석고 모형재 ② - 화학반응

2) 화학반응

 

(1) 경석고와 고강도경석고의 혼수비 

플라스터와 경석고, 고강도경석고의 근본적인 차이는 황산칼슘반수화물 결정의 형태이다. 플라스터의 황산칼슘반수화물 결정은 형태가 불규칙하고 다공성이나, 경석고와 고강도경석고의 결정은 치밀하고 규칙적인 형태를 가지고 있다. 이러한 형태와 결정양상의 차이 때문에 경석고와 고강도경석고는 여분의 물을 적게 해 주어도 충분한 점조도를 얻을 수 있다.

100g의 석고혼합 시 경석고는 필요로 하는 물의 양이 30 ml이며, 고강도경석고는 19 ml 내지 24 ml 정도로 매우 작다. 혼수비의 이와 같은 차이는 재료의 압축강도와 내마모도에 큰 영향을 주게 된다. 

석고를 물과 혼합하여 경화시켰을 때, 플라스터의 강도가 가장 낮으며, 경석고가 다음으로 높고, 고강도경석고인 제4형과 제5형 석고가 가장 높은 강도를 보인다. 이러한 강도의 차이는 재료의 화학적 조성상의 차이가 아니라 물리적 성질의 차이에 기인한다. 

 

(2) 석고의 경화 기구

전자현미경과 X- ray 회절을 이용한 연구에 따르면 모든 반수화물이 이수화물로 변환되는 것은 아니며 남아있게 되는 잔류반수화물이 경화된 석고의 특성에 영향을 미치게 된다. 석고의 경화는 황산칼슘이수화물의 용해도가 반수화물의 용해도에 비하여 작기 때문에 물에 용해된 황산칼슘이 지속적으로 석출 하여 거대한 황산칼슘이수화물 덩어리를 만들게 된다. 석고의 경화기구는 1887년 프리아스 화학자 Henry Louis Le Chatelier에 의해 제안되고 1907년 베를린의 독일화학자 Jacobus Hendricus van't Hoff에 의해 지지된 결정이론이다. 이에 따르면, 석고의 경화과정 중에는 용해가 일어나는 부위와 석출이 일어나는 두 가지 중심부를 가지게 되면, 용해중심부는 황산칼슘반수화물 입자 부근에, 석출중심부는 황산칼슘이수화물 부근에 존재한다. 두 중심부에서의 황산칼슘의 농도는 서로 다르며, 용해중심부에서의 농도가 가장 높고, 석출중심부에서의 농도가 가장 작다. 칼슘과 황이온은 확산에 의해 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동한다. 

석고 경화에 대해 조작과 약제가 미치는 영향에 관해서 최근에는 이들 이온의 운동역학, 결정 성장에 관한 유도시간과 반응상수 등으로 설명하고 있다. 

 

(3) 부피 수축과 팽창

이론적으로 황산칼슘반수화물이 경화되면 부피가 수축해야 한다. 그러나 실험적으로 석고는 경화 시 선형팽창을 보인다. 앞에서 기술한 바와 같이 145.15g의 황산칼슘 반수화물을 27.02g의 물과 반응시키면, 172.17g의 황산칼슘이수화물이 생성된다. 그러나 이 반응을 부피로 계산하면 사용된 황산칼슘반수화물과 물 부피의 합이, 생성되는 황산칼슘이수화물의 부피와 일치하지 않는다. 생성되는 황산칼슘이수화물의 부피는 사용된 부피에 비하여 계산상 7% 감소되어야 하지만, 실제로는 7% 수축하지 않고 0.2% 내지 0.4% 팽창한다. 이 팽창은 황산칼슘이수화물이 생성될 때 결정성장에 의해 결정입자 간에 밀어내는 힘이 발생하기 때문이다. 이론적으로는 수축해야 하는 석고가 실제로는 팽창하기 때문에 경화된 석고의 내부는 다공성이 된다. 

 

(4) 혼합에 의한 효과

석고혼합과정(spatulation)이 석고의 경화시간과 경화팽창량에 큰 영향을 미친다. 임상적 한계 내에서 혼합을 많이 하면 경화시간이 짧아진다. 혼합량은 혼합시간과 속도에 의해서 결정된다. 석고와 물을 혼합하면, 황산칼슘이수화물 결정이 생기게 되고, 이 띠 혼합을 계속하면 기존의 황산칼슘이수화물 결정이 파괴되어 작은 결정이 많이 생겨나, 황산칼슘이수화물 결정의 수가 많아지므로 짧은 시간 내에 경화된다. 

 

(5) 온도에 의한 효과

석고혼합 시 사용하는 물의 온도와 주변의 온도는 석고의 경화반응에 2가지 효과를 보인다. 

온도가 높은 경우의 첫 번째 효과는 황산칼슘반수화물과 황산칼슘이수화물의 용해도비를 변화시켜 반응속도에 영향을 미치는 것이다. 20도씨 온돈의 물에서 황산칼슘반수화물 용해도의 이수화물 용해도에 대한 비율은 약 4.5이다. 온도가 상승하면 이 비율이 감소하며, 100도씨의 온도에서는 용해도 비율이 1이 된다. 용해도 비율이 작아지면 반응속도가 느려지고 경화시간은 증가된다. 황산칼슘반수화물과 황산칼슘이수화물의 용해도이다.

온도에 의한 두 번째 효과는 이온의 운동성 변화이다. 일반적으로 온도가 올라가면 칼슘과 황이온의 운동성이 증가되어 반응속도를 빠르게 하고 경화시간을 단축시킨다. 

임상적으로 이들 두 현상에 의한 효과가 중첩되게 나타나 전체적인 결과가 관찰된다. 20도씨부터 30도씨의 온도구간에서는 온도상승에 따라 용해도 비율이 4.5에서 3.44로 감소하게 되며 이로 인하여 반응속도를 지연시키게 된다. 

그러나 이때 동시에 이온 운동성도 증가하며 반응속도가 빨라진다. 

실험적인  결과에서는 20도씨부터 체온인 37도씨 까지는 반응속도를 다소 증가시켜 경화시간을 단축하며, 37도씨 이상의 온도에서는 반응속도가 늦어져 경화시간이 길어진다. 100도씨에서는 용해도의 비율이 1이 되며 석고는 경화되지 않는다. 

 

(6) 습기에 의한 효과

석고제조과정 중에 모든 황산칼슘이수화물이 반수화물로 전환되지 않는다. 즉 석고원광석을 열을 가하여 탈수시키는 과정(calcination)에서 대부분의 석고원광석 입자는 대개 반수화물로 바뀌지만, 소량의 이수화물은 그대로 남아있게 되며, 또 

다른 소량의 이수화물은 용해서무수황산칼슘(anhydrous soluble calcium sulfate)으로 변한다. 무수 황산칼슘은 석고에 비해 수화팽창 경향이 크고, 대기 중의 수분을 흡수하여 황산칼슘이 이수화물로 전환된 경우는 이수화물이 결정화를 의한 핵으로 작용하여 경화속도가 빨라진다. 반면 수분 오염이 심하여 많은 양의 이수화물이 생성된 경우에는 반수화물의 용해도가 상대적으로 감소하게 되기 때문에 경화가 지연된다. 경험적으로는 석고가 대기 중의 습기에 의해 오염된 때에는 경화시간이 길어진다. 따라서 우수한 결과를 얻기 위해서는 석고용기를 철저히 밀폐하여 보관함으로써 대기 중의 습기로부터 차단되도록 하여야 한다. 

 

(7) 콜로이드 물질과 pH에 의한 효과

콜로이드 상의 아가, 알지네이트, 체액, 혈액 그리고 타액은 석고경화를 지연시킨다. 이러한 재질이 경화 중인 석고에 접촉되면 석고 표면이 연화되고 마모되기 쉬워진다. 반면 황산칼륨과 같은 경화촉진제를 접촉시키면 모형 표면성질이 우수해진다. 

콜로이드 상의 재질들은 반수화물과 이수화물의 용해도를 변화시켜 경화속도를 지연시키는 것이 아니라 반수화물이나 이수화물 입자의 표면에 흡착되어 이들 입자가 수화반응을 일으키지 못하도록 함으로써 반응속도를 늦추는 것이다. 이수화물 입자표면에 흡착되는 경우가 반수화물 입자표면에 흡착된 경우에 비하여 현저한 지연효과를 나타낸다. 타액과 같이 pH가 낮은 액체는 경화를 지연시키고, 반대로 pH가 높은 액체는 경화를 촉진한다.