치과용 매몰재 ③

4) 석고계 매몰재의 경화팽창과 흡수팽창

(1) 반수석고와 실리카의 입도

석고계 매몰재의 흡수팽창은 반수석고의 입도에는 거의 영향을 받지 않지만 내화재 실리카의 입도와 양에는 크게 영향을 받는다. 일반적으로 실리카의 입자 크기가 작을수록 경화팽창과 흡수팽창이 증가하며, 이것은 입자 크기가 작을수록 물과 반응할 수 있는 표면적이 증가하기 때문이다. 

 

(2) 혼수비

혼수비가 증가할수록 석고의 경화팽창과 흡수팽창은 감소된다. 흡수팽창을 유도하기 위해 물을 추가적으로 공급하는 것은 매몰재를 다량의 물로 혼합하는 것과는 차이가 있다. 흡수팽창형 매몰재에서 첨가된 물의 양과 조작조건에 따른 팽창량의 변화를 나타낸 것이다. A곡선은 표준혼수비로 혼합한 경우로서, 팽창량이 가장 크게 나타났고, 묽은 혼합의 경우인 B곡선에서는 A곡선보다 팽창량이 저하되었다. 혼합이 부족한 상태에서는 C곡선과 같이 팽창량이 저하되었고, 오래된 매몰재에서는 D곡선과 같이 팽창량이 가장 낮게 나타났다. 

 

(3) 혼합조건 

혼합속도와 시간이 경화팽창과 흡수팽창에 미치는 영향은 석고제품에서와 유사하다. 혼합시간이 길고 빠를수록 경화팽창과 흡수팽창은 증가된다. 

 

(4) 침수시간 

주조링을 수조에 담글 때는 담그는 시기가 중요하다. 매몰재 혼합물의 초기경화가 일어나기 전에 담가야 최대 흡수팽창을 얻을 수 있다. 그렇지만 매몰재의 초기경화가 일어난 이후에는 물속에 오래 담가 두면 오히려 흡수팽창이 감소된다.

 

(5) 매몰재의 수명

제조 후 2-3년이 경과한 매몰재는 즉시 사용하는 매몰재에 비해 경화팽창과 흡수팽창이 감소된다. 따라서 매몰재는 구입 후 오래 보관하지 않아야 하며, 사용 중인 매몰재를 보관할 때는 밀봉한 상태에서 건조한 곳에 보관하여야 한다. 

 

5) 석고계 매몰재의 열팽창

왁스 패턴을 매몰한 후 매몰재 주형을 가열하면, 왁스가 녹아 제거되므로 주조할 수 있는 공간이 형성된다. 가열과정에서 결합재 석고에서는 탈수와 상전이로 인해 수축이 일어나지만 내화재 실리카에서는 열팽창과 상전이로 인한 팽창이 일어나고, 이때 발생한 팽창에 의해 주조수축이 보상된다. 석고계 매몰재의 가열과정에서는 200-600도씨 범위에 걸쳐서 팽창이 일어나는 것을 볼 수 있다.

 

6) 팽창 유형에 따른 매몰재의 분류

석고계 매몰재는 종종 흡수팽창형과 열팽창형으로 분류한다. 흡수팽창형 매몰재는 내화재로써 석영과 트리디마이트를 함유하며 흡수팽창은 크지만 열팽창은 작다. 매몰재에서 초기경화가 일어나기 전에 주조링을 수조에 침적하여 팽창을 유도하며 비교적 낮은 온도(482도씨)에서 소환을 한다. 흡수팽창형은 온도의 하강에 따른 팽창량 감소가 크므로 주조수축률이 작은 합금의 주조에 사용한다. 열팽창형 매몰재는 내화재로써 크리스토발라이트를 함유하며 220도씨 부근의 온도에서 큰 열팽창을 나타낸다. 매몰재의 경화 후 비교적 높은 온도(649도씨)에서 소환을 하며, 온도의 하강에 다른 팽창량 감소가 작으므로 주조조작 시간을 더 길게 가져갈 수 있다. 모든 석고계 매몰재는 열팽창과 흡수팽창을 동시에 나타내지만 내열재로 사용한 실리카의 조성에 따라서 이 두 팽창의 상대적인 비율이 변화된다. 흡수팽창형(A)과 열팽창형(B) 석고계 매몰재의 온도변화에 따른 열팽창량의 변화를 도시한 것이다. 

 

5. 인산염계 매몰재

인산염계 매몰재는 석고계 매몰재보다 내열성이 높기 때문에 고온주조용으로 사용된다. 인산염계 매몰재에서도 내화재로는 석고계 매몰재와 마찬가지로 실리카를 사용하지만, 결합재로는 물에 녹는 제일인산암모늄과 산화마그네슘(MgO)이 사용되고 있다. 매몰재 분말을 물 또는 전용의 콜로이드 실리카를 함유하는 수용액으로 혼합하면, 제일인산암모늄과 산화마그네슘이 물에 용해되며 반응하여 불용성의 인산마그네슘암모늄육수염이 생성되고, 이것이 결합재로 작용하여 매몰재에 초기강도를 부여한다. 이 반응의 과정에서 생성된 물은 매몰재 혼합물의 점도를 떨어뜨리는 역할을 한다. 제일인산암모늄과 산화마그네슘사이에서 일어나는 산-염기 반응은 실온에서 빠르게 진행되며, 반응속도는 산화마그네슘이 해리되는 속도에 의존하므로 산화마그네슘의 입도를 작게 할수록 반응속도는 빨라진다. 

매몰재를 혼합할 때는 반응에 필요한 양보다 더 많은 양의 제일인산암모늄을 사용하고 있으므로, 미반응 잔류물이 주조온도에서 실리카와 반응하여 규인산염(silicophosphate)을 생성하므로 매몰재에 고온강도를 부여한다. 

인산염계 매몰재의 경화반응 과정에서는 이론상으로는 수축이 일어나야 하지만, 실제로는 약간의 팽창이 일어나며, 물 대신 실리카 졸 용액을 사용하여 혼합하면 경화팽창과 열팽창이 증가한다. 흡수팽창형(A)과 열팽창형(B) 인산염계 매몰재를 실리카 졸 용액으로 혼합할 때 실리카 졸의 농도가 팽창량에 미치는 영향을 도시한 것으로, 실리카 졸의 농도가 증가할수록 흡수팽창과 열팽창이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 경화팽창은 흡수팽창형(A)이 열팽창형(B)에 비해 높지만, 800도씨에서 열패창은 열팽창형(B)이 흡수팽창형(B)에 비해 높다. 흡수팽창형과 열팽창형 인산염계 매몰재를 제조자가 추천하는 조건의 분액비로 혼합한 다음 800도씨까지 가열하며 측정한 열팽창곡선으로, 열팽창형이 흡수팽창형보다 더 큰 팽창을 나타냈다.