Applicazioni dello Zirconio e della Zirconia. Applicazioni Odontotecniche e confronto con le altre leghe

PROPRIETÀ E APPLICAZIONI DELLA ZIRCONIA E DELLO ZIRCONIO

ZIRCONIA (ZrO₂)

La zirconia, come ossido puro, non si verifica in natura, ma si trova in baddeleite e zircone(ZrSiO₄) che costituiscono le principali fonti per il materiale.  Tra questi due, lo zircone è di gran lunga il più diffuso, ma è meno puro e richiede una notevole quantità di elaborazione per produrre zirconia. La lavorazione della zirconia comporta la separazione e la rimozione di materiali indesiderati e impurità - nel caso di zircone - silice, e per gli ossidi baddeleite, ferro e titanio.   Ci sono diversi percorsi per l'estrazione di zirconia e zircone, tra cui:

•          Clorazione
•          Alcali decomposizione dell'ossido
•          Lime di fusione
•          Plasma dissociazione.
Pure la zirconia esiste nella forma monoclina a temperatura ambiente.   Fasi cubica e tetragonale sono stabili anche a temperature più elevate.   La trasformazione di monoclino a zirconia cubico avviene a 800-1000 ° C ed è accompagnata da un grande cambiamento nella dimensione reticolare. Una conseguenza di questo cambiamento di fase è un grande volume di espansione sul raffreddamento che rendono la fabbricazione di ceramiche di zirconia pura impossibili. Al fine di produrre componenti zirconia, è necessario 'bloccare' il materiale interamente o parzialmente nella forma cubica con l'uso di additivi o stabilizzanti. L'aggiunta di quantità variabili di stabilizzanti cubici quali CaO, MgO, e Y₂O₃ permette la formazione di zirconia parzialmente stabilizzata che, combinata con variazioni di elaborazione, dimostra proprietà eccezionali in ceramica e trova spazio in un certo numero di areedi applicazione.

PROPRIETÀ PRINCIPALI

Le proprietà tipiche di ossido di zirconio comunemente utilizzate sono:
•          Elevata resistenza
•          Elevata tenacità alla frattura
•          Eccellente resistenza all'usura
•          Elevata  durezza
•          Eccellente resistenza chimica
•          Alta tenacità
•          Refrattarietà
•          Buon conduttore di ioni di ossigeno .
Le proprietà esibite dalla zirconia  in ceramica dipendono dal grado e tipo di stabilizzazione e sul trattamento utilizzato. Le proprietà tipiche per vari tipi di zirconia sono riportati nella tabella 1.

Tabella 1 - Proprietà meccaniche della zirconia.

APPLICAZIONI DELLA ZIRCONIA

COLTELLI E FORBICI

Uno dei problemi principali di coltelli e forbici di metallo utilizzati con materiali resistenti come il kevlar o il taglio di grandi quantità di carta (che spesso contengono minerali dispersi) è l'abrasione o ottundimento del tagliente. A tali applicazioni, come alternativa, i materiali di zirconia risultano più vantaggiosi, in quanto rimangono affilati più a lungo.

Le proprietà chiave che rendono zirconia un materiale adatto per questa applicazione sono:

• Alta resistenza e tenacità associata ad una elevata durezza (più duri dei materiali tagliati)
• Granulometria fine di modo che possa essere ottenuto un bordo affilato microscopicamente
• L'effetto della tempra che ne migliora la  trasformazione sul bordo lavorato della lama.

Altre applicazioni simili, includono lame per il taglio di film plastico, nastro magnetico e di altri materiali duri o abrasivi. La zirconia è utilizzata anche in utensili da taglio compositi e ruote abrasive.

GUARNIZIONI,VALVOLE E GIRANTI DELLA POMPA

La manipolazione e il trasporto di liquami e sostanze chimiche aggressive risulta essere un problema per molti materiali. Le alte temperature e il flusso ad alta pressione, portano a condizioni estremamente aggresive e abrasive.
Le proprietà chiave che rende zirconia un materiale adatto a questa applicazione sono:

• Resistenza chimica
• Elevata durezza di resistenza all'usura
• Buona finitura superficiale per resistere ad incrostazioni e per ridurre al minimo l'attrito su superfici di scorrimento
• Elevata tenacità per impedire danni durante il montaggio o da impatto durante il funzionamento.

IMPIANTI ORTOPEDICI

La zirconia è utilizzata come componente della testa del femore nelle protesi dell'anca. La sua elevata resistenza ed elevata tenacità, permettono all'anca di essere realizzata in dimensioni minori, tali da consentire un maggior grado di articolazione. La capacità di essere lucidata per una elevata finitura superficiale, permette anche un basso attrito del giunto, così da ottenere fabbricati inseribili in articolazioni come l'anca. L'inerzia chimica del materiale nell'ambiente fisiologico in cui si trovano le protesi, riduce il rischio di infezioni. Una caratteristica importante dalla zirconia utilizzata in applicazioni biomedicali è che deve  essere fabbricata con materiali a bassa radioattività.

APPLICAZIONI REFRATTARIE

La zirconia (monoclina e parzialmente stabilizzata) in polvere viene usata in composizioni refrattarie per migliorare, la resistenza allo shock termico e la resistenza all'abrasione. Questi materiali sono usati in applicazioni intolleranti come piastre porta battente in acciaio a scorrimento e in applicazioni ad immersione in acciaio, come canne da fermo e come componenti in ugelli a entrata sommersa. Altre applicazioni refrattarie per zirconia includono fibre isolanti e barriere termiche.

APPLICAZIONI ELETTRONICHE

Le applicazioni elettroniche ed elettriche della zirconia si basano sull’elevata conduttività elettronica e l'elevata conducibilità ionica dell'ossigeno del materiale completamente stabilizzato. Questo permette al materiale di essere usato come:

• Elementi di resistenza
• Sensori di ossigeno che operano sul principio della cella di Nernst
• Elettrolita nelle celle a combustibile ad ossidi solidi.

PIETRE PREZIOSE SINTETICHE

Fondendo la zirconia con droganti e tramite ricristallizzazioni durante il raffreddamento, possono essere prodotte pietre preziose che simulano il diamante, rubino, topazio e smeraldo. Questi materiali sono comunemente noti come zirconi.

ALTRE APPLICAZIONI

Grazie alla sua eccellente resistenza all'usura, l’ossido di zirconio viene utilizzato come guida/filo, albero di distribuzione e trafilatura. È anche usato come catodo per torce al plasma e come agente di nucleazione per vetroceramica.
 

ZIRCONIO – Zr

Le discrete caratteristiche meccaniche, l'elevato punto di fusione, l'eccellente comportamento alla corrosione umida già farebbero dello zirconio un metallo utile e richiesto per numerose applicazioni, se non esistessero notevoli difficoltà per la sua estrazione e fosse quindi possibile produrlo a basso costo. Per ora, grazie alla sua modesta sezione di cattura per neutroni termici, viene quasi esclusivamente impiegato nell'industria nucleare, sotto forma di leghe con Sn(0,3 ÷ 1,5%) - Fe(0,1 ÷ 0,3%) - Cr(0,1%) note con il nome commerciale di "zircaloy", come materiale per le camicie degli elementi combustibili e per parti strutturali del nocciolo dei reattori raffreddati ad acqua o sodio. In questo caso però lo zirconio deve essere esente da afnio, un'impurezza che in natura sempre lo accompagna, e ciò complica ulteriormente il suo processo di estrazione e ne aumenta oltretutto di molto i costi. Impieghi minori delle leghe zircaloy si hanno nell'industria chimica per la costruzione di scambiatori di calore, pompe, serbatoi, ecc., esposti all'azione di agenti particolarmente corrosivi. Il metallo viene anche usato come getter per valvole e tubi elettronici, come desossidante e affinante della grana cristallina, in particolari acciai, e infine come alligante, in tenori di 0,1 ÷ 1%, in alcune leghe di magnesio. La possibilità di poterne, però, ampliare notevolmente le applicazioni ha spinto da tempo a studiarne a fondo la metallurgia. Attualmente dallo zircone, uno dei suoi minerali più diffusi, si ricava con procedimenti diversi e alquanto complessi un prodotto ricco di zirconio, come metallo molto grezzo, o carburo o altro composto, e sul quale, se necessario, si è già operata la separazione dell'afnio. Da questo prodotto con un procedimento metallo-alogeno termico, del tutto simile per modalità e apparecchiature al processo Kroll, che si applica per il titanio, si ottiene il metallo. In alternativa a questo processo si sono anche tentati i metodi elettrolitici, basati cioè sull'elettrolisi di sali di zirconio (fluozirconati, cloruro, ecc.) in bagno di sali fusi o in soluzione acquosa (2).

LO ZIRCONIO IN ODONTOTECNICA

Ormai tutto fa sembrare che la nuova linea di manufatti protesici che ci condurrà al futuro dell’odontotecnica, e di quella parte del settore dentale che si occupa di protesica, sia rappresentata da quel materiale bianco e pulito che è l’ossido di zirconio. La lavorazione dell'ossido di zirconio per il dentale già da un po’ di tempo ne rappresenta una buona parte dei manufatti protesici prodotti dai  laboratori odontotecnici, (semilavorati in ossido di zirconio). La zirconia sempre più si presta a sostituire quella parte delle lavorazioni odontotecniche in cui il materiale per eccellenza da sempre è stato rappresentato dai metalli, (leghe preziose, Cr-Co, titanio,ecc.), come strutture per ponti in ceramica, barre fresate, ma anche nelle componenti implantari come ad esempio la costruzione di abutment in ossido di zirconio, sia prodotti in serie dall’industria che personalizzati. A determinare il successo dello ossido di zirconio sono senza dubbio le sue caratteristiche di biocompatibilità nel cavo orale che non teme confronti sul mercato dei materiali odontotecnici, ma ovviamente anche le sue caratteristiche dovute al colore del materiale molto vicino a quello dei denti naturali, che permette se lavorato da persone esperte di integrarsi in modo eccellente nel cavo orale. Ancora sull'ossido di zirconio c’è da dire che l’alta stabilità del materiale durante i cicli di lavorazione e l’elevata resistenza e solidità nei carichi masticatori  che si producono durante le funzioni nel cavo orale lo rende utilizzabile in molte soluzioni protesiche. Le caratteristiche della zirconia gli danno  delle  possibilità di lavorazione inesauribili,  infatti con la zirconia si possono effettuare tantissimi tipi di struttura, questa possibilità della zirconia è dovuta anche dall’introduzione nel settore dentale della tecnologia CAD-CAM, che ne ha decretato il successo nelle riabilitazioni protesiche del cavo orale, è infatti proprio grazie quest’ultima che si è implementata la lavorabilità di questo materiale. Molto è stato fatto  per l'ossido di zirconio in odontotecnica  non solo dall’industria che ha prodotto macchine e software sempre più evoluti e dalle possibilità più allargate, ma anche dagli odontotecnici che con tenacia ed esperienza hanno contribuito ad esplorare sempre nuovi territori, a proporre nuove applicazioni, soluzioni e tecniche di lavorazione. In molte riviste dedicate al settore dentale così come in moltissimi eventi si moltiplicano gli articoli e i corsi dedicati alla lavorazione dell'ossido di zirconio, moltissimi sono gli odontotecnici di fama internazionale a cui si aggiungono le nuove leve, che propongono soluzioni e tecniche di lavorazione della zirconia, alcune  di esse anche molto coraggiose ed estreme. Altri ancora sono stati dei veri pionieri sull’introduzione dell'ossido di zirconio nel mondo dentale, alcuni collaborando con l’industria altri ancora sono stati  dei veri inventori come l’odontotecnico Enrico Steger  che è stato il creatore della fresatura manuale dell'ossido di zirconio con  il suo rivoluzionario  Zirkonzahn. Negli ultimi tempi stiamo assistendo ad una evoluzione dell'ossido di zirconio, di cui  l'ossido di zirconio prettau  rappresenta il materiale d'elite. Con esso si può produrre un ponte in zirconia integrale, sul quale con delle tecniche di infiltrazione nella fase di sinterizzazione , e con tecnica di pittura superficiale, magari  integrando il tutto con una leggera stratificazione di ceramica smalto ed opalescenti è possibile realizzare dei ponti in zirconia e ceramica di prestigio. Altra tecnica che si sta diffondendo, che sta dando ottimi riscontri è quella della pressatura di ceramica su strutture in zirconia affiancata alla tecnica di pittura superficiale per una maggiore integrazione e mimesi nell’arcata dentaria del paziente.

CONFRONTO DELLA ZIRCONIA CON LEGHE METALLICHE

La zirconia è una ceramica ad alte prestazioni che viene usata come materiale per impianti e per la riabilitazione orale sostituendo il metallo. Le misurazioni della radioattività non hanno mostrato nessun aumento nella zirconia, confrontata con la normale radioattività dell'osso umano.  Per il suo colore bianco simile al dente, la zirconia è esteticamente superiore alle leghe metalliche, soprattutto in aree estetiche come il bordo vicino alla gengiva e nei denti anteriori. A differenza di metalli e leghe metalliche non si forma corrosione, anche se si consumano dei cibi agrodolci. In più la zirconia non è un termo-conduttore e così non irrita il nervo del dente. Il modulo di elasticità è simile alla molla di acciaio duro usato per i ganci delle protesi (dato che e il più elastico delle leghe usate in bocca) e ci permette di eseguire dei ponti di travata lunga. Sulla superficie liscia non è facile per i batteri attaccarsi, così risulta anche prevenire le carie secondarie o le infiammazioni attorno agli impianti, le cosiddette periimplantiti. Al contrario del Titanio, non viene aggredita e alterata dal Fluoro usato comunemente nei gel o nei dentifrici per la cosmesi orale e la prevenzione della carie. L’ossido di zirconio è molto leggero, ma estremamente resistente (le corone in zirconio sono resistente al 50% in più d icorone in ceramica senza metallo.) e si associa alla durezza dell'acciaio e alla biocompatibilità del titanio. La zirconia ha il colore bianco e superficie particolarmente liscia, queste caratteristiche favoriscono una buona estetica. Le corone in zirconio limitano l’adesione della placca batterica, non causa nessun tipo di allergia. L'ossido di zirconio non è trasparente alla luce, a differenza del ceramica pura, pertanto è adatto a ricoprire i denti che sono diventati grigi e conferisce alle protesi dentali un aspetto più luminoso e naturale che comporta una perfetta integrazione nel sorriso dei pazienti. Una corona in zirconio possiede anche una bassa conducibilità termica (perché è senza parti metalliche) e permette di mangiare cibi caldi e freddi senza provare sensazioni spiacevoli causate dalla temperatura (3).

BIBLIOGRAFIA link:

2) https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=133

3) https://www.dentalovers.com/14/

https://www.tapparo.com/cer_zirc.php

https://www.traveltodentist.com/corona_in_zirconio_il_futuro_della_odontoiatria_estetica.html#.UX_s4EpwbxU

BIBLIOGRAFIA:

1) G. L. Miller, Zirconium, New York 1957; W. B. Blumenthal, J. D. Roach, Zirconium, in Kirk-Othmer, Encyclopedia of chemical technology, vol. 22, 19702.

BIBLIOGRAFIA tabelle:

1) https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=133
2) https://www.lenntech.it/periodica/elementi/zr.htm#ixzz2Ra4mqLVG