석고 모형재

 

석고모형재 석고로 제조된 치과용 재료로는 치과용 플라스터(plaster), 경석고(stone), 초경석고(improved stone), 그리고 매몰재(investment)와 인상용 플라스터(impression plaster) 등이 있다. 플라스터, 경석고, 초경석고 구강악안면의 진단모형을 제작하거나 보철물 제작을 위한  작업모형의 제작에 사용된다. 매몰재에서는 석고를 실리카(silica)의 결합재로 사용하며, 이것은 금합금 주조용 매몰재와 납착용 매몰재의 제조에 사용한다. 인상용 플라스터는 무치악 인상채득이나 모형을 교합기에 부착할 때 사용한다. 

석고원광석(gypsum)은 황산칼슘이수화물(calcium sulfate dihydrate, CaSO₄- 2H₂O)로서 백색 또는 유백색의 단단한 덩어리이다. 파리 근교 위 석고원광석을 태워서 소석고를 만들었기 때문에 소석고를 파리석고(plastr of Paris)라고 불렀으나 현재는 세계 각처에서 석고원광석이 채굴되고 있어서 이 명칭은 사용하지 않는다.

 

1. 석고의 물리화학적 성상

석고원광석을 가열하면, 분자식 중의 2몰의 물 중에서 1.5몰의 물이 증발하여 소석고(calcined plaster)인 황산칼슘수화물(calcium sulfate hemihydrate; CaSO₄- ½H₂O)로 바뀐다. 이 황산칼슘반수와 물을 물과 다시 혼합하면 황산칼슘이수화물이 생성되는 가역적인 반응이 일어나며, 사용자는 이 과정을 석고가 굳는 것으로 느낀다. 

이 반응은 발열반응으로 황산칼슘반수화물 1몰이 1.5몰의 물과 반응하면 황산칼슘이수화물 1몰이 생기며 3,900칼로리의 열을 방출한다. 이 화학반응은 석고가 인상재, 모형재, 매몰재로 사용될 때 모두 동일한 과정으로 일어난다.

 

1) 플라스터, 경석고, 고강도경석고의 제조법

석고원광석을 부분탈수시키는 과정에 따라 plaster, hydrocal, densite 등 3종류의 기초석고소재가 얻어지게 되는데, plaster는 푹신하고 다공성이며 비중이 가장 작고, hydrocal은 결정성이며 비중이 크며, densite는 비중이 가장 크고 치밀하다. 이 3가지 기초석고소재로부터 플라스터, 경석고, 고강도- 저 팽창경석고, 고강도 -고 팽창경석고 등 4가지 석고모형재가 제조되고, 한국산업표준 KS PISO 6387에서는 이것을 제2형, 제3형, 제4형, 제5형으로 구분한다. 3가지 석고제품은 화학적으로 동일한 분자식인 황산칼슘반수화물( CaSO₄- ½H₂O)이지만 물리적 성질이 다르기 때문에 용도가 달라진다. 

3가지 석고는 동일한 석고원광석으로부터 제조되며, 황산칼슘이수화물인 석고 원광석으로부터 물을 제거하는 방법에 따라 석고 종류가 달라진다. 화학적 합성법으로 치과용 석고를 제조할 수 있으나 과도한 비용 때문에 제조되지 않는다. 

플라스터는 석고원광석을 대기압 하에서 110도씨 내지 120도씨의 온도로 가열해서 만들며, 이 분말 결정을 β - 황산칼슘반수화물이라고 한다. 플라스터는 불규칙한 형태와 기포를 가지고 있다.

석고원광석을 수증기압하에서 125도씨의 온도로 탈수시키면 hydrocal이 된다. 분말구조는 비교적 균질하고 밀도가 치밀하며, 이 분말은 α - 황산칼슘반수화물이라고  한다. 

제4형과 제5형 고강도경석고는 밀도가 큰 densite로부터 제조된다. densite는 석고원광석을 30% 염화칼슘용액에서 끊인 후 뜨거운 물(100도씨)로 염소를 세척하고 분쇄하여 얻는다. 끊는 온도인 100도씨에서는 황산칼슘반수화물과 이수화물의 용해도가 같아지므로 굳지 않는다. 제조된 densite는 다른 물질의 첨가여부에 따라서 고강도- 저 팽창경석고와 고강도/ 고 팽창경석고로 나뉜다. 

30%의 염화칼슘을 석고원광석에 첨가하여 탈수시킨 뒤 100도씨 물로 염소를 세척, 분쇄하여 얻어진 석고분말은 가장 치밀한 구조를 이루며 초경석고가 된다. 

석고에는 제품의 조작성과 특성을 변화시키기 위해서 약품을 첨가한다. 황산칼륨(K₂SO₄)과 Terra alba (경화된 황산칼슘이수화물)는 경화촉진제(accelerator)이다. 소량의 염화나트륨은 경화시간을 감소시키며 경화팽창량을 증가시킨다. 붕사(Na₂B₄O7)는 경화지연제(retarder)로 이용된다. 0.1%의 산화칼슘과 1%의 아라비아고무는 석고 혼합 시 요구되는 물의 양을 감소시켜 궁극적으로 기계적 성질을 증진시킨다. 

플라스터, 경석고, 고강도경석고의 혼합에 필요한 물의 양, 반응에 필요한 물의 양, 그리고 여분의 물의 양을 제시하였다. 

 

2) 화학반응

석고의 경화반응식에서 반응에 필요한 물의 양은, 1몰의 석고를 혼합할 대 1.5몰의 물이고, 1몰의 경화된 석고가 생성된다. 즉 145.15g의 석고가 반응하기 위해서는 27.02g의 물이 필요하며, 반응 후에는 172.17g의 경화된 석고가 얻어진다. 따라서 100g의 석고가 반응하기 위해서 필요한 물의 무게는 18.61g이 된다. 그러나 임상적으로 모형용 석고를 이와 같은 소량의 물과 혼합하여 적당한 상태의 혼합물을 만든다는 것은 불가능하다. 플라스터, 경석고, 고강도경석고의 혼합에 필요한 물의 양, 반응에 필요한 물의 양, 그리고 여분의 물의 양을 제시하였다. 100g의 석고를 혼합하여 적당한 점조도를 가지는 혼합물을 만들기 위해서는 45g의 물을 사용해야 한다. 이 45g의 물 중에서 18.61g만 100g의 석고와 반응하며, 나머지 물은 자유슈(free water)로서 화학반응에 참여하지 않고 경화된 석고 내에 남아있게 된다. 이러한 여분의 물 죽, 잉여수는 석고가루의 혼합 시 분말 표면을 적셔주기 위해서 필요한 것이다. 만약 100g의 모형용 석고를 물을 많이 하여 50g의 물과 혼합하면, 혼합물은 더욱 묽어져 인상체에 붓기 편한 상태가 되나, 기계적 성질이 나쁘고 취약한 재질이 된다. 모형용 석고를 소량의 물과 혼합하면, 혼합물의 점도가 커져 조작성이 나빠지고 몰드에 부을 때 거대 기포가 발생하기 쉬우나, 경화된 석고는 매우 단단 해지게 된다. 따라서 석고의 올바른 사용과 우수한 기계적 성질을 얻기 위해서 혼합에 사용되는 물의 양을 주의 깊게 조절하여야 한다.