd solul este inut la temperatura camerei pentru un timp, devtransparent. Apoi, gelul este uscat n cuptor la 45C timp de 5 zile

Dupce gelul a fost inut la temperatur sczutun timp ndclorursuntndeprtai ca HCl.

Pulberea uscatde gel zircon-oxalat a fost obinutprin mcinmojar de agat, iar apoi pulberea este calcinatla 800C.


22/25


23/25

6. Concluzii Zirconul este un metal gri, lucios, care poate preanegru-alb

de pulbere. Zircona este un oxid cu rezistende traciune marei rezistenla coroziune. Nu se gsete n naturca oxid pur. P

de zircon sunt zirconatul (ZrO2-SiO2, ZrSiO4) i badelitul (ZrOmaterialului utilizat fiind extraschimic din aceste minerale.

Zircona pur ZrO2 prezint trei polimorfisme de simetrietetragonali cubic. Faza monocliniceste stabilla temperase transform n faza tetragonal la 1170C n timpul nclaceast faz trece n cea cubic la 2370C. Aadar, componente din zircon pur nu este posibil din cauza unuAdugarea unor oxizi stabilizatori este important deomeninerea formei tetragonale la temperatura camerei. Diferioxidul de ytriu (Y2O3), oxidul de calciu (CaO) sau oxidul de mpot fi adugai zirconei pentru stabilizare, permind formei existe la temperatura camerei dupsinterizare.

Zircona poate fi obinutprin mai multe metode, cele mai utilizasol-gel, metoda pirolizei i reaciile n stare solid.

Proprietile biologice, mecanice i optice fac din zirconutilizare vast n domeniul implanturilor ortopedice (implant dcap femural) i dentare (puni, coroane, proteze dentare foarte


24/25

7. Bibliografie1. E. Andronescu, Curs Metode de obinere a nanoparticulelor, Facultatea de Chim

Materialelor, Universitatea Politehnica Bucureti, 2013

2. C.A Maziero Volpato, L.G. DAltoeGarbelotto, M.C. Fredel, F. Bondioli,Application oBiological, Mechanical and Optical Considerations, Brazil, Italy, 2011

3. I. Birkby, Fabrication and Wear of Yttria Tetragonal Polycrystals, University of Leeds Ph.

4. A.J.A. Winnubst, K. Keizer, A.J. Burggraaf, Mechanical properties and fracture beceramics, Twente University of Technology, 1982

5. C. Enoiu, A. Volceanov, E. Volceanov, R. Gavrila, Nanostructured zirconia compositefor biomedical applications, National Institute for Microtechnologies IMT BuchareChemisty, University Politehnica of Bucharest, 2004

6. Nelson R.F.A. Silva, Irena Sailer, Yu Zhang, Paulo G. Coelho, Petra C. Guess, Anja ZPerformance of Zirconia for Dental Healthcare, New York University, University oFreiburg, 2010

7. Y.L. Song, S.C. Tsai, C.Y. Chen, T.K. Tseng, C.S. Tsai, W. Chen, Y.D. Yao, Ultrasonic Spraof Spherical Zirconia Particles,Institute of Applied Science and Engineering Research Chemical Engineering California, Department of Electrical Engineering and CompuDepartment of Physics, National Taiwan University, Institute of Physics, Academia Sinic

8. R. Velmurugan, S. Kanagesan, S. Jesurani, T. Kalaivani, Surface Bioactivity of Sol Gel DCeramic through Hydroxylation Technique Using 5M H3PO4, Center for MateriaDevices, Department of Physics, SRM University, India, Department of Physics, JCollege for Women, India, 2010

9. Mohammed Rafiq Hussain Siddiqui, Abdulaziz Ibrahim Al-Wassil, Abdullah MohmmMohamad Mahfouz, Effects of Precursor on the Morphology and Size of ZrO2 NanopSol-Gel Method in Non-aqueos Medium, Department of Chemistry, College ofUniversity, Kingdom of Saudi Arabia, The National Program for Advanced Materials

King Abdulaziz City for Science and Technology, Saudi Arabia, 2012


25/25

Documents

nanoparticule ZrO2