치과용 매몰재 ②

2. 매몰재의 분류 및 요구되는 성질 

1) 매몰재의 분류

ISO 15912에서는 주조용, 열가압성형용, 납착용 및 내화 다이의 제작에 사용하는 매몰재를 다음과 같이 4가지 유형으로 분류하고 있다. 제1형은 인레이, 크라운 또는 다른 고정성 치과보철물 주조용의 매몰재이다. 제2형은 총의치, 국소의치 또는 다른 가철성 장치물 주조용의 매몰재이다. 제3형은 납착과정에서 사용하는 매몰재이다. 제4형은 내화성 다이의 제작에 사용하는 매몰재이다. 

매몰재는 내화재, 결합재 및 기타 성분들로 구성된다. 매몰재의 주성분은 매몰재에서 공통적으로 사용되기 때문에, 매몰재는 결합재의 종류에 다라 다음과 같이 분류하기도 한다. 

1 석고계 매몰재 2 인상염계 매몰재 3 실리카계 매몰재 

 

2) 매몰재에 요구되는 성질

매몰재에서 요구되는 물성으로는 유동성, 초기경화시간, 압축강도, 선열팽창 등으로, ISO 15912에서 요구하는 각각의 기준값을 나타내었다. 

 

3. 내화재 실리카의 다형전이 

실리카는 규산사면체 중의 산소원자 4개가 주위의 다른 사면체들에 공유되어 3차원적 망상구조를 이루어서 중성의 규산염이 된다. 규소와 산소의 비율이 전체적으로 1:2가 되므로 시성식은 (SiO₂)라고 한다. 

실리카는 온도의 상승에 따라 열팽창이 일어나지만, 또한 가열과정에서 상전이가 일어나므로 팽창의 정도는 온도에 따라 달라진다. 실리카 동소체들의 온도 상승에 따른 열팽창률의 변화를 나타낸 것으로, 상전이로 인한 가장 큰 팽창은 α-cristobalite가 β-cristobalite로 변화될 때 일어난다. 

석영은 온도의 상승에 따른 열팽창을 보이다가 573도씨에서 고온 안정형 구조인 β상으로 상전이가 되며 1.4%까지 팽창하고, 이후에는 오히려 약간 수축하는 경향을 나타낸다. 트리디마이트(tridymite)는 석영보다 훨씬 낮은 온도인 105도씨에서 β상으로 상전이 되며 0.4%까지 팽창하고, 이후 160도씨에서 다시 상전이 되며 0.4%까지 팽창하고, 이후 160도씨에서 다시 상전이가 일어나며 팽창하지만, 이때는 온도가 상승함에 따라 서서히 팽창이 일어나서 약 750도씨에서 1.1%까지 팽창하고, 이후 석영이나 트리디마이트와 달리 온도가 상승함에 따라 완만하게 팽창이 일어난다. 실리카의 3가지 동소체 중세서 트리디마이트가 가장 작은 팽창을 나타내므로 일반적으로 매몰재의 내화재로는 석영이나 크리스토발라이트가 사용된다. 이들 2가지 모두 상전이가 될 때 급격한 팽창이 일어나므로 상전이 온도 부근에서 매몰재를 급가열하면 내부에 균열이 생성되어 주형이 파괴돌 수 있다. 이러한 문제점을 개선하기 위해 2가지 재료를 혼합하여 사용하면 서로의 상전이 온도가 차이가 나므로 매몰재의 가열과정에서 일어나는 급격한 팽창을 완화할 수 있다. 또한 석영은 573도씨 이상에서 수축이 일어나지만, 크리스토발라이트를 혼합하여 사용하면 이러한 수축을 억제할 수 있다. 석영과 크리스토발라이트는 모두 상온에서  α상이지만, 주형을 가열하는 과정에서 β상으로 상전이 되어 팽창이 일어나므로 주조수축의 보상이 가능하다.

 

4. 석고계 매몰재 

1) 조성과 용도

석고계 매몰재는 석영, 크리스토발라이트 또는 이 둘의 혼합물 65-75%, α-반수석고 25-35%, 그리고 기타 화학 조절제 성분들 2-3%로 구성되어 있다. 석고계 매몰재를 700도씨 이상으로 가열하면, 결합재로 사용하는 석고의 열분해가 일어나 주조체를 취약하게 만드는 부식성이 큰 이산화황(SO₂)이 발생된다. 그렇지만 주조과정에서 용융금속의 유입은 순간적으로 이루어지므로 석고계 매몰재는 융점 1,000도씨 이하의 금합금 주조에 사용한다. 

 

2) 석고 결합재의 온도상승에 따른 변화

석고계 매몰재의 결합재로는  α-반수석고가 사용된다. 매몰재를 물과 혼합하면 반수석고가 물과 반응하여 이수석고가 되고, 이때 반응하지 않고 남은 물은 매몰재 주형의 내부에 남게 된다. 주조과정에서는 매몰재 주형을 주조에 적합한 온도로 가열하며, 가열의 초기단계에 잔류하는 여분의 물은 증발되어 없어진다. 온도가 더욱 상승되면 이수석고(CaSO₄. 2H₂O)의 결정수는 약 105도씨에서 결합이 붕괴되어 무수석고( CaSO₄ )가 되며, 이때 결정수의 증발로 인해 약간의 수축이 일어난다. 또한 무수석고는 380도씨 부근에서 상전이로 인해 약간의 수축이 일어나고, 700도씨 이상에서는 소결과 열분해가 일어나므로 큰 수축을 나타낸다. 주형의 가열과정에서 일어나는 이러한 수축과 금속의 응고수축은 매몰재에 포함된 내화재 실리카의 열팽창과 상전이로 인한 팽창으로 보상된다. 

 

3) 매몰재 주형의 냉각과 재가열

석고계 매몰재를 가열한 후 냉각하면, 처음 가열할 때와는 다른 열수축 곡선을 나타내고, 실온까지 냉각하면 가열 전보다 치수가 감소된다. 또한 재가열을 하면 매몰재는 처음보다 열팽창량이 감소되고 가열하는 과정에서 균열이 생성되는 경우 주조체에 결함이 생성된다.

 

4) 석고계 매몰재의 경화팽창과 흡수팽창

석고계 매몰재 주형에서는 경화팽창, 흡수팽창 및 열팽창이 일어난다. 경화팽창은 실온에서 매몰재가 경화되는 과정에서 발생하는 팽창으로, 이수석고의 결정이 침상으로 성장하여 접촉상태에서 서로를 밀게 됨에 따라 나타나다. 경화팽창은 혼수비, 혼합시간 및 혼합속도에 의존한다. 혼수비가 증가되면 경화팽창과 가열팽창이 감소하고, 통기성이 증가한다. 또한 혼합속도가 빠르고 혼합시간이 길어지면 경화팽창이 증가한다. 

흡수팽창은 혼합한 매몰재의 경화가 진행되는 과정에서 물과 접촉했을 때 나타나는 팽창으로, 흡수팽창을 유도하기 위해 매몰재를 붓기 전에 주조링의 내면에 물에 적신 이장재를 내장하거나, 매몰한 후 주조링을 수조에 담그는 방법이 활용되고 있다. 흡수팽창의 기전은 대기 중에서 혼합한 매몰재가 경화될 때 나타나는 정상경화 팽창과 관계가 있다. 물과 혼합한 매몰재에서 경화반응이 진행되어 물이 줄어들면, 성장하는 이수석고의 결정들은 남아있는 물의 표면에서 충돌이 일어나게 되고, 이때 물의 표면장력이 결정들의 성장을 방해하게 되므로 팽창이 억제된 상태에서 경화반응이 종료된다. 주조링의 내면에 물에 적신 이장재를 내장하고서 혼합한 매몰재를 부으면 결정성장은 더욱 오랫동안 지속된다. 그렇지만, 이것은 물의 표면장력이 결정성장을 방해하지 않을 때까지 이다. 매몰재 주입 후 주조링을 수조에 담그면 물이 지속적으로 공급되지 못할 때 나타나는 팽창이 정지되는 문제가 해결되므로 팽창은 정상경화팽창의 2배 이상에 달하게 된다. 흡수팽창을 유도하는 또 다른 방법은 혼합합 매몰재에서 광택이 사라지기 전에 물을 추가적으로 공급하는 것으로, 경화반응이 완료되지 않은 상태이기 때문에 추가한 물이 혼합수에 부가되어 표면장력의 작용을 지연시키게 된다.