Methoden zur Echtzeitanalyse der Polymerisationskinetik bei lichthärtenden Kompositen

J. STEINHAUS*1, B. MÖGINGER1, M. FRENTZEN2

1 Fachhochschule Bonn-Rhein-Sieg / FB Angewandte Naturwissenschaften

2 Universität Bonn / Poliklinik für Parodontologie,Zahnerhaltung und Präventive Zahnheilkunde

2004

Johannes Steinhaus Folie 2

Ziele:• Besseres Verständnis der Reaktionskinetik von Kompositen• Adaption von thermischen Analysemethoden

Inhalt der Untersuchungen war es werkstoffkundliche Prüfverfahren zur Echtzeitanalyse der Polymerisationskinetik für Anwendungen in der Zahnheilkunde zu modifiezieren.Hierzu wurden die thermoanalytischen MessverfahrenDielectrical Analysis (DEA) und Differential ScanningCalorimetry (DSC) im Rahmen der Photopolymerisation vonKompositen verwendet.

Einleitung

Belichtungszeit t

DSC (90 s)DEA (10 s)

Johannes Steinhaus Folie 3

• Verwendete Untersuchungsmethoden:(bisher nur Machbarkeitsanalyse bei Raumtemperatur)

• DEA (Dielectrical Analysis)Methode zur Messung des zeitlichen Verlaufs der Ionenviskosität bzw. Ionenbeweglichkeit

• DSC (Differential Scanning Calorimetry)Kalorimetrische Methode zur Messung von Reaktions-, Umwandlungs-, Schmelzenthalpien

• Verwendete Materialien: Lichthärtendes Komposit(VOCO, ARABESK TOP®-Produktreihe (Transluzenzen von 9-47 %))

Einleitung

Johannes Steinhaus Folie 4

• DEA (Dielectrical Analysis): Messprinzip

Vorstellung der Untersuchungsmethoden

Schematische Darstellung eines DEA-Sensors mit Reaktivharz-Probe

~U

d Isolationsmatrix

Probe

Elektroden

elektrisches WechSensorgehäuse

kammförmig ineinander-greifende Elektroden

el. Wechselfeld

schematische Darstellung eines DEA-Sensors (seitliche Ansicht)

Sensorgehäuse

Isolationsmatrix

~U

d

Probenmaterial

Schematische Darstellung eines DEA-Sensors mit Reaktivharz-Probe

~U

d Isolationsmatrix

Probe

Elektroden

elektrisches WechSensorgehäuse

kammförmig ineinander-greifende Elektroden

el. Wechselfeld

schematische Darstellung eines DEA-Sensors (seitliche Ansicht)

Sensorgehäuse

Isolationsmatrix

~U

d

Probenmaterial

Foto von IDEX-Sensor

NETZSCH® TMS-Sensor(Tool Mount Sensor; 500 µm Elektrodenabstand)

5 mm

Johannes Steinhaus Folie 5

• DEA (Dielectrical Analysis): Versuchsaufbau

DEA Versuchsaufbau

Vorstellung der Untersuchungsmethoden

Johannes Steinhaus Folie 6

• DSC (Differential Scanning Calorimetrie): Messprinzip

Schematische Darstellung einer DSC- Messzelle

Messzellendeckel(Aluminium-beschichtet)

DSC-Messzelle:

Lichtleiter

Messzelle(Silber)

Glühdraht-Heizung

Flüssig-Stickstoff-Kühlung

Probentiegel(Aluminium)

Referenztiegel(Aluminium)

Thermo-element

DSC-Messzelle:

Vorstellung der Untersuchungsmethoden

Johannes Steinhaus Folie 7

• DSC (Differential Scanning Calorimetrie): Versuchsaufbau

Vorstellung der Untersuchungsmethoden

Johannes Steinhaus Folie 8

• DEA (Dielectrical Analysis): Frequenzvariation (TMS)

Änderung der Ionenviskosität während der Vernetzung; untersucht wurde ARABESK TOP® A3

(Frequenzreihe mit TMS-Sensor; Start der Belichtung bei ca. 12 s)

Ergebnisse

456789

1011121314

5 10 15 20 25

Zeit/s

10 Hz 100 Hz 300 Hz 1000 Hz 3000 Hz 10000 Hz

4

5

6

7

8

9

10

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

Zeit/sec

V 24902_0% V 24902_25% V 24902_50% V 24902_100%

Johannes Steinhaus Folie 9

Änderung der Ionenviskosität µi während der Vernetzung; untersucht wurde eine Testmischung ohne Farbpigmente (Start der Belichtung bei ca. 12 s)

• DEA (Dielectrical Analysis): Initiatorvariation (TMS)

Ergebnisse

Johannes Steinhaus Folie 10

Abb. 6.2: Reaktionskurven von ARABESK TOP® A1 (in der Klammer ist jeweils die gesamt umgesetzte Reaktionsenergie pro mg Einwaage angegeben.Diese ergibt sich aus dem Flächeninhalt der jeweiligen Kurve)

-10

-8

-6

-4

-2

0

20 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Zeit / s

Rea

ktio

nsw

ärm

e / m

W/m

g

P04 (161 mJ/mg) P05 (131 mJ/mg) P06 (144 mJ/mg)P1-Gr1-2 (176 mJ/mg) P2 Gr1-2 (190 mJ/mg) P2 Gr3-4 (183 mJ/mg)P3 Gr5-6 (190 mJ/mg)

Reaktionskurven von ARABESK TOP® A1 (in der Klammer ist jeweils die gesamt umgesetzte

Reaktionsenergie pro mg Einwaage angegeben. Diese ergibt sich aus dem Flächeninhalt der jeweiligen Kurve)

• DSC (Differential Scanning Calorimetrie): Messkurven

Ergebnisse

Johannes Steinhaus Folie 11

• DEA (Dielectrical Analysis) / DSC (Differential Scanning Calorimetrie): Vergleich der Messkurven

Auswertung

-9

-7

-5

-3

-1

1

10 15 20 25 30

Zeit/s

DSC-Mittelwert-Kurve A3,5

7

8

9

10

11

12

10 15 20 25 30

Zeit/s

DEA-Messung (10Hz)

10 15 20 25 30

Vergleich von DEA- und DSC-Messkurve (DEA-Messung mit TMS-Sensor, Material ARABESK TOP® A3)

(Start der Belichtung bei ca. 13s)

∆T≈8-9s

Johannes Steinhaus Folie 12

Zusammenfassung und Ausblick

• Erkenntnisse:

• Immobilisierung der Polymermatrix nach ca. 8-9 s Belichtung

• DEA und DSC eignen sich hervorragend zur Untersuchung der Reaktionskinetik von Kompositen

• Ausblick:

• Genaue Studien über die notwendige Belichtungszeit

• Jüngste Untersuchungen zeigen, dass sich diese

Analysemethoden auch für Zwei-Komponenten-Systeme

eignen (Autopolymerisation à Provisorien, Abdrücke)