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
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• DEA (Dielectrical Analysis): Versuchsaufbau
DEA Versuchsaufbau
Vorstellung der Untersuchungsmethoden
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• 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%
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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
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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
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• 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)