Preparação de vidros e vitro-cerâmicos do sistema SiO2-AL2O3-B2O3-CaO-MgO-Li2O-(K, NA)2O-F para potenciais aplicações em medicina dentária

Abstract

O presente trabalho teve por finalidade investigar a influência da substituição catiónica em vidros e vitro-cerâmicos à base de Ca-mica e a produção de materiais com propriedades adequadas para aplicações de interesse tecnológico. Considerou-se como referência a composição CaMg3Al2Si2O10F2 e investigou-se a influência da substituição (parcial ou completa) de Mg por Li e de Al por B no processo de cristalização e nas propriedades dos vitro-cerâmicos resultantes. Os materiais produzidos foram caracterizados por recurso a diversas técnicas experimentais, nomeadamente, análises térmicas (ATD e dilatometria), difracção de raios X, espectroscopia de Raman, microscopia electrónica de varrimento e espectroscopia de energia dispersiva. A densidade e as propriedades mecânicas foram avaliadas pelo de método de Arquimedes, microdureza de Vickers e ensaios mecânicos à flexão, respectivamente, enquanto para o estudo da durabilidade química se recorreu à imersão em ácido acético. Os resultados experimentais mostraram que o vidro de referência só funde adequadamente a cerca de 1550ºC, enquanto todos os vidros dele derivados puderam ser facilmente fundidos e vazados a temperaturas baixas (≈1350ºC). A cristalização e propriedades dos vitro-cerâmicos obtidos a partir dos vidros base mostraram-se muito sensíveis à substituição dos catiões. O início da cristalização foi deslocado para temperaturas mais baixas na presença de B e de Li. Por outro lado, a substituição completa de Al por B causou um decréscimo da cristalinidade dos vitro-cerâmicos, uma fusão parcial após tratamento térmico a temperaturas acima de 850ºC, e tornou os vidros mais propensos a uma cristalização em volume. Os vidros apresentaram unidades Q1, Q2, e Q3 do silício e ligações Al∅4 - na presença de Al, e/ou unidades triangulares B∅2O- e tetraédricas B∅4 - na presença de B. A presença de Li não causou alterações significativas a nível estrutural, enquanto que a presença de fósforo favoreceu a formação de unidades isoladas de coordenação tetraédrica do tipo PO4 4-. A composição de referência foi a única em que se formou a mica (xantofilite) após tratamento térmico a 650ºC. A substituição, parcial ou completa, de Mg por Li e de Al por B levou à formação de variadas fases, tais como, inossilicatos (piroxenas e anfíbolas), nesossilicatos (humite e forsterite) e, num caso, feldspato de Ca (anortite). Os vitrocerâmicos com P na sua composição apresentaram fases variadas, tais como, diopsido, borato de Mg, fosfito de B, SiO2e CaF2. O uso de uma rocha natural à base de Li incorporou inevitavelmente outros metais alcalinos, como K e Na. O vidro contendo todos os catiões (Li, Na, K, Al) mostrou-se mais propenso a uma cristalização homogénea em volume. Os vitro-cerâmicos apresentaram diversas fases cristalinas a diferentes temperaturas (anfíbolas, Ca-mica, forsterite, espinela e KLi-mica. Estes materiais são mais baratos e apresentaram boas propriedades ópticas de brancura, translucidezopacidade, e propriedades químicas e mecânicas promissoras para diversas aplicações.

ABSTRACT: The present work aimed at investigating the influence of cation substitution in glass and glass-ceramics based on Ca-mica and at the production of materials with suitable properties for applications of technological interest. Considering the composition CaMg3Al2Si2O10F2 as reference, the influence of substitution (partial or complete) of Li for Mg and B for Al on crystallization process and on the properties of the resulting glassceramics, was investigated. Several experimental techniques were employed for the characterization of the produced materials, such as thermal analysis (DTA and dilatometry), X-ray diffraction, Raman spectroscopy, scanning electron microscopy and energy dispersive spectroscopy. The density and the mechanical properties were measured by the Archimedes method, and Vickers microhardness and flexural strength measurement, respectively, while the study of chemical durability was made by imersion in acetic acid. The experimental results showed that the reference glass was melted at near 1550ºC, while all the other glasses derivated from it were easily melted and cast at lower temperatures (≈1350ºC). The crystallization and the properties of glass-ceramics crystallized from the base glasses were very sensitive on cations substitutions. Initial the onset of crystallization was shifted to lower temperatures in the presence of B and Li. On the other hand, the complete substitution of B for Al caused significant lowering of crystallinity in the glass-ceramics, partial melting after heat treatment at temperatures higher than 850ºC, and the resulting glasses became prone to bulk crystallization. The glasses showed Q1, Q2, eQ3 silicon units and Al∅4 -, in the presence of Al, and/or triangular, B∅2O-, and tetrahedral units B∅4 - in the presence of B. The presence of Li didn’t cause significative modifications in the structure, while the presence of P favoured the formation of isolated tetrahedral coordinated units of type PO4 4-. The formation of mica (xanthophyllite) only occurred in the case of reference composition after heat treatment at 650ºC. Substitution, partial or complete, of Li for Mg and B for Al showed the formation of a variety of phases such as, inosilicates (pyroxenes and amphiboles), nesosilicates (humite and forsterite) and, in a particular case, Cafeldspar (anortite). The glass-ceramics with P in their composition showed different phases, such as, diopside, Mg-borate, B-phosphite, silica and CaF2. The use of a natural rock based on Li inevitably introduced other alkalis metals, such as K and Na. The glasses which contain all the cations (Li, Na, K, Al) were prone to homogenous bulk crystallization. The glassceramics showed different crystalline phases at different temperatures (amphiboles, Ca-mica, forsterite, spinel and KLi-mica). These materials are cheaper and exhibited good optical properties of whiteness, translucency-opalescence, and chemical and mechanical properties which are promising for several applications.