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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Glasfüllmaterial.
Noch spezifischer offenbart die vorliegende Erfindung ein Glasfüllmaterial
für Verbundstoffe
mit kationischen Aushärtungseigenschaften
und für zahnärztliche
Verbundmaterialien.
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Das
Glasfüllmaterial
beeinflusst die Aushärtungseigenschaften
des Verbundstoffs nicht und verschlechtert die mechanischen Eigenschaften
des ausgehärteten
Kunststoffpolymers (d.h. einer Zahnfüllung) nicht und reduziert
die Beständigkeit
des Verbundstoffs während
der Nutzungsdauer nicht.
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Dies
lässt sich
durch ein Glasfüllmaterial
erreichen, in dem die Teilchen dieses Materials eine innere Zone
und eine äußere Zone
aufweisen, wobei die äußere Zone
von Alkalimetalloxiden fast frei ist und die Alkalimetalloxide der
inneren Zone nicht zur äußeren Zone
migrieren.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren für die Herstellung
eines Glasfüllmaterials,
das die Aushärtungseigenschaften
des Verbundstoffs nicht beeinflusst und die mechanischen Eigenschaften
des ausgehärteten
Kunststoffpolymers nicht verschlechtert und die Beständigkeit
des Verbundstoffs während
der Nutzungsdauer nicht reduziert. Noch spezifischer betrifft sie
ein Verfahren zum Herstellen eines Glasfüllmaterials für Verbundstoffe
mit kationischen Aushärtungseigenschaften
und noch spezifischer für
Dentalverbundstoffe.
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Der
Begriff „polymerisierbares
Harz" bedeutet das
Monomer oder die Mischung von Monomeren, das bzw. die eine Polymerisation
durch daneben aufgebrachte Initiierung durchmachen. Das polymerisierbare Harz
kann eine gewisse Menge von vorpolymerisierten Oligomeren und/oder
Polymeren, auf die Monomere bezogen, enthalten.
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Das
polymerisierbare Harz wird oft mit einem Füllmaterial zum Verbessern der
Eigenschaften des nicht ausgehärteten
Materials gemischt. Im Folgenden wird dieses Material „Verbundstoff" oder „Verbundmaterial" genannt, d.h. es
ist ein Zahnverbundmaterial.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Ausdruck „Kunststoffpolymer" ist das ausgehärtete Material
nach der Polymerisation gemeint, das keine oder nur geringe Mengen
von Monomeren enthält.
Das so gebildete Kunststoffpolymer, das nach geeignetem Aushärten erhalten
wird, weist durch Zusetzen eines Füllstoffs zu dem polymerisierbaren
Harz sogar verbesserte Eigenschaften auf.
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Glasfüllmaterialien
für aushärtbare Verbundstoffe
sind in zahlreichen Dokumenten offenbart.
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Die
EP 716 049 A2 offenbart
ein bariumfreies Dentalglas mit guten Röntgenstrahlenabsorptionseigenschaften
umfassend Folgendes (in Gew.-%): 50-75 Siliciumdioxid, 5-30 Zirkoniumdioxid,
0-5 Lithiumoxid, 0-25 Natriumoxid, 0-25 Kaliumoxid und 0-25 Alkalimetalloxide
(das Gewicht ist auf die Oxide bezogen).
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Die
EP 634 373 offenbart ein
bariumfreies Dentalglas mit guten Röntgenstrahlenabsorptionseigenschaften
umfassend Folgendes (in Gew.-%): 45-65 Siliciumdioxid, 5-20 Boroxid,
5-20 Aluminiumoxid, 0-10 Calciumoxid, 15-35 Strontiumoxid, 0-2 Fluor.
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Die
US 6,270,562 B1 betrifft
ein Füllmaterial
zur Verwendung in zahnärztlichen
Verbundstoffen und bei zahnärztlichen
Instandsetzungsarbeiten umfassend ein faserförmiges Material und eine oder
mehrere Formen von oberflächenmodifizierenden
Teilchen. Die oberflächenmodifizierenden
Teilchen werden mit dem faserförmigen
Material zum Vergrößern des
Oberflächenbereichs
des faserförmigen
Materials und Verbessern der Bindungseigenschaften des faserförmigen Materials
verbunden, um zu ermöglichen,
dass es sich besser mit einem Harzmatrixmaterial in einem zahnärztlichen
Verbundstoff verbindet.
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Die
WO 99/20225 beschreibt ein
Verfahren zum Herstellen einer Zusammensetzung zum Bilden eines zahnärztlichen
Verbundmaterials, das einen Glasfaserfüllstoff umfasst. Diese Fasern
werden durch Mahlen von Glasfasern, die durch Erhitzen der Glasfasern
bei einer Temperatur, die im Wesentlichen unterhalb des Erweichungspunkts
der Glasfasern liegt, verdichtet und spröde gemacht worden sind, erhalten.
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Die
US 6,022,819 betrifft eine
Porzellanzusammensetzung umfassend, in Gewichtsprozent, 50-85 % SiO
2, 2-18 % Al
2O
3 und 2-23 % eines Schmelzmittels. Das Schmelzmittel
wird aus der Gruppe ausgewählt
bestehend aus K
2O, Na
2O,
Li
2O, CaO, P
2O
5, F, BaO, B
2O
3 und Mischungen derselben.
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Die
EP 997 132 A1 offenbart
ein für
Röntgenstrahlen
opakes bariumfreies Dentalglas umfassend Folgendes (in Gew.-%):
20-45 Siliciumdioxid, 5-35 Aluminiumoxid, 2-20 Zinkoxid, 2-10 Zirconiumoxid,
2-10 Fluor und 1-10 Natriumoxid.
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Die
DE 198 46 556 beschreibt
Dentalmaterialien auf der Basis von polymerisierbaren Monomeren,
Epoxiden, organisch modifizierten Polysiloxanen, flüssigen Kristallmonomeren,
Oxethanen, Spiroorthoestern oder Carbonaten als Bindemitteln, einem
Katalysator für
die heiße,
kalte oder Fotopolymerisation, 20-70 Gew.-% anorganischem Füllstoff
(A), 0-60 Gew.-% anderen Füllstoffen
(B) und 0-2 Gew.-% herkömmlichen
Zusatzmitteln. Der anorganische Füllstoff (A) besteht aus einem
porösen
Glaskeramikmaterial mit Mikro- und/oder
Mesoporen, die mit den Bindemitteln, wahlweise in polymerisierter
Form, gefüllt
sind.
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Die
WO 02/055028 A2 beschreibt
ein polymerisierbares Dentalmaterial mit einem Füllmaterial. Das Füllmaterial
wird durch ein Schmelzverfahren hergestellt und so gewählt, dass
es einen Brechungsindex von n
D = 1,49 bis
1,54 aufweist, so dass die Viskosität des polymerisierbaren Dentalmaterials
nach einer Zeitspanne von mindestens 9 Monaten, während der
es bei einer Temperatur im Bereich von 20 bis 25°C gelagert worden ist, einen
Wert von +/– 50
% des ursprünglichen
Werts aufweist, der 24 Stunden nach der Herstellung des polymerisierbaren
Dentalmaterials gemessen worden ist, und so, dass das polymerisierbare
Dentalmaterial eine Reaktivität
des Typs aufweist, dass, sobald die Polymerisation ausgelöst worden
ist, die Menge des maximalen Wärmeflusses,
der durch das Dentalmaterial erzeugt wird, mindestens 0,8 mW/mg
entspricht, und dieser maximale Wärmefluss innerhalb einer Zeitspanne
von nicht mehr als 60 Sekunden erreicht wird.
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Die
EP 023 013 B1 betrifft
ein Calciumaluminiumfluorsilicat-Glaspulver mit einer mittleren
Teilchengröße von mindestens
0,5 μm,
wobei die Pulverteilchen so an Calcium an ihrer Oberfläche verarmt
sind, dass der Quotient des Atomverhältnisses Si/Ca an der Oberfläche der
Pulverteilchen und das Atomverhältnis
Si/Ca im Kernbereich mindestens 2,0 beträgt. Sie beschreibt des Weiteren
ein Verfahren zum Entfernen dieser Ionen von der Teilchenoberfläche bis
zu einer Tiefe von etwa 50 nm. Dieses Calciumaluminiumfluorsilicatglaspulver wird
für einen
Glasionomerzement verwendet.
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Ein
Verfahren zum Herstellen von Glassubstraten ist in der
EP 819 103 offenbart. In einem Schritt
wird die Oberfläche
eines Siliciumdioxid-Sodakalk-Glassubstrats bis auf eine erste Tiefe
durch einen Ionenaustauschbehandlung für eine ausreichende erste Zeit
und bei einer ersten Temperatur behandelt, um ein durch Ionenaustausch
behandeltes Glas mit einer verstärkten
Oberfläche
bereitzustellen. In einem darauffolgenden Schritt wird die Oberfläche des
durch Ionenaustausch behandelten Glases bis auf eine zweite Tiefe
durch eine Entalkalisierungsbehandlung für eine ausreichende zweite
Zeitspanne und bei einer zweiten Temperatur behandelt, um alkalische
Ionen von der Glasoberfläche
zu entfernen, wobei die zweite Tiefe geringer ist als die erste
Tiefe. In dieser Offenbarung ist das Entalkalisierungsverfahren
nur zum Entfernen der Ionen bis zu einer Tiefe von weniger als 1 μm nützlich.
Es erfordert außerdem
Temperaturen von mehr als 100°C.
Die Entalkalisierung wird mit AlCl
3 oder
(NH
4)
2SO
4 durchgeführt. Mit diesen Reagentien
behandelte Füllstoffe
sind für
die hier beschriebenen Verbundstoffe nicht verwendbar, da sie bei
den gefüllten
Verbundstoffen zu anderen Problemen, wie kurze Lagerzeit, führen. Die
Entalkalisierung wird nur für
harte Oberflächen,
wie Platten, aber nicht für
Pulverteilchen beschrieben.
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Ein
weiteres Verfahren zum Herstellen von dealkalisiertem Glas ist in
DE 37 41 031 A1 offenbart.
Das Glas wird mit dem sauren Gas eines Entalkalisierungsmediums
in Kontakt gebracht. Es ist besonders für Produkte mit beschichteten
Glasteilen wie Spiegel nützlich.
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Glasfüllmaterialien
werden zum Verbessern der mechanischen Eigenschaften von Kunststoffpolymeren
verwendet. Durch den Zusatz von Glasfüllmaterialien zu polymerisierbaren
Harzen weisen die dadurch gebildeten Verbundmaterialien gute Handhabungseigenschaften
auf, da sie verformbar sind und nicht an den Handhabungswerkzeugen
anhaften. Die ausgehärteten
Kunststoffpolymere dieser gefüllten
Verbundmaterialien weisen des Weiteren eine verbesserte Festigkeit,
einen verbesserten Elastizitätsmodul,
eine verbesserte Härte
und Abnutzfestigkeit bei dem ausgehärteten Kunststoffpolymer auf.
Derartige Verbundstoffe werden in der elektronischen Technik, der
Präzisionsarbeitstechnik,
für die
Konstruktion von Gehäusen,
im Haushalt und bei Anwendungen in der Medizin, beispielsweise als
Gelenkimplantate oder Dentalmaterialien, verwendet.
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Für Dentalverbundmaterialien
müssen
die Füllstoffe
weitere Erfordernisse, wie beispielsweise Röntgenstrahlopazität, dielektrische
Eigenschaften, Bioverträglichkeit
und einen gewissen Brechungsindex, erfüllen. Um Dentalmaterialien
mit einer erwünschten
Durchsichtigkeit in sichtbarem Licht zu erhalten, sollte dieser Brechungsindex
in der Nähe
des Brechungsindexes des polymerisierbaren Harzes liegen.
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Die
polymerisierbare Harzzusammensetzung erfordert des Weiteren gewisse
chemische Eigenschaften des Füllstoffs.
Das bedeutet, dass der Füllstoff
die Polymerisationsreaktion nicht beeinflussen und mit dem Initiatorsystem
nicht in Wechselwirkung treten sollte. Die Polymerisation wird auf
verschiedene Arten, beispielsweise durch Mischen eines Grundteils
des Harzes mit einem Initiator, der einen Teil des Harzes enthält (Zweikomponentensystem)
oder durch Aussetzen des Harzes, das ein lichtempfindliches Initiatorsystem
enthält,
Licht gegenüber,
ausgelöst.
Die im Stand der Technik verwendeten Initiatorsysteme reagieren
auf Radikalbasis oder auf einer ionischen, bevorzugt einer kationischen
Basis. So sind sie für
das Vorliegen von Wasser, basischen Substanzen oder Säuren empfindlich.
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Die
hauptsächlich
verwendeten Füllmaterialien
sind Quarz oder Glas. Wegen der definierten chemischen Zusammensetzung
weist das Quarzmaterial einen Brechungsindex von nD =
1,55 auf. Für
viele polymerisierbare Harze mit verschiedenen Brechungsindizes
ist ein Füllstoff
mit diesem Index nur wenig geeignet, da ein lichtdurchlässiger Verbundstoff
nicht zur Verfügung
steht. Für
einen Glasfüllstoff
ist ein vernünftiger
Brechungsindex des Füllstoffs
durch die danebenliegende Glaszusammensetzung einstellbar.
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Um
ein Glasfüllmaterial
zu erhalten, werden die Hauptkomponenten wie SiO2,
B2O3, P2O5 mit anderen Oxiden, Hydroxiden oder Carbonaten
der Elemente der Gruppe I oder II der Übergangselemente oder von Lanthaniden
gemischt. Die Mischung wird bei Temperaturen von 1250 bis 1650°C zum Glas
geschmolzen. Wichtig sind die Komponenten mit Elementen der Hauptgruppe
I (Li, Na, K, Rb, Cs), die die Schmelztemperatur sowie die Viskosität des geschmolzenen
Glases signifikant reduzieren. So liegt für die aus dem Stand der Technik bekannten
Glasfüllmaterialien
die Menge dieser Elemente normalerweise im Bereich zwischen 5 und
40 Mol-%.
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Es
ist des Weiteren bekannt, dass verschiedene saure Bestandteile wie
B2O3 oder P2O5 die Schmelztemperatur
der Glasmischung ebenfalls reduzieren.
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Das
Vorliegen saurer, amphoterer oder basischer Oxide ist bei den Füllstoffen
ein Nachteil, da diese Glasfüllmaterialien
nicht die erforderlichen chemischen Eigenschaften aufweisen. Werden
sie als Füllstoff
polymerisierbarer Harze verwendet, so treten die sauren, amphoteren
oder basischen Oxide nicht in Wechselwirkung mit den Monomeren oder
mit den Initiatorensystemen. Die Verwendung von Glasfüllmaterialien
mit den Elementen der Hauptgruppe I in den angegebenen Konzentrationen
in Verbundstoffen führt
zu geringen mechanischen Eigenschaften des ausgehärteten Kunststoffpolymers.
Eine Menge von sauren oder amphoteren Oxiden, wie im Stand der Technik
offenbart, führt
zu einer abgekürzten
Lagerzeit der Verbundstoffe. Die Lagerzeit wird bei Verbundstoffen
mit kationisch aushärtenden
Monomeren besonders reduziert.
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Wenn
ein Glasmaterial ohne diese Elemente der Hauptgruppe I oder die
sauren Bestandteile erwünscht
ist, so muss der Schmelzvorgang bei sehr hohen Temperaturen durchgeführt werden.
Dieses Hochtemperaturschmelzverfahren ist zeitraubend und sehr kostspielig.
Die erhaltenen Glasmaterialien neigen dazu, sich zu kristallisieren,
was für
Füllstoffe,
die in Dentalmaterialien verwendet werden, nicht akzeptabel ist.
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Es
ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eines oder mehrere
der oben erwähnten
Probleme zu vermeiden.
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Eine
weitere Aufgabe besteht darin, ein neues Glasfüllmaterial für Verbundmaterialien
und ein Glasfüllmaterial
mit verbesserten Eigenschaften bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe
besteht darin, ein Glasfüllmaterial
mit einer Konzentration an Alkalimetalloxiden bereitzustellen, die
es dem Glasfüllmaterial
erlaubt, bei geeigneten Temperaturen zu schmelzen, und die gleichzeitig
ein Verbundmaterial mit guten Polymerisationseigenschaften und guten
mechanischen Eigenschaften des ausgehärteten Kunststoffpolymers gestattet.
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Eine
weitere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen eines
derartigen Glasfüllmaterials bereitzustellen.
Noch eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Dentalzusammensetzung,
die diese Glasfüllmaterialien
enthält,
bereitzustellen.
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Eine
oder mehrere Aufgaben können
durch Bereitstellen eines Glasfüllmaterials,
wie im Text unten beschrieben, erreicht werden.
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Erfindungsgemäß umfasst
das Glasfüllmaterial
- a) 65-99,95 Mol-% Siliciumdioxid (SiO2),
- b) 0-15 Mol-% Aluminium- und/oder Boroxid (Al2O3, B2O3)
- c) 0-30 Mol-% Zirconium- und/oder Titan- und/oder Hafniumoxid (ZrO2,
TiO2, HfO2), Y2O3 und/oder Sc2O3 und/oder La2O3 und/oder CeO2 und/oder andere Lanthanidoxide,
- d) 0,05-4 Mol-% Alkalimetalloxide (Na2O,
Li2O, K2O, Rb2O, Cs2O),
- e) 0-25 Mol-% Erdalkalimetalloxide (MgO, CaO, SrO, BaO).
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Die
Glasfüllmaterialteilchen
weisen eine mittlere Teilchengröße von 0,1-20 μm auf und
bevorzugt beträgt
die mittlere Teilchengröße 0,5 bis
3 μm und
noch bevorzugter 0,5 bis 1 μm.
Innerhalb dieser bevorzugten Teilchengrößen weisen die erfindungsgemäßen Teilchen
eine innere Zone und eine äußere Zone
auf, wobei die äußere Zone
bis zu 1,5 μm
beträgt.
In einigen Fällen
könnte
die Dicke der äußeren Zone
sogar etwa 2 μm oder
mehr betragen.
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Es
ist die Absicht dieser Erfindung, die inneren Zone der Teilchen
von der äußeren Zone
durch das Profil der Alkaliionenkonzentration oder sogar der Alkalioxidkonzentration
im Vergleich mit der Schichttiefe der Teilchen zu unterscheiden.
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Dieses
Profil ist durch eine Analyse der Alkalikonzentration der Oberfläche der
Teilchen durch ein geeignetes Verfahren erreichbar. Das für diese
Erfindung verwendete Verfahren ist die Fotoelektronenmikroskopie
(ESCA). Dieses analytische Verfahren ist von R. S. Swingle II und
W.M. Riggs in „Critical
review in Analytical Chemistry (kritische Übersicht in der analytischen
Chemie)" (Band 5,
Ausgabe 3, Seite 267-321, 1975) sowie K. Levsen in „Chemie
unserer Zeit" (10.
Jahresausgabe, 1976, Nr. 2, Seiten 48-53) beschrieben.
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Das
Teilchenprofil zeigt die Konzentration [Mol-%] von Na+ oder anderen
Alkaliionen auf der y-Achse in Abhängigkeit von der Schichttiefe
der Teilchen in [nm] auf der x-Achse, ausgehend von 0 nm, was die
Oberfläche
der Teilchen anzeigt. Normalerweise wird das Profil bis zu einer
Tiefe, die dem Radius der Teilchen entspricht oder geringer als
dieser Radius ist, erfasst. Gewöhnlich
erfolgt eine signifikante Erhöhung
der Alkaliionenkonzentration beim Übergang von der äußeren Zone
zur inneren Zone der Teilchen. Die Schichttiefe im Maximum der ersten
Abweichung der Konzentration zur Schichttiefe (f' = d(konz)/d(Tiefe)) stellt die Dicke
der äußeren Zone
dar. Das Maximum ist dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Abweichung
bei dem gleichen Tiefenwert 0 (f'' = 0) wird.
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Ein
allgemeines Profil eines Teilchens mit einer äußeren Zone von etwa 850 nm
und einem Durchmesser von 4 μm
oder mehr ist in Figur 1 gezeigt:
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Die
Tiefe der äußeren Zone
der Teilchen beträgt
selbst bei sehr großen
Teilchen bevorzugt etwa 1,5 μm.
Sie könnte
größer sein,
je nachdem, welches Alkaliion in dem Glasfüllmaterial vorliegt.
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Bei
diesen Teilchen mit Durchmessern von weniger als 3 μm bestehen
fast die ganzen Teilchen aus der äußeren Zone und es ist möglicherweise
keine innere Zone durch das ESCA-Verfahren erfassbar.
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Für die erfindungsgemäßen Teilchen
beträgt
die mittlere Konzentration von Alkaliionen der äußeren Zone im Vergleich mit
der mittleren Konzentration von Alkaliionen der inneren Zone 10
% oder weniger und die Alkaliionen der inneren Zone migrieren nicht
signifikant zur äußeren Zone.
Was die Erfindung anbetrifft, so ist es gleichgültig, ob die Konzentration
von Alkalimetalloxiden der Teilchen in Oxiden oder Kationen berechnet wird.
Es ist trotzdem sehr klar, dass für den Migrationsvorgang in
Füllmaterialien
nur die Kationen von Interesse sind, da nur die ionischen Teile
der Oxide einer erfassbaren Migration unterliegen.
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Die
Einschränkung,
dass die Alkaliionen nicht „signifikant" migrieren, beruht
auf der Tatsache, dass es nicht möglich ist, jegliche Bewegungen
der Ionen vollständig
auszuschließen,
insbesondere, wenn diese Bewegungen sehrbeschränkt und gering sind. Es ist
jedoch ein wichtiges Merkmal der Erfindung, dass keine Migration
stattfindet. Das bedeutet beispielsweise, dass nur 0,5 % der Alkaliionen
der inneren Zone nach einer Zeit des Lagerns des Füllmaterials
für neun
Monate bei einer Temperatur von 25°C migrieren. Es ist am bevorzugtesten,
dass nur 0,1 % der Alkaliionen unter diesen Lagerbedingungen zur äußeren Zone
migrieren.
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Um
Glasfüllmaterialien
bereitzustellen, die zu Verbundstoffen mit guten mechanischen Eigenschaften und
einer angemessenen Lagerfähigkeit
führen,
wird vorgezogen, dass das Füllmaterial
eine Menge Alkalimetalloxide von 0,05 bis 2 Mol-% besitzt. Am bevorzugtesten
liegt die Konzentration von Alkalimetalloxiden in dem Füllmaterial
bei nicht mehr als 1 Mol-%. Die beanspruchte Menge Alkalimetalloxide
ist die Gesamtmenge der Teilchen ohne Bezugnahme auf die verschiedenen
Konzentrationen der inneren und äußeren Zone
der Teilchen.
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Die
maximale Teilchengröße des Glasfüllmaterials
beträgt
100 μm.
Noch bevorzugter ist eine maximale Teilchengröße von 5 μm. In dem Fall, wo das Glasfüllmaterial
als Füllstoff
für einen
Dentalzement verwendet wird, beträgt die maximale Teilchengröße 25 μm, bevorzugt
20 μm. Um
ausgezeichnete mechanische Eigenschaften des ausgehärteten Kunststoffpolymers
zu erreichen, ist die statistische Verteilung der Teilchengröße nicht
zu eng. Diese geeignete Verteilung wird durch die bekannten Mahlverfahren
und die Trennung der grobkörnigen
Fraktion verfügbar.
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Das
erfindungsgemäße Füllmaterial
weist einen Brechungsindex (nD) von 1,49
bis 1,55 auf. Der Brechungsindex wird so gewählt, dass er in der Nähe des Brechungsindexes
des polymerisierbaren Harzes liegt.
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Das
erfindungsgemäße Glasfüllmaterial
wird auf dem Gebiet der Dentalwiederherstellung in Verbundrezepturen,
insbesondere für
Füllungen,
Kleben, Dentalzemente, Versiegelungsmittel für Löcher und Risse, Lochauskleidungen
und Kernaufbauarbeiten verwendet.
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Des
Weiteren könnten
die Füllstoffe
für Materialien
für provisorische
Kronen und Brücken,
für Wurzelfüllungen,
Unterfüllungen,
für Zahnprothesematerialien
wie Inlay, Auflagen, Kronen, Brücken
und für
ein Zahnersatzmaterial verwendet werden.
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Am
vorteilhaftesten sind ihre Verwendungen in polymerisierbaren Materialien
und insbesondere in Verbundstoffen mit kationischen Aushärtungseigenschaften.
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Sie
können
sogar für
andere Dentalmaterialien, wie Glasionomerzemente, Compomere, Mischmaterial
für Kronen
oder Brücken,
Keramikmaterialien, nützlich
sein. Das beschriebene Glasfüllmaterial
ist durch folgendes Verfahren erhältlich:
- a)
Schmelzen einer Zusammensetzung von 65-99,95 Mol-% SiO2,
0-15 Mol-% Al2O3 und/oder
B2O3, 0-30 Mol-%
ZrO2 und/oder TiO2 und/oder
HfO2, 0,05-4 Mol-% Alkalimetalloxiden, 0-25
Mol-% Erdalkalimetalloxiden, 0-30 Mol-% Y2O3 und/oder Sc2O3 und/oder La2O3 und/oder Ce2O3 und/oder anderen Lanthanidoxiden bei einer
Temperatur von 1200-1800 °C
für mindestens
30 Minuten,
- b) Zerkleinern des geschmolzenen Glases durch Übertragen
in kaltes Wasser oder auf Metallwalzen,
- c) Mahlen des durch b) erhaltenen Glasgranulats auf eine mittlere
Teilchengröße von d50 von 0,1 bis 20 μm,
- d) Entalkalisieren des Glaspulvers im Überschuss mit einem Entalkalisiermittel,
- e) Entfernen des Entalkalisiermittels und Waschen des Glaspulvers
mit einem polaren Lösungsmittel,
bis das Filtrat neutral reagiert,
- f) Trocknen des Glaspulvers bei einer Temperatur von 200 bis
1100 °C
für mindestens
30 Minuten.
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Die
beste Schmelztemperatur hängt
von der Menge der verschiedenen Bestandteile ab. Insbesondere Al2O3, B2O3 und Alkalimetalloxide tragen zum Erhöhen der
Schmelztemperatur der Mischung bei. Bevorzugt liegt die Schmelztemperatur
zwischen 1400 und 1700°C
und noch bevorzugter zwischen 1450 und 1550°C.
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Das
geschmolzene Glas wird zerstoßen.
Dies könnte
durch Übertragen
in kaltes Wasser oder auf Metallwalzen erfolgen. Gleichzeitig wird
die Glasschmelze gekühlt.
Der gesamte Schmelz- und Zerstoßvorgang könnte durch
ein chargenweises oder ein kontinuierliches Verfahren durchgeführt werden.
Ein möglicher Schmelztiegel
ist ein Platintiegel.
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Nach
dem Zerstoßen
der Schmelze wird das erhaltene Glasgranulat auf eine mittlere Teilchengröße d50 von 0,1 bis 20 μm gemahlen. Für das Vormahlen
des zerstoßenen
Glases auf eine Teilchengröße von etwa 300 μm könnte eine
Agatscheibenmühle
eingesetzt werden. Bevorzugte Mahlverfahren für das Feinmahlen von Teilchen
mit einer mittleren Größe von 300 μm und weniger
bis zu einem Bereich von d50 < 20 μm sind Kugelmühlen. In
diesen Mühlen
sind die bevorzugten Kugeln yttriumstabilisierte ZrO2-Kugeln
mit einem Durchmesser von 0,8 mm. Der Mahlbehälter dieser Kugelmühlen könnte mit
Al2O3 beschichtet
sein.
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Das
Entalkalisiermittel sollte eine saure Zusammensetzung sein, die
in der Lage ist, alkalische Ionen zu lösen. Beispiele eines Entalkalisiermittels
sind anorganische oder organische Säuren wie HCl, HJ, HBr, H2SO4, H3PO4, HNO3, HClO4, CH3COOH, COOH-COOH,
HCOOH, Citronensäure,
Weinsäure
oder Polycarbonsäure.
Diese Säuren
werden in Konzentrationen von 10 bis 30 % Säure in Wasser angewendet. Bevorzugte
Beispiele sind 10 % CH3COOH, 10 % HCOOH,
30 % HCl oder 15 % HNO3. Mischungen der
beschriebenen Säuren
könnten
ebenfalls verwendet werden. Der Entalkalisierungsschritt wird bei
einer Temperatur von 50 bis 200°C
durchgeführt.
Am bevorzugtesten ist eine Temperatur von 100 bis 120°C. Das Entalkalisiermittel
wird im Überschuss
angewendet. Das Überschussverhältnis von
Entalkalisiermittel zu Glaspulver, das entalkalisiert werden soll,
ist für
die Erfindung wichtig.
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Es
ist ein Merkmal dieser Erfindung, dass das Verhältnis des Glaspulvers zum Entalkalisiermittel
1:1 bis 1:1000 beträgt.
Bevorzugt beträgt
das Verhältnis
1:10 und noch bevorzugter 1:20.
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Überraschenderweise
wird in diesem Entalkalisierungsschritt ein Glasfüllmaterial
mit einer äußeren Zone
von bis zu 1,5 μm
erhalten, wobei diese äußere Zone
von Alkaliionen fast frei ist. Es ist des Weiteren nicht zu erwarten,
dass das Alkali der inneren Zone signifikant zur äußeren Zone
migriert. Den Prinzipien des Gleichgewichts zwischen verschiedenen
Konzentrationen gemäß wird angenommen,
dass eine Migration von der Zone mit der höheren Konzentration zur Zone
mit der niedrigeren Konzentration stattfindet. Trotzdem erfolgt
keine signifikante Migration zwischen den beiden Zonen.
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Das
polare Lösungsmittel
zum Waschen des entalkalisierten Glaspulvers besteht aus Wasser
oder einer Mischung von Wasser mit anderen polaren Lösungsmitteln,
bevorzugt Ethanol oder Aceton. Der Waschschritt könnte je
nach dem polaren Lösungsmittel
bei verschiedenen Temperaturen stattfinden. Er wird bevorzugt bei
Raumtemperatur durchgeführt.
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Das
Trocknen des Glaspulvers könnte
bei einer Temperatur von 200 bis 1100°C für mindestens 0,5 Stunden erfolgen.
Es muss eine Temperatur sein, die deutlich unterhalb der Sintertemperatur
der Glaszusammensetzung liegt, um das Sintern der Teilchen zu vermeiden.
Diese Temperatur ist bei verschiedenen Glaszusammensetzungen verschieden.
Eine Temperatur von 500 bis 1000°C
ist für
die meisten Glaszusammensetzungen nützlich, und eine Temperatur
von 800 bis 1000°C
wird vorgezogen.
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Nach
dem Trocknen könnte
ein Siebvorgang zum Entfernen der groben Fraktion der Teilchen hinzugefügt werden.
Beispielsweise ein Sieb von 200 μm-Maschen.
Dieser Siebschritt ist nicht obligatorisch.
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Die
durch das oben beschriebene Verfahren erhaltenen Teilchen weisen
eine mittlere Teilchengröße d50 von 0,1 bis 20 μm auf. Bevorzugt weisen sie
eine mittlere Teilchengröße d50 von 0,5 bis 3 μm und noch bevorzugter von 0,5
bis 1 μm
auf.
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Von
diesen Glasfüllmaterialien
ist ein polymerisierbares Dentalmaterial erhältlich, enthaltend:
- a) 3-80 Gew.-% eines oder mehrerer kationisch
aushärtbarer
Monomere,
- b) 3-90 Gew.-% des erfindungsgemässen Glasfüllmaterials,
- c) 0-90 Gew.-% eines oder mehrerer radioopaker Füllstoffe,
- d) 0,01-25 Gew.-% Initiatoren, Verzögerungsmittel und/oder Beschleunigungsmittel,
- e) 0-25 Gew.-% Hilfsmittel.
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Die
aushärtbaren
Monomere werden beispielsweise unter Epoxid-, Oxetan-, Vinylether-
und Spiroorthocarbonatharzen und Kombinationen derselben ausgewählt. Bevorzugt
umfassen die kationisch polymerisierbaren Monomere ein Epoxidharz,
insbesondere ein siliciumhaltiges Epoxidharz oder eine Mischung
eines siliciumhaltigen Epoxidharzes und eines Epoxidharzes, das
kein Silicium enthält.
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Mögliche Initiatoren
für beispielhafte
Systeme umfassen ein Iodoniumsalz und einen Sensibilisator für sichtbares
Licht sowie wahlweise einen Beschleuniger. Das Iodoniumsalz kann
ein Diaryliodoniumsalz wie Diaryliodoniumhexafluorphosphat, Diaryliodoniumhexafluorantimonat,
4-Octyloxyphenyliodoniumhexafluorantimonat,
4-(2-Hydroxytetradylecoxyphenyl)phenyliodoniumhexafluorantim
onat, 4-(1-Methylethyl)phenyl-4-methylphenyliodoniumtetrakis(pentafluorphenyl)borat
und Kombinationen derselben sein.
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Der
Sensibilisator für
sichtbares Licht kann unter Ketonen, Cumarinfarbstoffen, Xanthenfarbstoffen, Fluoronfarbstoffen,
Fluoresceinaminoketonfarbstoffen, p-substituierten Aminostyrylketonverbindungen
und Kombinationen derselben ausgewählt werden. Noch bevorzugter
ist der Sensibilisator für
sichtbares Licht ein Alpha-Diketon; Kampferchinon ist besonders
bevorzugt.
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Die
Beschleuniger können
aus der Gruppe von polycyclischen aromatischen Verbindungen ausgewählt werden.
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Die
polymerisierbaren Dentalmaterialien, die das erfindungsgemäße Glasfüllmaterial
enthalten könnten,
sind beispielsweise in
WO 98/47046 ,
WO 01/51540 A2 ,
WO 98/22521 und
WO 02/055028 A2 beschrieben,
die summarisch in diese Offenbarung eingefügt werden. Die polymerisierbaren
Materialien, die kationisch aushärtbare
Monomere als Verbundstoff enthalten, sind besonders bevorzugt.
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Das
erfindungsgemäße Glasfüllmaterial,
wie durch das oben beschriebene Verfahren erhalten, wird wie oben
beschrieben auf dem zahnärztlichen
Gebiet verwendet. Auf dem Gebiet der Dentalwiderherstellung wird
es anstatt Verbundrezepturen insbesondere für Füllungen, Klebearbeiten, Zahnzemente,
Versiegelungsmittel für
Locher und Risse, Lochauskleidungen, Kernaufbauarbeiten verwendet.
Am vorteilhaftesten ist ihre Verwendung in polymerisierbaren Materialien
und insbesondere Verbundstoffen mit kationischen Aushärtungseigenschaften.
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BEISPIELE
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Für alle Beispiele
werden herkömmliche
Rohmaterialien für
Glasschmelzen wie Oxide, Carbonate oder Hydroxide der entsprechenden
Elemente verwendet. In der folgenden Tabelle 1 sind die Zusammensetzungen
der geschmolzenen Glasmischungen als Oxide dieser Elemente berechnet,
wie sie nach dem Schmelzen entstehen, gezeigt (alle Oxide in Mol-%,
bis zu einer Menge von 150,0 g für
jedes Beispiel). Tabelle 1
Beispiel Nr.: | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
SiO2 | 70 | 75 | 70 | 74 | 80 | 75 | 85 | 85 | 73 | 73 |
Li2O | | | 20 | | | 14 | | | 5 | 14 |
Na2O | 16 | 11 | | 16 | 12 | | 12 | 15 | 8 | |
K2O | | | | | 4 | | | | | |
Al2O3 | 2 | | | | | | | | | 1 |
B2O3 | | 4 | | | | | | | | |
MgO | 2 | | | | | | | | 2 | |
SrO | | | | | | | | | 2 | |
La2O3 | | | | | | | | | 10 | |
Y2O3 | | 10 | | | | 11 | | | | 6 |
ZrO2 | 10 | | 5 | 10 | 4 | | 3 | | | 6 |
TiO2 | | 5 | | | | | | | | |
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Für jedes
Beispiel 1 bis 10 werden die Rohmaterialien, wie Oxide, Carbonate
und/oder Hydroxide in einer Menge und einem Verhältnis so zusammengemischt,
dass sich 150 g der oben erwähnten
molaren Zusammensetzungen in der so gebildeten Glasschmelze ergeben.
Die Mischung für jedes
Beispiel wird in einem Platintiegel von 400 ml (PT10Rh) bei einer
Temperatur von 1500 bis 1640°C
geschmolzen. Für
diese Anwendung einer Labordimension wird ein chargenweises Verfahren
verwendet. Für
eine größere Menge
Materialien ist ein kontinuierliches Verfahren nützlicher. Nach einer Schmelzzeit
von 1 bis 2 Stunden wird das geschmolzene Glas durch Eingeben in
ein Edelstahlgefäß mit 10
l destilliertem Wasser abgeschreckt.
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Das
Glasmaterial jedes Beispiels wird in einem ersten Schritt in einer
Agatscheibenmühle
zu einem Pulver mit einer Teilchengröße von d50 < 300 μm gemahlen.
In einem zweiten Schritt wird das vorgemahlene Pulver in einer Kugelmühle fein
gemahlen. Daher werden 150 g des vorgemahlenen Pulvers, 200 ml Isopropylalkohol
und 1100 g durch Yttrium stabilisierte Kugeln, die aus ZrO2 hergestellt sind, in ein Gefäß eines
Volumens von 1 Liter eingegeben. Die Kugeln weisen einen Durchmesser
von 0,8 mm auf. Das Gefäß wird mit Al2O3 beschichtet.
Der Mahlschritt wird so lange durchgeführt, bis die Pulver eine mittlere
Teilchengröße d50 von 0,6 bis 1 μm aufweisen.
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Nach
dem Mahlen werden die Pulver der Beispiele 1 bis 3 mit 15 % HNO3 behandelt, das Pulver von Beispiel 4 wird
mit 10 % CH3COOH behandelt, die Pulver der
Beispiele 5 bis 8 werden mit 10 % CHOOH behandelt und die Pulver
der Beispiele 9 und 10 werden mit 30 % HCl behandelt. Alle Beispiele
werden mit den oben erwähnten
Säuren
bei einer Temperatur von 100 bis 120°C unter Erhitzen und Rühren in
einem Rückflusskühler 16
Stunden lang entalkalisiert. Das Verhältnis von Pulver zu Fluid bei
allen Beispielen beträgt
1:15.
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Nach
dem Entalkalinisieren jedes Pulvers wird das Entalkalisiermittel
entfernt. Die Säure-Pulvermischung
wird in einem Druckfiltertrichter mit einer gefritteten Scheibe,
der eine PTFE- (Teflon®) Membran von 0,4 μm enthielt,
filtriert. Für
das Waschen der Menge von 150 g jedes Pulvers wird eine Menge von
10 l destilliertem Wasser verwendet.
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Dann
wird jedes Pulver in einen Al2O3-Tiegel
eingebracht und bei einer Temperatur von 600°C in einem Umlaufofen getrocknet,
mit Ausnahme des Pulvers des Beispiels 4, das bei 920°C getrocknet
wird.
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Die
getrockneten Pulver werden durch ein Sieb von 200 μm großen Maschen
gesiebt.
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Die
folgende Tabelle 2 zeigt die Zusammensetzung der Glasfüllmaterialien
in Mol-% der Beispiele 1 bis 10 nach dem oben beschriebenen Vorgang.
Die Analyse wird durch ICP (Fraunhofer Gesellschaft Deutschland)
durchgeführt: Tabelle 2
Beispiel Nr.: | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
SiO2 | 85,0 | 86,1 | 86,2 | 85,9 | 94,4 | 86,2 | 96,1 | 99,2 | 88,1 | 84,9 |
Li2O | | | 1,2 | | | 1,1 | | | 0,3 | 1,0 |
Na2O | 0,8 | 0,7 | | 1,5 | 0,6 | | 0,5 | 0,8 | 0,4 | |
K2O | | | | | 0,2 | | | | | |
Al2O3 | 1,2 | | | | | | | | | 1,0 |
B2O3 | | 2,0 | | | | | | | | |
MgO | 1,2 | | | | | | | | 1,0 | |
SrO | | | | | | | | | 1,2 | |
La2O3 | | | | | | | | | 9,0 | |
Y2O3 | | 11,2 | | | | 12,7 | | | | 6,1 |
ZrO2 | 11,8 | | 6,2 | 12,4 | 4,8 | | 3,4 | | | 7,0 |
TiO2 | | 6,4 | | | | | | | | |
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In
Tabelle 3 sind die physikalischen Eigenschaften der Glasfüllmaterialien
aufgeführt.
Der Brechungsindex wird durch die Tauchmethode (Infracor Hanau)
definiert. Der pH-Wert der Glasfüllmaterialien
wird vor und nach dem Entalkalisierungsschritt gemessen, um die
Migrationsgröße der basischen
Oxide aus der äußeren Zone
aufzuzeigen. Aus diesem Grund wird 1 g des Pulvers in 100 ml destilliertem
Wasser mit einem Magnetrührer
dispergiert. Der pH-Wert wird mit einer H
+-Elektrode,
nachdem ein konstanter Wert erschien, bestimmt. Um die Röntgenstrahlopazität zu messen,
wird ein Verbundmaterial, das das Glasfüllmaterial enthält, hergestellt.
Aus diesem Grund werden
30 g 1,3,5,7-Tetrakis(2,1-ethandiyl-3,4-epoxycyclohexyl)-1,3,5,7-tetramethylcyclotetrasiloxan,
1,8
g Tolylcumyliodoniumtetrakis(pentafluorphenyl)borat,
0,2 g
2-Butoxyethyl-4-(dimethylamino)benzoat,
0,5 g Kampferchinon
unter
Lichtausschluss miteinander vermischt. Dann werden 72 g des Glasfüllmaterials
den Beispielen 1 bis 10 gemäß in die
Monomerzusammensetzung eingeknetet. Der so gebildete Verbundstoff
wird auf runde Prüfplättchen (Durchmesser
1,5 cm und Dicke 1,5 mm) des Materials aufgebracht und durch Aussetzen
Licht gegenüber
mit Elipar Freelight
® 40 s lang ausgehärtet. Die
so gebildeten ausgehärteten
Kunststoffpolymerplättchen werden
ISO 4049 gemäß gemessen. Tabelle 3
Beispiel Nr.: | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
Brechungsindex | 1,53 | 1,52 | 1,53 | 1,54 | 1,50 | 1,52 | 1,49 | 1,47 | 1,52 | 1,52 |
pH-Wert vor
der Entalkalinisierung | 11 | 11,5 | 12 | 10,5 | 11 | 11 | 11,5 | 11 | 11 | 11,5 |
pH-Wert nach
der Entalkalinisierung | 8 | 8,5 | 8,5 | 7,5 | 7,5 | 7 | 7,5 | 7,0 | 7,5 | 8 |
Röntgen opazität | 200 | 200 | 150 | 120 | 190 | 100 | 80 | 190 | 200 | 140 |
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Alle
Glasfüllmaterialien
der Beispiele 1 bis 10 zeigen einen Brechungsindex zwischen 1,47
und 1,54 auf, der in dem Bereich liegt, bei dem ein lichtdurchlässiges ausgehärtetes Kunststoffpolymer
mit dem größten Teil
der allgemein polymerisierbaren Harze erhalten wird.
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Alle
Glasfüllstoffe
weisen eine ausreichende Röntgenopazität auf, nachdem
sie in ein Verbundmaterial eingearbeitet worden sind.
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Die
mittlere molare Konzentration von Alkaliionen (Li+,
Na+ und K+) in der äußeren Zone
der Teilchen (Oberflächenschichten
bis zu einer Tiefe von etwa 2 μm)
vor und nach der Lagerung (9 Monate, 25°C) wurde durch ESCA untersucht.
Die gleiche Untersuchung wurde für
die innere Zone der Teilchen (tiefere Schichten in einer Tiefe von
3 μm und
mehr) durchgeführt.
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Mit
ESCA wurde ein Konzentrationsprofil, das die Alkaliionenkonzentration
in einer gewissen Tiefe der Teilchen (in nm) aufzeigt, überwacht.
Aufgrund dieses Profils wurde die Grenze zwischen innerer und äußerer Zone
ohne Weiteres definiert. Für
jede Zone wurde die durchschnittliche molare Konzentration durch
Integrieren über
das Profil berechnet.
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Die
mittlere Konzentrationen von Alkaliionen (Na
+ +
Li
+ + K
+) [Mol-%]
in den verschiedenen Zonen sind in der folgenden Tabelle 4 zusammengefasst. Tabelle 4
Beispiel Nr.: | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
Mittlere
molare Konz. von Alkaliionen in der äußeren Zone (vor Lagerung) | 0,0 | 0,0 | 0,05 | 0,1 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 0,05 |
Mittlere
molare Konz. von Alkaliionen in der inneren Zone (vor Lagerung) | 0,8 | 0,7 | 1,15 | 1,4 | 0,8 | 1,1 | 0,5 | 0,8 | 0,7 | 0,95 |
Mittlere
molare Konz. von Alkaliionen in der äußeren Zone (nach Lagerung) | 0,0 | 0,0 | 0,06 | 0,1 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 0,06 |
Mittlere
molare Konz. von Alkaliionen in der inneren Zone (nach Lagerung) | 0,8 | 0,7 | 1,14 | 1,4 | 0,8 | 1,1 | 0,5 | 0,8 | 0,7 | 0,94 |
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Die
Daten zeigen überraschenderweise,
dass keine erfassbare Migration von Alkaliionen nach der Lagerung
stattfindet. Sie zeigen des Weiteren, dass bei den erfindungsgemäßen Teilchen
die mittlere Konzentration von Alkaliionen der äußeren Zone im Vergleich mit
der mittleren Konzentration von Alkaliionen der inneren Zone 10
% oder weniger beträgt.
Angesichts des Stands der Technik war nicht erwartet worden, dass
durch dieses Verfahren der Glasfüllmaterialherstellung
die Teilchen der äußeren Zone
eine Tiefe von bis zu 1,5 μm aufweisen
könnten.
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Die
mit den erfindungsgemäßen Füllstoffen
hergestellten Verbundmaterialien weisen gute Handhabungscharakteristiken
auf und die aus diesen Verbundstoffen hergestellten ausgehärteten Kunststoffpolymere weisen
gute mechanische Eigenschaften wie Festigkeit, Härte, Elastizitätsmodul
und Abreibefestigkeit auf. Außerdem
besitzen sie eine verlängerte
Nutzungsdauer und polymerisieren sich vollständig.