牙科用玻璃纤维增强复合树脂的研究
作者：周永明 施长溪 陈吉华 张水源
单位：西安第四军医大学口腔医学院(周永明 施长溪 陈吉华 )；山西省介休市铁四处职工医院 (张水源)
关键词：复合树脂类；丙烯酸树脂类；玻璃纤维
实用口腔医学杂志990306 〔摘要〕 目的：研究玻璃纤维增强丙烯酸树脂的力学性能。方法：将E玻璃纤维按61.97%、72.60%、77.68%(重量比)，与丙烯酸树脂制成单向玻璃纤维增强复合材料，并测试其弯曲强度、弯曲模量和面内剪切强度。结果：随着纤维比例的提高，复合材料的弯曲强度有显著性增加(P<0.05)，达(1329.46±85.13) MPa。72.60%组和77.68%组与61.91%组相比，弯曲模量提高非常显著(P<0.01)，达(34.06±3.58) GPa；面内剪切强度降低非常显著(P<0.01)，为(53.52±4.62) MPa。结论：玻璃纤维对丙烯酸树脂的弯曲性能具有增强作用。
, 百拇医药
Mechanical property reinforcement of composite resin by glass fibers
Zhou Yongming, Shi Changxi, Chen Jihua, et al. Dept. of Prosthodontiscs, Stomatological College, Fourth Military Medical University, Xi'an 710032
〔Abstract〕Objective: To study the possibility of mechanical property reinforcement of acrylic resin by glass fibers.Methods:61.97%, 72.60% and 77.68%(w/w) of E-glass fibers were added into acrylic resin respectively to prepare composite resin in a unilateral form. The transverse strength, shear strength and fracture load of the resins were measured.Result:The fracture load and Young's moduls of the composite resins were increased and the shear strength was decreased significantly with the increase of E-glass fiber amount (P<0.01). The highest fracture load and Young's moduls values were obtained in the composite resin with 77.68% E-glass fibers and were (1 329.46±85.13) MPa and (34.06±3.58) GPa respectively; while the lowest shear strength (53.52±4.62) MPa.Conclusion:The bending strength of composite resin can be reinforced and shear strength may be decreased by the incorporation of glass fibers.
, 百拇医药
Key words Composite resins; Acrylic resin; Glass fibers
纤维增强树脂基复合材料作为工程材料开始使用于本世纪30年代末，它具有低密度、高强度、高模量及耐腐蚀等优点，在飞机、船、汽车制造等领域获得广泛使用。近来随着新一代具有较高强度、硬度及与牙釉质相同的年磨损率的复合树脂的出现〔1〕，以纤维增强复合材料替代金属支架，制作固定桥修复成为可能。为此，我们研制了玻璃纤维增强牙用丙烯酸树脂复合材料，并对其机械性能进行测试。
1 材料与方法
1.1 材料
基质树脂 选用第四军医大学口腔医院材料室合成的EAM树脂(顺丁烯二酸酐改性的环氧—甲基丙烯酸酯)。
交联单体 选用市售EDMA单体(二甲基丙烯酸乙二醇酯)。
, 百拇医药
增强体 E—玻璃纤维(市售，单丝直径11 μm，KH-570前处理)。
1.2 成型工艺流程
1.2.1 胶液配制 胶液由基质树脂+交联单体+过氧化苯甲酰+……，按所需比例溶解、混合均匀即成。
1.2.2 纤维含量 按式 N=(h.ρf.Vf)/m计算预浸料叠合层数。N 预浸料层数；h 复合材料厚度；ρf 玻璃纤维密度；Vf 预定复合材料纤维体积含量；m 预浸料单位面积纤维质量。
1.2.3 工艺流程
玻璃纤维+胶液
单向纤维预浸料→晾置→裁剪→叠合→装模→热压固化→自然冷却→脱模→试件加工。
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1.3 测试方法
1.3.1 弯曲性能 按GB 3356-82标准，试件为40.0 mm×12.5 mm×2.0 mm ，每组6个。分别测量每个试件的实际宽度(b)、厚度(h)，ZMGI万能测试机(德国)跨距(L)：30 mm，加载压头的曲率半径：5 mm。
1.3.1.1 弯曲强度 加载速度：10 mm/min，加载至试件破坏，并记录破坏载荷值P(N)，按式3(PL)/(2bh2)计算弯曲强度。
1.3.1.2 弯曲模量 手动速度分级加载，级差为破坏载荷的5%，直至破坏载荷的50%，记录各级载荷与相应的挠度值，按式(△PL3)/(4bh3△f)计算弯曲模量。△P为载荷增量(N)，△f为对应于△P的跨距中点处的挠度(mm)。
1.3.2 短梁剪切强度 按GB3357-82标准，试件为20.0 mm×6.0 mm×2.0 mm，每组12个。分别测试每个试件的实际宽度及厚度，在德国产FMGW1000型万能测试机，跨距为10 mm，加载压头半径为2.0 mm，加载速度10 mm/min，加载至试件破坏，并记录最大载荷P值(N)。按式 3P/(4bh)计算面内剪切强度。
, 百拇医药
1.3.3 纤维含量 为确定复合材料的纤维含量，按GB2577-89标准，每组试件3个，650℃下恒温，直至全部碳消失。按式〔1-(m2-m3)〕/(m2-m1)×100。m1：坩埚质量；m2：坩埚和试样总质量；m3：灼烧后坩埚和残余物总质量。
2 结 果
2.1 纤维含量
3 组牙科用玻璃纤维增强复合树脂的纤维重量比为：A组：61.97%±2.01%；B组 72.60%±1.98%；C组 77.68%±0.68%。
2.2 弯曲性能测试结果(表1)
表1 玻璃纤维增强复合树脂弯曲性能 组别
弯曲弹性模量
, 百拇医药 (GPa)
弯曲破坏强度
(MPa)
A组
19.73±2.85
1144.84±75.33
B组
31.14±3.69
1235.28±54.95
C组
34.06±3.58
1329.46±85.13
, 百拇医药
A与B
P<0.01
P<0.05
A与C
P<0.01
P<0.01
B与C
P>0.05
P<0.05
2.3 面内剪切强度测试结果(表2)表2 玻璃纤维增强复合树脂的面内剪切强度(MPa) 实验项目
A
B
, 百拇医药
C
面内剪切强度
68.40±2.75
53.52±4.62
55.70±5.51
A与B、C 比P<0.01；B与C比P>0.05
3 讨 论
3.1 纤维增强机理
连续纤维在基体中呈同向平行等距排列的复合材料叫单向连续纤维增强的复合材料，从细观角度可将它看作两种材料构成的非均匀材料：与纤维平行的方向称为纵向，该方向的力学性能最强，与纤维垂直的方向称为横向。
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复合材料的选材，通常采用弯曲试验来做对比试验，这是因为试件弯曲时的应力状态较复杂，既有拉应力、又有压应力和剪应力，在局部区域内还有挤压应力，故它反映了材料的综合性能。三点加载受力时，材料中界面以上为压应力；以下为拉应力。压应力下的破坏与纤维的压缩屈曲有关，而屈曲受到周围树脂的限制，所以压缩强度主要取决于基体的弹性；拉应力下纤维是主要增强体，基体的作用是支撑和保护纤维〔2〕。在单向复合材料受弯时，其弯曲强度几乎都高于单向受压时的强度，这是由于受拉区的存在，纤维比较平直，受压纤维很难产生局部屈曲，受拉区和受压区的平均应力总是小于试件外侧的最大拉应力和最大压应力之故〔3〕。单向复合材料在纤维方向受拉时，低应力下，纤维有相同的伸长而不破坏，从而使各根纤维和沿每根纤维的应变都比较均匀，随着载荷增大，受力较大的纤维和有缺陷的纤维开始断裂，载荷转移给未破断的纤维，直至完全断裂〔2〕。因此，在聚合物基复合材料中，增强纤维的高强度、高模量特性，使其成为主要的承载体，它们依靠具有一定粘接性的基体材料牢固地粘接起来，形成一个整体而具有共同承载的能力。本研究显示，复合材料的弯曲性能随纤维含量的增加而提高。
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单向复合材料的力学性能特点之一是抗剪强度很低，只有抗弯强度的1/20。破坏的发生是由于基体剪切破坏、界面脱粘或者是二者联合作用。当制成复合材料后，由于气孔等缺陷的存在，受剪时裂纹沿抗剪能力较差的部位扩展，有时还与纤维中的裂纹相通，更使剪切强度下降。剪切强度与基体的性质和界面强度有关，其中基体中应力集中与纤维比例有关，在纤维含量较低时应力集中对纤维比例较不敏感，超过一定比例时，应力集中迅速增长〔3〕。本研究结果，A组剪切强度最高为(68.40±2.75) MPa；B、C二组剪切强度下降明显，可能是由于纤维含量增加后，导致剪切应力集中迅速增长所致。
3.2 临床应用前景
Malquarti〔4〕于1990 年报告，采用环氧/碳纤维复合材料作为支架，以新塑钢作为罩面材料，制作了冠、桥修复体，经三年的临床观察效果肯定。Viguie〔5〕对上述环氧/碳纤维复合材料的机械性能进行了测试，碳纤维重量比为60%时，单向环氧/碳纤维的弯曲弹性模量：(36.23±3.46) GPa；弯曲强度：(683.3±41.9) MPa。但临床应用并未广泛开展，可能是由于碳纤维的黑色，特别是环氧树脂的固化时间太长(8 h)限制了它的应用。
, 百拇医药
近年来，美国的JP公司、Kerr公司及列支敦士登的IVOCLAR公司相继推出新一代超耐磨复合材料，结合纤维增强技术，使无金属基底冠桥修复材料商品化。何国强〔6〕采用美国Kerr公司的“釉质瓷”固定修复材料，制作无金属基底物冠、桥修复体191件，一年成功率97.9%，取得满意修复效果。但是，有关牙用纤维增强复合材料的研究报告少见。
本研究研制的“牙用玻璃纤维增强复合树脂”采用EAM和常温下不易挥发的单体EDMA，以BPO作为引发剂保证了预浸料的存放时间，其固化条件为：120 ℃、10 min。完全满足临床操作需要。其弯曲强度远大于齿科用合金的屈服强度，但是由于其弯曲弹性模量约为齿科金合金的1/3，因而在用作固定桥支架时，应从三个方面考虑①缺牙间隙不能过大；②尽量用于
力较小的前牙；③适当增加材料龈向厚度。同时由于纤维增强材料的剪切强度仅为其弯曲强度的1/20，所以要避免连接体部位的复合材料受到剪切力。
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尽管纤维增强复合材料有其自身的局限性，但是以其优越的物理性能、便利的操作，将成为牙科美容固定修复的重要选择材料。
参考文献
1张雪华.釉质瓷修复.临床口腔医学杂志,1997,13(2)：125
2 D.赫尔 著.张双寅 译.复合材料导论.北京:中国建筑工业出版社, 1989.160,107
3 乔生儒 主编.复合材料细观力学性能.西安: 西北工业大学出版社,1997.29,34,35
4 Malquarti G,Berruet R G, Bois D. Prosthetic use of carbon fiber-reinforced epoxy resin for esthetic crowns and fixed partial dentures.J Prosthet Dent,1990,63:251
5 Viguie G, Malquarti G, Vincent B, et al.Epoxy/carbon composite resin in dentistry:Mechanical properties related to fiber reinforcements. J Prosthet Dent,1994,72:245
6 何国强,宁波,张玉林.釉质瓷的临床应用.临床口腔医学杂志, 1998,14(2)：112
(收稿：1998-06-26 修回：1998-10-21), http://www.100md.com
单位：西安第四军医大学口腔医学院(周永明 施长溪 陈吉华 )；山西省介休市铁四处职工医院 (张水源)
关键词：复合树脂类；丙烯酸树脂类；玻璃纤维
实用口腔医学杂志990306 〔摘要〕 目的：研究玻璃纤维增强丙烯酸树脂的力学性能。方法：将E玻璃纤维按61.97%、72.60%、77.68%(重量比)，与丙烯酸树脂制成单向玻璃纤维增强复合材料，并测试其弯曲强度、弯曲模量和面内剪切强度。结果：随着纤维比例的提高，复合材料的弯曲强度有显著性增加(P<0.05)，达(1329.46±85.13) MPa。72.60%组和77.68%组与61.91%组相比，弯曲模量提高非常显著(P<0.01)，达(34.06±3.58) GPa；面内剪切强度降低非常显著(P<0.01)，为(53.52±4.62) MPa。结论：玻璃纤维对丙烯酸树脂的弯曲性能具有增强作用。
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Mechanical property reinforcement of composite resin by glass fibers
Zhou Yongming, Shi Changxi, Chen Jihua, et al. Dept. of Prosthodontiscs, Stomatological College, Fourth Military Medical University, Xi'an 710032
〔Abstract〕Objective: To study the possibility of mechanical property reinforcement of acrylic resin by glass fibers.Methods:61.97%, 72.60% and 77.68%(w/w) of E-glass fibers were added into acrylic resin respectively to prepare composite resin in a unilateral form. The transverse strength, shear strength and fracture load of the resins were measured.Result:The fracture load and Young's moduls of the composite resins were increased and the shear strength was decreased significantly with the increase of E-glass fiber amount (P<0.01). The highest fracture load and Young's moduls values were obtained in the composite resin with 77.68% E-glass fibers and were (1 329.46±85.13) MPa and (34.06±3.58) GPa respectively; while the lowest shear strength (53.52±4.62) MPa.Conclusion:The bending strength of composite resin can be reinforced and shear strength may be decreased by the incorporation of glass fibers.
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Key words Composite resins; Acrylic resin; Glass fibers
纤维增强树脂基复合材料作为工程材料开始使用于本世纪30年代末，它具有低密度、高强度、高模量及耐腐蚀等优点，在飞机、船、汽车制造等领域获得广泛使用。近来随着新一代具有较高强度、硬度及与牙釉质相同的年磨损率的复合树脂的出现〔1〕，以纤维增强复合材料替代金属支架，制作固定桥修复成为可能。为此，我们研制了玻璃纤维增强牙用丙烯酸树脂复合材料，并对其机械性能进行测试。
1 材料与方法
1.1 材料
基质树脂 选用第四军医大学口腔医院材料室合成的EAM树脂(顺丁烯二酸酐改性的环氧—甲基丙烯酸酯)。
交联单体 选用市售EDMA单体(二甲基丙烯酸乙二醇酯)。
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增强体 E—玻璃纤维(市售，单丝直径11 μm，KH-570前处理)。
1.2 成型工艺流程
1.2.1 胶液配制 胶液由基质树脂+交联单体+过氧化苯甲酰+……，按所需比例溶解、混合均匀即成。
1.2.2 纤维含量 按式 N=(h.ρf.Vf)/m计算预浸料叠合层数。N 预浸料层数；h 复合材料厚度；ρf 玻璃纤维密度；Vf 预定复合材料纤维体积含量；m 预浸料单位面积纤维质量。
1.2.3 工艺流程
玻璃纤维+胶液
单向纤维预浸料→晾置→裁剪→叠合→装模→热压固化→自然冷却→脱模→试件加工。, http://www.100md.com
1.3 测试方法
1.3.1 弯曲性能 按GB 3356-82标准，试件为40.0 mm×12.5 mm×2.0 mm ，每组6个。分别测量每个试件的实际宽度(b)、厚度(h)，ZMGI万能测试机(德国)跨距(L)：30 mm，加载压头的曲率半径：5 mm。
1.3.1.1 弯曲强度 加载速度：10 mm/min，加载至试件破坏，并记录破坏载荷值P(N)，按式3(PL)/(2bh2)计算弯曲强度。
1.3.1.2 弯曲模量 手动速度分级加载，级差为破坏载荷的5%，直至破坏载荷的50%，记录各级载荷与相应的挠度值，按式(△PL3)/(4bh3△f)计算弯曲模量。△P为载荷增量(N)，△f为对应于△P的跨距中点处的挠度(mm)。
1.3.2 短梁剪切强度 按GB3357-82标准，试件为20.0 mm×6.0 mm×2.0 mm，每组12个。分别测试每个试件的实际宽度及厚度，在德国产FMGW1000型万能测试机，跨距为10 mm，加载压头半径为2.0 mm，加载速度10 mm/min，加载至试件破坏，并记录最大载荷P值(N)。按式 3P/(4bh)计算面内剪切强度。
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1.3.3 纤维含量 为确定复合材料的纤维含量，按GB2577-89标准，每组试件3个，650℃下恒温，直至全部碳消失。按式〔1-(m2-m3)〕/(m2-m1)×100。m1：坩埚质量；m2：坩埚和试样总质量；m3：灼烧后坩埚和残余物总质量。
2 结 果
2.1 纤维含量
3 组牙科用玻璃纤维增强复合树脂的纤维重量比为：A组：61.97%±2.01%；B组 72.60%±1.98%；C组 77.68%±0.68%。
2.2 弯曲性能测试结果(表1)
表1 玻璃纤维增强复合树脂弯曲性能 组别
弯曲弹性模量
, 百拇医药 (GPa)
弯曲破坏强度
(MPa)
A组
19.73±2.85
1144.84±75.33
B组
31.14±3.69
1235.28±54.95
C组
34.06±3.58
1329.46±85.13
, 百拇医药
A与B
P<0.01
P<0.05
A与C
P<0.01
P<0.01
B与C
P>0.05
P<0.05
2.3 面内剪切强度测试结果(表2)表2 玻璃纤维增强复合树脂的面内剪切强度(MPa) 实验项目
A
B
, 百拇医药
C
面内剪切强度
68.40±2.75
53.52±4.62
55.70±5.51
A与B、C 比P<0.01；B与C比P>0.05
3 讨 论
3.1 纤维增强机理
连续纤维在基体中呈同向平行等距排列的复合材料叫单向连续纤维增强的复合材料，从细观角度可将它看作两种材料构成的非均匀材料：与纤维平行的方向称为纵向，该方向的力学性能最强，与纤维垂直的方向称为横向。
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复合材料的选材，通常采用弯曲试验来做对比试验，这是因为试件弯曲时的应力状态较复杂，既有拉应力、又有压应力和剪应力，在局部区域内还有挤压应力，故它反映了材料的综合性能。三点加载受力时，材料中界面以上为压应力；以下为拉应力。压应力下的破坏与纤维的压缩屈曲有关，而屈曲受到周围树脂的限制，所以压缩强度主要取决于基体的弹性；拉应力下纤维是主要增强体，基体的作用是支撑和保护纤维〔2〕。在单向复合材料受弯时，其弯曲强度几乎都高于单向受压时的强度，这是由于受拉区的存在，纤维比较平直，受压纤维很难产生局部屈曲，受拉区和受压区的平均应力总是小于试件外侧的最大拉应力和最大压应力之故〔3〕。单向复合材料在纤维方向受拉时，低应力下，纤维有相同的伸长而不破坏，从而使各根纤维和沿每根纤维的应变都比较均匀，随着载荷增大，受力较大的纤维和有缺陷的纤维开始断裂，载荷转移给未破断的纤维，直至完全断裂〔2〕。因此，在聚合物基复合材料中，增强纤维的高强度、高模量特性，使其成为主要的承载体，它们依靠具有一定粘接性的基体材料牢固地粘接起来，形成一个整体而具有共同承载的能力。本研究显示，复合材料的弯曲性能随纤维含量的增加而提高。
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单向复合材料的力学性能特点之一是抗剪强度很低，只有抗弯强度的1/20。破坏的发生是由于基体剪切破坏、界面脱粘或者是二者联合作用。当制成复合材料后，由于气孔等缺陷的存在，受剪时裂纹沿抗剪能力较差的部位扩展，有时还与纤维中的裂纹相通，更使剪切强度下降。剪切强度与基体的性质和界面强度有关，其中基体中应力集中与纤维比例有关，在纤维含量较低时应力集中对纤维比例较不敏感，超过一定比例时，应力集中迅速增长〔3〕。本研究结果，A组剪切强度最高为(68.40±2.75) MPa；B、C二组剪切强度下降明显，可能是由于纤维含量增加后，导致剪切应力集中迅速增长所致。
3.2 临床应用前景
Malquarti〔4〕于1990 年报告，采用环氧/碳纤维复合材料作为支架，以新塑钢作为罩面材料，制作了冠、桥修复体，经三年的临床观察效果肯定。Viguie〔5〕对上述环氧/碳纤维复合材料的机械性能进行了测试，碳纤维重量比为60%时，单向环氧/碳纤维的弯曲弹性模量：(36.23±3.46) GPa；弯曲强度：(683.3±41.9) MPa。但临床应用并未广泛开展，可能是由于碳纤维的黑色，特别是环氧树脂的固化时间太长(8 h)限制了它的应用。
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近年来，美国的JP公司、Kerr公司及列支敦士登的IVOCLAR公司相继推出新一代超耐磨复合材料，结合纤维增强技术，使无金属基底冠桥修复材料商品化。何国强〔6〕采用美国Kerr公司的“釉质瓷”固定修复材料，制作无金属基底物冠、桥修复体191件，一年成功率97.9%，取得满意修复效果。但是，有关牙用纤维增强复合材料的研究报告少见。
本研究研制的“牙用玻璃纤维增强复合树脂”采用EAM和常温下不易挥发的单体EDMA，以BPO作为引发剂保证了预浸料的存放时间，其固化条件为：120 ℃、10 min。完全满足临床操作需要。其弯曲强度远大于齿科用合金的屈服强度，但是由于其弯曲弹性模量约为齿科金合金的1/3，因而在用作固定桥支架时，应从三个方面考虑①缺牙间隙不能过大；②尽量用于
力较小的前牙；③适当增加材料龈向厚度。同时由于纤维增强材料的剪切强度仅为其弯曲强度的1/20，所以要避免连接体部位的复合材料受到剪切力。, http://www.100md.com
尽管纤维增强复合材料有其自身的局限性，但是以其优越的物理性能、便利的操作，将成为牙科美容固定修复的重要选择材料。
参考文献
1张雪华.釉质瓷修复.临床口腔医学杂志,1997,13(2)：125
2 D.赫尔 著.张双寅 译.复合材料导论.北京:中国建筑工业出版社, 1989.160,107
3 乔生儒 主编.复合材料细观力学性能.西安: 西北工业大学出版社,1997.29,34,35
4 Malquarti G,Berruet R G, Bois D. Prosthetic use of carbon fiber-reinforced epoxy resin for esthetic crowns and fixed partial dentures.J Prosthet Dent,1990,63:251
5 Viguie G, Malquarti G, Vincent B, et al.Epoxy/carbon composite resin in dentistry:Mechanical properties related to fiber reinforcements. J Prosthet Dent,1994,72:245
6 何国强,宁波,张玉林.釉质瓷的临床应用.临床口腔医学杂志, 1998,14(2)：112
(收稿：1998-06-26 修回：1998-10-21), http://www.100md.com