Analysis of the Degree of Hydro-Thermal Fatigue Damage of the Surface Layer of Polymer-Ceramic Composites Intended for Operation in a Biotribological Node

• Autorzy: Pieniak Daniel , Kordos Paweł

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0013.4155

Warianty tytułu

PL

Analiza stopnia uszkodzenia zmęczeniowego hydrotermicznego warstwy wierzchniej kompozytów polimerowo-ceramicznych przeznaczonych do eksploatacji w węźle biotribologicznym

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper addresses the problem of assessing the operational quality of the surface layer (SL) of polymerceramic composites. These materials are used in conservative dentistry to reproduce geometrical features of human lateral teeth carrying the largest biomechanical loads. The chewing process causes that applications of these materials partly work in sliding friction conditions. Their durability in the biotribological node depends on the mechanical contact loads and is related to the influence of oral environment factors. In this study, we assessed the impact of cyclical hydro-thermal shocks, among others, related to the consumption of hot and cold food, on the condition of SL polymer-ceramic composites. In our own research, cyclic hydro-thermal shocks with cycle temperatures of 5–55°C were simulated. Evaluation of the remaining surface strength (after implementation of the hydro-thermal cycles) was made on the basis of microhardness measurements using the Vickers method. Calculations of the damage function value were made. It has been demonstrated that the durability curves depend on the number of fatigue cycles and the structure of the material. In addition, it has been shown that the phenomenological measure of SL damage, assuming accumulation of damage, is useful in the assessment of the operational quality of polymer-ceramic composites.

PL

W pracy podjęto problem oceny jakości eksploatacyjnej warstwy wierzchniej (WW) kompozytów polimerowoceramicznych. Tworzywa te są stosowane w stomatologii zachowawczej do odtwarzania cech geometrycznych zębów ludzkich bocznych, przenoszących największe obciążenia biomechaniczne. Proces żucia pokarmów powoduje, że aplikacje z tych tworzyw pracują częściowo w warunkach tarcia ślizgowego. Ich trwałość w węźle biotribologicznym zależy od obciążeń mechanicznych kontaktowych oraz związana jest z oddziaływaniem czynników środowiska jamy ustnej. W przedmiotowej pracy oceniono wpływ cyklicznych wstrząsów hydrotermicznych, związanych m.in. ze spożywaniem gorących i zimnych pokarmów, na stan WW kompozytów polimerowo-ceramicznych. W badaniach własnych symulowano cykliczne wstrząsy hydrocieplne o temperaturach cyklu 5–55°C. Oceny pozostałej wytrzymałości powierzchniowej (po realizacji cykli hydrotermicznych) dokonano na podstawie pomiarów mikrotwardości metodą Vickersa. Wykonano obliczenia wartości funkcji uszkodzenia. Wykazano, że krzywe trwałości zależą od liczby cykli zmęczeniowych oraz od struktury tworzywa. Ponadto wykazano, że fenomenologiczna miara uszkodzenia WW, zakładająca kumulację uszkodzeń, jest przydatna w ocenie jakości eksploatacyjnej kompozytów polimerowo-ceramicznych.

Słowa kluczowe

EN

microhardness; PMCCs; hydro-thermal fatigue

PL

mikrotwardość; PMCCs; zmęczenie hydro-termiczne

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2019
• Tom: nr 2
• Strony: 105--115
• Opis fizyczny: Bibliogr. 60 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Pieniak Daniel

• Department of Mechanics and Machine Building, University of Economics and Innovation in Lublin (WSEI), Projektowa 4 Street, 20-209 Lublin, Poland

autor

Kordos Paweł

• Institute of Transport, Combustion Engines and Ecology, Lublin University of Technology, Nadbystrzycka 36 Street, 20-618 Lublin, Poland

Bibliografia

• 1. Walczak A.: Badanie niezawodności kompozytów ceramiczno-polimerowych poddanych cyklicznym obciążeniom termicznym (praca doktorska) ITWL, Warszawa 2017.
• 2. Czech Z., Mincel E.: Światłoutwardzalne kompozyty zawierające akrylowane żywice wielofunkcyjne: skrócony przegląd literaturowy, Aparatura Badawcza i Dydaktyczna, vol. 20, 2015, pp. 270–275.
• 3. Gaglianone L. A., Lima A. F., Gonçalves L. S., Cavalcanti A. N., Baggio Aguiara F. H., Marchia G. M.: Mechanical properties and degree of conversion of etch-and-rinse and self-etch adhesive systems cured by a quartz tungsten halogen lamp and a light-emitting diode, Journal of Mechanical Behavior of Biomedical Materials, vol. 12, 2012, pp. 139–142.
• 4. Ozimina D., Ryniewicz A.: Eksploatacja systemów tribologicznych. T. 1, Znaczenie tribologii w eksploatacji obiektów technicznych (ed. D. Ozimina), Kielce 2013.
• 5. Eftekhari M., Fatemi A.: On the strengthening effect of increasing cycling frequency on fatigue behavior of some polymers and their composites: Experiments and modeling, International Journal of Fatigue, vol. 87, 2016, pp. 153–166.
• 6. Ayatollahi M. R., Yahya M. Y., Karimzadeh A., Nikkhooyifar M., Ayob A.: Effects of temperature change and beverage on mechanical and tribological properties of dental restorative composites, Materials Science and Engineering, C 54, 2015, pp. 69–75.
• 7. Musanje L., Ferracane J. L., Sakaguchi R. L.: Determination of the optima photoinitiator concentration in dental composites based on Essentials material properties, Dental Materials, vol. 25, 2009, pp. 994–1000.
• 8. Gale M. S., Darvell B. W.: Thermal cycling procedures for laboratory testing of dental restorations, Journal of Dentistry, vol. 27, 1999, pp. 89–99.
• 9. Stewardson D. A., Shortall A. C., Marquis P. M.: Light curing unit effectiveness assessed by dental radiometers, Journal of Dentistry, vol. 38, 2010, pp. 437–442.
• 10. Dziubak C., Rećko W. M.: Szok cieplny w tworzywach ceramicznych. Część I – Współczesne teorie szoku cieplnego, Prace Instytutu Szkła, Ceramiki, Materiałów Ogniotrwałych i Budowlanych, vol. 2, 2009, pp. 9–28.
• 11. Pampuch R.: Zarys nauki o materiałach. Materiały ceramiczne, PWN, Warszawa 1977.
• 12. Ashby M., Shercliff H., Cebon D.: Inżynieria materiałowa, Galaktyka, Łodź 2011.
• 13. Sideridou I., Achilias D., Kyrikou E.: Thermal expansion characteristic of light-cured dental resin and resin composites, Biomaterials, vol. 25, 2004, pp. 3087–3097.
• 14. Ferracene J. L., Palin W .M.: Effects of particulate filler systems on the properties and performance of dental polymer composites w Non–Metallic Biomaterials for Tooth Repair and Replacement (ed. P. Vallittu), Woodhead Publishing, Cambridge 2013.
• 15. Weroński A., Hejwowski T.: Thermal fatigue of metals, M. Dekker, New York 1991.
• 16. Jakowluk A.: Procesy pełzania i zmęczenia w materiałach, WNT, Warszawa 1993.
• 17. Żuchowski R.: Zmęczenie cieplne metali i elementów konstrukcji, Prace Naukowe Instytutu Materiałów i Mechaniki Technicznej PWr, nr 43, PWr, Wrocław 1981.
• 18. Niewczas A. M.: Laboratoryjne badania fizyko-mechanicznej degradacji kompozytowych wypełnień stomatologicznych oraz ocena ich trwałości, wyd. UM Lublin, Lublin 2012.
• 19. Pieniak D., Walczak A., Kordos P.: Comparative evaluation of thermal fatigue degradation of light-curing composites, Proceedings of the Institute of Vehicles Warsaw University of Technology, no. 3 of 103, 2015, pp. 105–113.
• 20. Pieniak D., Niewczas A., Kordos P.: Influence of thermal fatigue and ageing on the microhardness of polymerceramic composites for biomedical applications, Eksploatacja i Niezawodność – Maintenance and Reliability, vol. 14, pp. 181–188.
• 21. Topoliński T.: Analiza teoretyczna i badania kumulacji uszkodzeń zmęczeniowych konstrukcyjnych kompozytów polimerowych. Rozprawy nr 82, Bydgoszcz 1997.
• 22. Xu H., Eichmiller F., Smith D., Schumacher G., Giuseppetti A., Antonucci J.: Effect of thermal cycling of whiskers – reinforced dental resin composites, Journal of material science: Materials in Medicine, vol. 13, 2002, pp. 875–883.
• 23. Javaheri M., Seifi S. M., Aghazadeh Mohandesi J., Shafie F.: Compressive fatigue and thermal compressive fatigue of hybrid resin base dental composites. ICBME 2008, Proceedings, 23, 2009, pp. 1236–1240.
• 24. Lohbauer U., Belli R., Ferracene J. L.: Factors Involved in Mechanical Fatigue Degradation of Dental Resin Composites, J Dent Res, 92, 2013, pp. 584–591.
• 25. Kuciej M.: Temperatura i naprężenia termiczne w elementach ciernych podczas hamowania, Modelowanie Inżynierskie, vol. 40, 2010, pp. 147–154.
• 26. Kawakami Y., Takeshige F. Hayashi M., Ebisu S.: Fatigue of tooth–colored restoratives in aqueous environment. Dental Materials Journal, vol. 26, 2007, pp.1–6.
• 27. Li J., Li H., Foka A. S. L., Watts D. C.: Multiple correlations of material parameters of light-cured dental composites, Dental Materials, vol. 25 2009, pp. 829–836.
• 28. Ferracane J. L.: Correlation between hardness and degree of conversion during the setting reaction of unfilled dental restorative resins, Dental Materials, vol. 1, 1985, pp. 11–14.
• 29. Heintze S. D., Zellweger G., Zappini G.: The relationship between physical parameters and wear of dental composites, Wear, 263, 2007, pp. 1138–1146.
• 30. Versluis A., Tantbirojn D., Douglas W. H.: Do dental composites always shrink toward the light? Journal of Dental Research, vol. 77, 1998, pp. 1435–1445.
• 31. Hammouda I. M., Hagag E. A.: Evaluation the machanical properties of nanofiled composite resin restortive material, Journal of Biomaterials and Nanobiotechnology, vol. 3, 2012, pp. 238–242.
• 32. Sankarpandian M., Shobha H. K., Kalachandra S., McGrath J. E., Taylor D. F.: Characterization of some aromatic dimethacrylates for dental composite applications, J Mater Sci Mater Med, vol. 8, 1997, pp. 465–468.
• 33. Padmanabhan S. K., Balakrishnan A., Chu M., Kim T. N., Cho S. J.: Micro-indentation fracture behavior of human enamel, Dental Materials vol. 26, 2010, pp. 100–104
• 34. Fleming G .J. P., Awan M., Cooper P. R., Sloan A. J.: The potential of a resin-composite to be cured to a 4 mm depth. Dental Materials, vol. 24, 2008, pp. 522–529.
• 35. Szafran M., Bobryk E., Szczęsna B., Jałbrzykowski M.: Wpływ dodatku nanonapełniacza na właściwości mechaniczne i tribologiczne kompozytów ceramiczno-polimerowych do zastosowań stomatologicznych, Kompozyty (Composites), vol. 6, 2006.
• 36. Pereira S. G., Osorio R., Toledano M., Nunes T. G.: Evaluation of two Bis-GMA analogues as potential monomer diluents to improve the mechanical properties of light-cured composite resins, Dental Materials, vol. 21, 2005, pp. 823–830.
• 37. Ochelski S.: Metody doświadczalne mechaniki kompozytów konstrukcyjnych. WNT, Warszawa 2004.
• 38. Peris A. R., Mitsui F. H. O., Amaral C. M., Ambrosano G. M. B., Pimenta L. A. F.: The effect of composite type of microhardness when using quarto-tungsten-halogen (QTH) of LED lights, Oper Dent, vol. 30, 2005, pp. 649–654.
• 39. Dunn W. J., Bush A. C.: A comparison of polymerization by light-emitting diode and halogen-based light-curing units. J Am Dent Assoc, vol. 133, 2002, pp. 335–41.
• 40. Lodhi T. A.: Surface hardness of different shades and types of resin composite cred with a high Power LED light curing unit, University of Western Cape 2006.
• 41. Ritter J. E. Critique of test methods for lifetime predictions, Dental Materials, vol. 11, 1995, pp. 147–151.
• 42. Santerre J. P., Shaji Z., Leung B. W.: Relation of dental composite formulations to their degradation and release of hydrolyzed polymeric-resin-derived products, Crit Rev Oral Biol Med., vol. 12, 2001, pp. 136–151.
• 43. Hammouda I. M.: Effect of light-curing method on wear and hardness of composite resin, J Mech Behav Biomed Mater. vol. 3, 2010, pp. 216–222.
• 44. Andrzejczuk M., Lewandowska M., Kurzydłowski K. J.: Mechanical properties of light-cured composites reinforced with micro- and nanoparticle, Kompozyty (Composites), vol. 5, 2015, pp. 75–79.
• 45. Tuncer S., Demirci M., Tiryaki M., Ünlü N., Uysal Ö.: The effect of a modeling resin and thermocycling on the surface hardness, roughness, and color of different resin composites, Journal of Esthetic and Restorative Densitry, vol. 25, 2013, pp. 404–419.
• 46. De Souza R. O., Ozcan M., Michida S. M., de Melo R. M., Pavanelli C. A., Bottino M. A., Soares L. E., Martin, A. A.: Conversion degree of indirect resin composites and effect of thermocycling o their physical properties, Journal of Prosthodontics, vol. 19, 2010, pp. 218–225.
• 47. Pieniak D., Niewczas A. M., Walczak M., Zamościńska J.: Influence of photopolymerization parameters on the mechanical properties of polymer: ceramic composites applied in the conservative dentistry, Acta of Bioengineering and Biomechanics, vol. 16, 2014, pp. 29–35.
• 48. Asmussen E., Peutzfeldt A.: Influence of UEDMA, Bis-GMA and TEGDMA on selected mechanical properties of experimental resin composites, Dental Materials, vol. 14, 1998, pp. 51–56.
• 49. Ferracane J. L., Berge H. X. Condon Jr.: In vitro aging of dental composites in water-effect of degree of conversion, filler volume, and filler/matrix coupling, J of Biomed Mater Res., vol. 42, 1998, pp. 465–72.
• 50. Kelsey W. P., Latta M. A., Shaddy R. S., Stansilav C. M.: Physical properties of three packable resin-composite restorative materials, Oper Dent, vol. 25, 2000, pp. 331–335.
• 51. Manhart J., Kunzelmann K. H., Chen H. Y., Hickel R.: Mechanical properties of new composite restorative materials, J of Biomed Mater Res., vol. 53, 2000, pp. 353–361.
• 52. Palin W. M., Fleming G. J. P., Trevor Burke F. J., Marquis P. M., Randall R. C.: The reliability in flexural strength testing of a novel dental composite, Journal of Dentistry, vol. 31, 2003, pp. 549–557.
• 53. PN-EN ISO 4049:2003 Stomatologia. Polimerowe materiały do wypełnień, odbudowy i cementowania.
• 54. Bełzowski A.: Metoda oceny stopnia uszkodzenia kompozytów polimerowych, Kompozyty (Composites), 4/2002.
• 55. Imielińska K., Wojtyra R.: Wpływ absorpcji wody na właściwości laminatów winyloestrowych wzmocnionych włóknem aramidowym i szklanym, Kompozyty (Composites) 3/2003.
• 56. Finer Y., Santerre J. P.: The influence of resin chemistry on a dental composite’s biodegradation, Journal of Biomedical Materials Research Part A, vol. 69, 2004, pp. 233–246.
• 57. Janda R., Roulet J. F., Latta M., Ruttermann S.: Water sorption and solubility of contemporary resin-based filling materials, Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials, vol. 82, 2007, pp. 545–551.
• 58. Ammar-Khodja I., Picard C., Fois M., Marais C., Netchitalo P.: Preliminary results on thermo-oxidative ageing of multi-hole carbon/epoxy composites, Composites Science and Technology, vol. 69, 2009, pp. 1427–1431.
• 59. Sobków D., Barton J., Czaja K., Sudoł M., Mazoń B.: Badania odporności materiałów na działanie czynników środowiska naturalnego, Chemik, vol. 68, 2014, pp. 347–354.
• 60. Morresi A. L., D'Amario M., Monaco A., Rengo C., Grassi F. R., Capogreco M.: Effects of critical thermal cycling on the flexural strength of resin composites, Journal of Oral Science, vol. 57, 2015, pp. 137–143.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).