Caratteristiche chimico-fisiche, procedimenti estrattivi e produttivi

Io zirconio è l'elemento da cui deriva il diossido, comunemente chiamato zirconia. Il nome di questo elemento deriva dalla parola “persiana” zargun che significa dorata.

Il diossido di zirconio (ZrO₂) è un ossido cristallino bianco di zirconio, in tabella sono riassunte le caratteristiche principali.

Questo minerale può presentare diverse forme cristalline, la forma cubica che si forma a temperatura elevate ed è denominata zirconia cubica, si trova raramente in natura come minerale TAZHERANITE, viene invece più spesso sintetizzata in vari colori come pietra preziosa. (2) L'ossido del zirconio viene lavorato in forma presinterizzato ed è un materiale innovativo nel campo dentale che viene usato come sotto struttura per ponti, corone, ecc. L'ossido di zirconio viene ricavato, tramite processi chimici o per elettrofusione partendo da prodotti naturali, quali il silicato di zirconio e la baddeleyite; viene poi stabilizzato con diversi agenti fra cui i più usati sono MgO e Y₂O₃, dando origine a differenti tipologie di materiali.

Lo zirconio è stato scoperto dal chimico tedesco Martin Heinrich Klaproth, che per primo ha isolato un minerale di ossido di zirconio  nel 1789. Dopo 20 anni, William Justin Kroll di Lussemburgo ha inventato un processo più economico, con magnesio per abbattere il tetracloruro di zirconio, per ottenere lo zirconio metallico. Essendo  poco costoso, questo processo ha prodotto lo zirconio in grandi quantità e abbastanza puro per uso industriale.

L'ossido di zirconio, dopo la fresatura del materiale morbido avviene la sinterizzazione a 1350°C per circa 6 o 7 ore, quindi la zirconia diventa stabile e con  eccellenti caratteristiche meccaniche.  Lo zircone la cui formula chimica è ZrSiO₄, è uno dei materiali di partenza per ottenere la zirconia, questa è realizzata fondendo lo zircone con il coke e la calce fino a quando il silicio viene ridotto con leghe di ferro. L'ossido di zirconio è poi stabilizzato riscaldandolo a circa 1700°C. Infine per ricavare la zirconia essa viene trattata con acqua ossigenata. L'ossido di zirconio a temperatura ambiente si presenta come una polvere bianca inodore ed è una sostanza cristallina polimorfa: fino a 1170°C presenta struttura cristallina monoclina, da 1170°C a 2370°C una struttura cristallina tetragonale infine, oltre 2370°c presenta struttura cristallina cubica. Il punto di fusione è 2720°C. Durante il riscaldamento la trasformazione della struttura monoclinica a quella tetragonale avviene con una contrazione volumetrica di circa 5%. (3)(4)
Lo zirconio ha una bassa tossicità ed è classificato come non pericoloso per l’ambiente, si trova in rocce ignee come scisti sinite e granito. In queste rocce esiste nella forma di badeleyite che è l’ossido di zirconio.
Presenta un’ottima tenacità alla frattura, una buona flessibilità, basso coefficiente di attrito, una buona resistenza agli sbalzi termici, bassa conducibilità termica (il valore è tra i più bassi dei materiali ceramici disponibili) e una eccellente qualità di taglio. La zirconia è un materiale a bassissima radioattività ed è estremamente biocompatibile, tanto che viene usato nella protesi dell’anca. La zirconia lucidata meccanicamente ha una qualità migliore di quella glassata e ha un minore attecchimento batterico. Tale materiale, stabilizzato con ittrio, va in contro a due tipi di fenomeni: fase di tecnicizzazione e fase di degradazione a bassa temperatura.
Tra i pregi della zirconia va menzionato il fattore estetico non raggiungibile dai metalli interni, di traslucenza estetica, compatibilità biologica nonché il peso specifico ridotto. Inoltre un’altra grande qualità è la durezza e la resistenza alla flessione 1320 MPa, quindi permette di costruire ponti estesi dato che la struttura non subisce movimento sottoposto a temperature di ceramizzazione. (3)

Il cammino per ottenere la materia prima da cui ricavare la zirconia prevede tre passaggi:
1) Dalla sabbia di zirconio viene ricavata una polvere.
2) Poi si determinano le proprietà chimiche e fisiche di tale polvere (caratterizzazione).
3) Quindi, aggiungendo additivi, si influisce ulteriormente in modo mirato sulle proprietà del materiale.
Per ottenere ossido di zirconio in polvere vengono lavorati minerali provenienti da attività estrattive, da cui vengono poi eliminate eventuali impurità. Durante tale procedura, si aggiungono gli ossidi necessari per la stabilizzazione, di preferenza già durante la produzione della polvere, che si distribuiscono così in modo omogeneo. L’estrazione della polvere viene eseguita in tutto il mondo soltanto da pochissime aziende, poiché tale procedura richiede costosi impianti industriali con un’elevata capacità produttiva. I più importanti metodi di estrazione della polvere sono l’estrazione alcalina, la dissociazione, la clorurazione e la sintesi al plasma. Il metodo utilizzato influisce tra l’altro sulla struttura e la granulometria dell’ossido di zirconio e quindi anche sulle sue proprietà fisiche e chimiche.
L’estrazione alcalina è il metodo di sintesi più frequente per la produzione di ossido di zirconio. Tale metodo prevede la scomposizione del silicato di zirconio (ZrSiO₄) mediante fusione con idrossido di sodio (NaOH) a 650 °C oppure con carbonato di sodio (Na₂CO₃) a 1.050 °C, dando origine a sodio zirconato (NaZrO₃), silicato di sodio (NaSiO₃) e piccole quantità di sodio zirconato silicato (Na₂ZrSiO₅). Questa miscela viene disciolta in acqua, separando il silicato di sodio. I sali di zirconio residui vengono poi estratti dalla sospensione mediante filtrazione. L’ossido di zirconio che ne deriva viene infine sottoposto a ulteriore trattamento con acido cloridrico o acido solforico e ripulito così dalle impurità.
Non viene prodotto  l’ossido di zirconio puro, poiché i suoi cristalli sono metastabili e la loro struttura reticolare si modifica a seconda della temperatura. Per tale motivo i produttori controllano la trasformazione di fase aggiungendo ossidi di altri metalli. Ciò determina la stabilizzazione dell’ossido di zirconio nella fase desiderata.
Dopo l’estrazione e il trattamento, la polvere di ossido di zirconio viene pressata in blocchetti, cilindri o dischi. I metodi di modellazione per pressatura più comuni per la realizzazione di elementi grezzi destinati alle strutture dentali sono la pressatura a secco (pressatura monoassiale) e la pressatura isostatica a freddo. La pressatura a secco è più economica, poiché consente di realizzare un numero estremamente elevato di pezzi di forma prossima a quella finale.
In caso di pressatura isostatica, la distribuzione della densità risulta sostanzialmente più uniforme, e ciò aumenta l’affidabilità del componente.(5)

BIBLIOGRAFIA link:

2) https://www.ferylabor.be/engl/zircone.html#mat

3) https://www.odontoblog.net/index.php/2008/10/ossido-di-zirconio/

4) https://www.impladent.it/pdf/zirconia.pdf

5) https://heraeus-cara.de/it/fertigungsservice/werkstoffe/werkstoffe_im_fertigungszentrum.html

BIBLIOGRAFIA:

4) Prof. Roberto Scotti, Dott. Carlo Monaco Università di Bologna, Dipartimento di scienze odontostomatologiche - https://www.impladent.it/pdf/zirconia.pdf

BIBLIOGRAFIA TABELLE:

1) https://www.ing.unitn.it/~colombo/Materiali%20per%20l'implantologia%20dentale/6.%20Zirconia.htm