一种透明陶瓷自锁托槽的制备方法与流程

本发明涉及一种托槽的制备方法，尤其涉及一种透明陶瓷自锁托槽的制备方法。

背景技术：

托槽是固定矫治技术的重要部件，是矫正牙齿畸形排列的矫治器，将其用专用粘结剂直接粘结于牙冠上，再利用弓丝通过托槽对牙齿施以矫治力，达到矫正的目的。自锁托槽是由传统托槽衍生而来的一种新型矫正器，具有弓丝与托槽之间的摩擦阻力小、治疗时间短、易于清洁、佩戴舒适等优点，是一种更高效、更轻松的矫正牙齿新方法。目前，应用于临床的自锁托槽材质主要为金属类和陶瓷类。随着时代的迅速发展，越来越多的牙科患者，特别是女性患者，对牙齿矫正器的美学要求也越来越高。因此，相比于金属材质，透明陶瓷自锁托槽在力学性能、色泽匹配度和生物相容性等方面有着无法比拟的优势，受到国内外研究者们的广泛关注。

现阶段，透明陶瓷自锁托槽的制备方法有很多，专利zl200510035081.x提出了一种“透明氧化铝陶瓷托槽及其制造方法”，所述透明陶瓷托槽采用纯度99.9％以上的超细氧化铝粉，通过混料、注射(干压/凌浇注)成型、热脱脂、烧结以及热等静压等工艺获得，产品的抗弯强度为400～800mpa，直线透光率为10～70％。专利zl201310169282.3提供了一种“口腔正畸用的高透明陶瓷托槽及其制备方法”，所述产品通过流延法成型、热脱脂、烧结后进行数控精密加工制备而成，其透光率超过70％。但是这些工艺都在不同程度上存在各种缺点。比如：1)制备方法中包含等静压、机加工等工艺，制备成本高；2)使用单一的热脱脂方式，保温时间长(20～40h)，生产效率低；3)烧结温度高(1700～1900℃)，对工艺装备的要求高；4)性能不稳定(透光率10％～70％)，波动较大。因此，一直没得到广泛的工业化生产应用。因而，亟需开发出一种工艺简单、生产成本低、具备优良性能，并适合大规模快速生产透明自锁托槽的制备方法。

技术实现要素：

本发明为解决现有技术中存在的不足，采用粉末注射成形技术，是一种从塑料注射成形行业中引申出来的新型粉末冶金近净成形技术，并与环保高效的水萃取+热脱脂法、低温分步烧结等优异且鲜有报道的制备方法相结合，能够克服上述工艺的缺点。

本发明一种透明陶瓷自锁托槽的制备方法，包括以下步骤：

步骤一

以氧化铝粉末与烧结助剂混合得到基体材料；将基体材料和粘结剂进行混炼、制粒；得到喂料；

步骤二

利用注射成形机将喂料注入到模腔中得到产品生坯；注射时，控制注射温度为120～150℃、注射压力为70～130mpa、注射速度为30～90g/s、模具温度为40～60℃；

步骤三

将产品生坯先通过水萃取脱脂工艺脱除部分粘结剂，然后经过热脱脂工艺脱除剩余粘结剂；得到脱脂后的产品坯体；

水萃取脱脂时，采用的溶剂为水；脱脂时间为4～6h；温度为30～50℃；

所述热脱脂为；在氩气气氛保护下，先以1～3℃/min的升温速率加热至400～500℃保温1～4h，再以3～8℃/min的升温速率加热至1100～1200℃保温1～4h后随炉冷却至室温。

步骤四

在真空环境下，对脱脂后的产品坯体进行分步烧结；所述烧结工艺为：先以3～8℃/min、优选为4～7℃/min、进一步优选为5℃/min的升温速率加热至1350～1450℃保温0.5～1h；然后以3～8℃/min、优选为4～7℃/min、进一步优选为5℃/min的降温速率快速降至1200～1300℃保温2～6h后随炉冷，即可获得成品。

作为优选方案，本发明一种透明陶瓷自锁托槽的制备方法；步骤一中，所述基体材料氧化铝粉末的粒度为50～800nm、优选为100～500nm、作为进一步的优选方案，所述基体材料氧化铝粉末的粒度为100～300nm。

作为优选方案，本发明一种透明陶瓷自锁托槽的制备方法；步骤一中，所述基体材料氧化铝粉末为高纯氧化铝粉。所述高纯氧化铝粉是指纯度大于等于99.99％的高纯氧化铝粉。作为进一步的优选方案，所述基体材料氧化铝粉末为日本住友公司提供的高纯氧化铝粉。

作为优选方案，本发明一种透明陶瓷自锁托槽的制备方法；步骤一中，所述烧结助剂为mgo、y2o3和la2o3的一种或者多种。

作为优选方案，本发明一种透明陶瓷自锁托槽的制备方法；步骤一中，所述烧结助剂的添加量为所述氧化铝粉末质量的0.2％～0.8％。

作为优选方案，本发明一种透明陶瓷自锁托槽的制备方法；步骤一中，所述粘结剂按质量百分比计由下述组分组成；

聚乙二醇(peg)65～80％；

聚乙烯蜡(pewax)15～30％；

硬脂酸(sa)1～10％。

作为优选方案，本发明一种透明陶瓷自锁托槽的制备方法；步骤一中，混炼时，混炼温度为110～140℃，混炼时间为1～4h。混炼机转速为80～120r/min。

作为优选方案，本发明一种透明陶瓷自锁托槽的制备方法；步骤一中，控制粘结剂和基体材料配得的喂料中粘结剂所占的体积比范围为40％～60％。

作为优选方案，本发明一种透明陶瓷自锁托槽的制备方法；步骤四中，所述真空环境下的真空度≤5*10^-3pa。

本发明所得产品的成本大大低于现有同类产品。其生产效率是现有生产技术的2～3倍。尤其是脱脂效率约是现有工艺的4倍。同时本发明由于采用了水萃取脱脂，在其他工艺条件的协同作用下，产品的成品率大于等于91％、优化后可大于92％，远远高于现有工艺。

本发明所得产品中，抗弯强度≥455mpa，硬度hv≥1990，总透光率≥93％，优于同类产品30％。经优化后抗弯强度，硬度和总透光率分别可以达到515mpa、hv2440和97％。

本发明基于粉末注射成形技术，制备出透明陶瓷自锁托槽产品。首先氧化铝粉末与烧结助剂混合得到基体材料，并与粘结剂混炼，制粒获得喂料，然后利用注射成形机将喂料注入到模具型腔中得到产品生坯；再将生坯中的粘结剂经水萃取脱脂、热脱脂工艺脱除，最后采用分步烧结致密化得到透明陶瓷自锁托槽产品。

本发明中原材料的选择主要考虑需满足产品性能的要求，即高强度、高耐磨性和高透光性。相比于金属托槽，透明氧化铝陶瓷托槽在力学性能、色泽匹配度和生物相容性等方面有着更明显的优势。它是以高纯α-al2o3为主晶相制备出的先进功能材料，随着氧化铝纯度的增加，该陶瓷材料表现出优异综合力学性能，抗弯强度≥350mpa，硬度hv≥1500，仅次于金刚石，远远超过耐磨钢和不锈钢的耐磨性能。由于氧化铝的熔点高达2050℃，通常情况下，为获得高致密度而实现高透光性，其烧结需在高温1700～1900℃的氢气保护或者真空环境中进行，这不仅提高了工艺装备成本，而且也难以控制晶粒尺寸，影响产品性能。因此，本发明采用纯度99.99％以上的纳米级氧化铝粉(优化后，平均粒度200nm)，避免原料中杂质形成光的散射中心，降低制品的透明度，同时其具有很高的烧结活性，并添加适量的烧结助剂mgo、y2o3、la2o3中的一种或多种，一方面是使烧结过程中出现少量液相，降低烧结温度，另一方面是抑制晶界旳迁移和晶粒生长，使微气孔有足够的时间依靠晶界扩散而被排除，易于实现致密化。综上，选择高纯氧化铝粉和烧结助剂混合作为基体材料，可以满足透明陶瓷自锁托槽对材料成分的要求。

在上述工艺过程中，各个环节的工艺参数都将对产品的最终性能产生影响。为了保证透明陶瓷自锁托槽的高性能，需要优化各环节工艺参数。在混料工序中，本发明采用超细氧化铝粉末和烧结助剂混合得到基体材料，与粘结剂充分混炼获得均匀喂料，防止喂料成分偏析，以保证烧结后收缩均匀，避免出现变形，开裂等缺陷。在注射成形工序中，本发明通过调节注射温度、注射压力、注射速度以及模具温度等重要注射参数以得到良好的注射坯，防止产品表面出现起泡、裂纹、孔隙等缺陷。在脱脂工序中，粘结剂中的主要组分为聚乙二醇，是一种分子量在200～20000之间的环氧乙烷聚合物，它具有优良的水溶性和热塑性。此外，也是非常安全的化学品，在食品工业中被广泛使用。本发明首次利用水萃取脱脂和热脱脂相结合的脱脂方式，用水来溶解粘结剂中的聚乙二醇组分，样品置于预先加热到30～50℃的水中，水分子扩散到聚乙二醇中，在试样表面形成气孔，随着时间的推移，4～6h后聚乙二醇溶解于水中，试样中形成了内外相连的气孔通道，再通过热脱脂工艺脱除剩余不溶于水的粘结剂，并控制相应的升温速率以及保温时间，有效控制脱脂速率，使有机粘结剂脱除干净，避免残余的有机粘结剂在烧结过程中形成碳化物，引起产品发黑，破坏透光性。与传统的脱脂工艺相比，水萃取脱脂具有如下优点。1)绿色环保。用纯水代替有毒易燃的有机溶剂，且脱脂产物无毒无害可生物降解；2)高效节能。其与热脱脂工艺相结合，只需花费5～10h即可完成脱脂，生产效率约是现有工艺的4倍；3)性能优异。通过脱除水溶性粘结剂形成的气孔通道，利于热脱脂的进行，并减少了裂纹和缺陷的形成，使得烧结后的产品性能大幅度提高。在烧结工序中，本发明采用分步烧结的方式，先将脱脂坯加热到一个较高的温度t1(1350～1450℃)，能够促进样品快速获得一定致密度(75％～90％)，而气孔处于次临界和不稳定状态。然后再快速降温至相对较低的温度t2(1200～1300℃)长时间保温，在此过程中，需要较高的活化能的晶界迁移被抑制(将导致晶粒长大)，而晶界扩散仍然处于活跃状态，这样前一阶段遗留的不稳定气孔依靠晶界扩散被排除，可以实现晶粒不长大而陶瓷致密化继续进行，最终达到完全致密，以实现陶瓷托槽的高性能。再通过并控制升温降温速率以及保温时间避免坯体在烧结过程中出现变形，开裂等缺陷。本发明采用一整套优化的工艺参数，能确保产品具有高强度、高耐磨性和高透光性，以满足客户对透明陶瓷自锁托槽的要求。

与现有技术相比，本发明采用粉末注射成形技术，结合环保高效的水萃取+热脱脂法和低温分步烧结法制备出透明陶瓷自锁托槽，其特点如下：

1)具有一次成形复杂形状制品，无需后续加工，生产成本大大降低；

2)具有环保高效的生产技术，大幅提高生产效率；

3)具有产品性能优异，优于同类产品30％；

4)具有自动化程度高，易于实现大批量生产，而且成品率高于现有生产工艺，本发明的成品率大于等于91％。

综上所述，本发明采用粉末注射成形技术，再结合环保高效的水萃取+热脱脂法和低温分步烧结法，制备出性能优异的产品，具备一次成形复杂形状制品，易于实现生产自动化，加工效率高，生产成本低等优势，解决了现有技术中性能不稳定、生产效率低、成本高昂等问题，能很好的满足客户需求，很适合于制备透明陶瓷自锁托槽。

附图说明

图1是氧化铝粉末的sem形貌

图2是透明陶瓷自锁托槽实物图

具体实施方式

以下结合五个实例对本发明方法作进一步说明。

实例1：

一种透明陶瓷自锁托槽的制备工艺，其过程如下：

a、原料准备：基体材料使用日本住友公司提供的平均粒度200nm的高纯氧化铝粉与0.3％mgo粉混合，氧化铝粉末的成分如表1所示，图1为氧化铝粉末的sem形貌图；

表1氧化铝粉末的成分

b、制备粘结剂：按质量百分比，取聚乙二醇(peg)65％、聚乙烯蜡(pewax)30％、硬脂酸(sa)5％，在110℃温度下于混料机中混合4h制得粘结剂；

c、制备喂料：将粘结剂与基体材料按照体积比43％:57％进行混炼、制粒制成喂料，混炼温度为110℃，混炼机转速为85r/min，混炼时间为4h；

d、注射成形：利用注射成形机将喂料注入到模腔中得到产品生坯；注射温度为120℃，注射压力为110mpa，注射速度为60g/s，模具温度为60℃；

e、脱脂：将产品生坯先通过水脱除其中的聚乙二醇组分，脱脂时间为4h温度为50℃，然后在真空脱脂炉中进行热脱脂，在氩气气氛保护中，先以2℃/min的升温速率加热至450℃保温2h，再以5℃/min的升温速率加热至1100℃保温3h后随炉冷却至室温；

f、烧结：将脱脂后的产品坯体在真空烧结炉内进行分步烧结；炉内真空度为5*10^-3pa，先以5℃/min的升温速率加热至1350℃保温1h，然后以5℃/min的降温速率快速降至1200℃保温6h后随炉冷却至室温，即可获得成品。检测性能，其抗弯强度，硬度和总透光率分别可以达到455mpa、hv1990和93％。

g、按照上述工艺步骤和参数制备500件样品，成品率为91.8％。

实例2：

一种透明陶瓷自锁托槽的制备工艺，其过程如下：

a、原料准备：基体材料使用日本住友公司提供的平均粒度200nm的高纯氧化铝粉与0.2％mgo+0.2％y2o3粉混合，氧化铝粉末的成分如表1所示，图1为氧化铝粉末的sem形貌图；

b、制备粘结剂：按质量百分比，取聚乙二醇(peg)68％、聚乙烯蜡(pewax)30％、硬脂酸(sa)2％，在120℃温度下于混料机中混合3h制得粘结剂；

c、制备喂料：将粘结剂与基体材料按照体积比45％:55％进行混炼、制粒制成喂料，混炼温度为120℃，混炼机转速为90r/min，混炼时间为3h；

d、注射成形：利用注射成形机将喂料注入到模腔中得到产品生坯；注射温度为130℃，注射压力为100mpa，注射速度为60g/s，模具温度为60℃；

e、脱脂：将产品生坯先通过水脱除其中的聚乙二醇组分，脱脂时间为5h温度为40℃，然后在真空脱脂炉中进行热脱脂，在氩气气氛保护中，先以2℃/min的升温速率加热至450℃保温2h，再以5℃/min的升温速率加热至1100℃保温3h后随炉冷却至室温；

f、烧结：将脱脂后的产品坯体在真空烧结炉内进行分步烧结；炉内真空度为5*10^-3pa，先以5℃/min的升温速率加热至1400℃保温40min，然后以5℃/min的降温速率快速降至1250℃保温5h后随炉冷却至室温，即可获得成品。检测性能，其抗弯强度，硬度和总透光率分别可以达到473mpa、hv2040和93％。

g、按照上述工艺步骤和参数制备500件样品，成品率为91％。

实例3：

一种透明陶瓷自锁托槽的制备工艺，其过程如下：

a、原料准备：基体材料使用日本住友公司提供的平均粒度200nm的高纯氧化铝粉与0.2％mgo+0.2％la2o3粉混合，氧化铝粉末的成分如表1所示，图1为氧化铝粉末的sem形貌图；

b、制备粘结剂：按质量百分比，取聚乙二醇(peg)70％、聚乙烯蜡(pewax)28％、硬脂酸(sa)2％，在130℃温度下于混料机中混合2h制得粘结剂；

c、制备喂料：将粘结剂与基体材料按照体积比48％:52％进行混炼、制粒制成喂料，混炼温度为130℃，混炼机转速为100r/min，混炼时间为2h；

d、注射成形：利用注射成形机将喂料注入到模腔中得到产品生坯；注射温度为135℃，注射压力为90mpa，注射速度为60g/s，模具温度为50℃；

e、脱脂：将产品生坯先通过水脱除其中的聚乙二醇组分，脱脂时间为4.5h温度为45℃，然后在真空脱脂炉中进行热脱脂，在氩气气氛保护中，先以2℃/min的升温速率加热至450℃保温2h，再以5℃/min的升温速率加热至1150℃保温2h后随炉冷却至室温；

f、烧结：将脱脂后的产品坯体在真空烧结炉内进行分步烧结；炉内真空度为5*10^-3pa，先以5℃/min的升温速率加热至1400℃保温40min，然后以5℃/min的降温速率快速降至1300℃保温4h后随炉冷却至室温，即可获得成品。检测性能，其抗弯强度，硬度和总透光率分别可以达到488mpa、hv2159和94％。

g、按照上述工艺步骤和参数制备500件样品，成品率为92.4％。

实例4：

一种透明陶瓷自锁托槽的制备工艺，其过程如下：

a、原料准备：基体材料使用日本住友公司提供的平均粒度200nm的高纯氧化铝粉与0.3％la2o3+0.1％y2o3粉混合，氧化铝粉末的成分如表1所示，图1为氧化铝粉末的sem形貌图；

b、制备粘结剂：按质量百分比，取聚乙二醇(peg)75％、聚乙烯蜡(pewax)24％、硬脂酸(sa)1％，在135℃温度下于混料机中混合1.5h制得粘结剂；

c、制备喂料：将粘结剂与基体材料按照体积比50％:50％进行混炼、制粒制成喂料，混炼温度为135℃，混炼机转速为105r/min，混炼时间为1.5h；

d、注射成形：利用注射成形机将喂料注入到模腔中得到产品生坯；注射温度为140℃，注射压力为85mpa，注射速度为70g/s，模具温度为50℃；

e、脱脂：将产品生坯先通过水脱除其中的聚乙二醇组分，脱脂时间为6h温度为35℃，然后在真空脱脂炉中进行热脱脂，在氩气气氛保护中，先以2℃/min的升温速率加热至450℃保温2h，再以5℃/min的升温速率加热至1150℃保温2h后随炉冷却至室温；

f、烧结：将脱脂后的产品坯体在真空烧结炉内进行分步烧结；炉内真空度为5*10^-3pa，先以5℃/min的升温速率加热至1450℃保温0.5h，然后以5℃/min的降温速率快速降至1250℃保温5h后随炉冷却至室温，即可获得成品。检测性能，其抗弯强度，硬度和总透光率分别可以达到515mpa、hv2440和97％。

g、按照上述工艺步骤和参数制备500件样品，成品率为93％。

实例5：

一种透明陶瓷自锁托槽的制备工艺，其过程如下：

a、原料准备：基体材料使用日本住友公司提供的平均粒度200nm的高纯氧化铝粉与0.2％mgo+0.2％la2o3+0.2％y2o3粉混合，氧化铝粉末的成分如表1所示，图1为氧化铝粉末的sem形貌图；

b、制备粘结剂：按质量百分比，取聚乙二醇(peg)72％、聚乙烯蜡(pewax)27％、硬脂酸(sa)1％，在140℃温度下于混料机中混合1h制得粘结剂；

c、制备喂料：将粘结剂与基体材料按照体积比52％:48％进行混炼、制粒制成喂料，混炼温度为140℃，混炼机转速为110r/min，混炼时间为1h；

d、注射成形：利用注射成形机将喂料注入到模腔中得到产品生坯；注射温度为145℃，注射压力为80mpa，注射速度为80g/s，模具温度为50℃；

e、脱脂：将产品生坯先通过水脱除其中的聚乙二醇组分，脱脂时间为6h温度为35℃，然后在真空脱脂炉中进行热脱脂，在氩气气氛保护中，先以2℃/min的升温速率加热至450℃保温2h，再以5℃/min的升温速率加热至1200℃保温1h后随炉冷却至室温；

f、烧结：将脱脂后的产品坯体在真空烧结炉内进行分步烧结；炉内真空度为5*10^-3pa，先以5℃/min的升温速率加热至1450℃保温0.5h，然后以5℃/min的降温速率快速降至1300℃保温4h后随炉冷却至室温，即可获得成品。检测性能，其抗弯强度，硬度和总透光率分别可以达到502mpa、hv2311和95％。

g、按照上述工艺步骤和参数制备500件样品，成品率为92％。

对比例1：

对比例2：

对比例1、2中除了上述表明的条件，其他条件均和实施例4一致。

对比例3：

本对比例采用与实施例4基本相同的方法，不同的是，不采用水萃取脱脂；其脱脂工艺为：将产品生坯置于真空脱脂炉中进行热脱脂，在氩气气氛保护中，先以2℃/min的升温速率加热至450℃保温2h，再以5℃/min的升温速率加热至1150℃保温2h后随炉冷却至室温。检测性能，其抗弯强度，硬度和总透光率分别为367mpa、hv1690和70％，相比实例4的性能低30％。成品率约为72％，相比实例4的成品率低21％。

对比例4：

本对比例采用与实施例4基本相同的方法，不同的是，水萃取脱脂的温度为75℃，成品率低至64％，相比实例4的成品率低29％。

上述对比可以看出，过高或者过低的注射温度、注射压力等注射参数，过高或者过低的烧结温度，以及省去水萃取脱脂、过高的水萃取脱脂温度，都会导致产品出现缺陷，进而影响性能。

以上所述实例仅是本发明较优的实施方法，故不能以此限定本发明的实施范围，其他按照本发明的原理和内容所做的等效改变、修饰、替代和组合，都仍属于本发明的保护范围。