ผู้ใช้:Thapanee.sr/กระบะทราย

กลาสเซรามิก (Glass-Ceramics)

กลาสเซรามิกเป็นวัสดุขั้นสูง (Advance Materials) ที่มีความแตกต่างจากแก้วโดยทั่วไป ทั้งสมบัติและการนำไปใช้งาน แต่กลาสเซรามิกจะต้องทำการขึ้นรูปเป็นแก้วมาก่อนแล้วนำมาผ่านกระบวนการทางความร้อน (Heat treatment) จากแก้วที่ใสมีโครงสร้างแบบอสัญฐาน (Amorphous) เป็นกลาสเซรามิกที่ขุ่นมีโครงสร้างแบบผลึก (Crystal) ดังนั้นหากสามารถขึ้นรูปแก้วด้วยวิธีใดได้ก็จะสามารถใช้วิธีการขึ้นรูปนั้นเป็นกลาสเซรามิกได้เช่นกัน สิ่งสำคัญที่สุดของการจะเปลี่ยนแก้วเป็นกลาสเซรามิกนั้น จะต้องมีส่วนผสมของสารก่อผลึก (Nucleating agent) อยู่ในแก้วนั้นๆด้วย สารก่อผลึกเหล่านี้จะช่วยสร้างนิวเคลียส และเป็นแกนกลางให้เนื้อแก้วส่วนอื่นๆ มาเกาะให้ผลึกเติบโตขึ้น สารก่อผลึกที่นิยมใช้ เช่น TiO2, P2O5, ZrO2 [1] และ CeO2 [2] เนื่องจากกลาสเซรามิกมีสมบัติที่พิเศษกว่าแก้วจึงนิยมนำมาใช้ประโยชน์หลากหลายไม่ว่าในอุตสาหกรรมการบิน เช่น อุปกรณ์ตรวจจับเรดาร์บริเวณกรวยจมูก (Nosecones) ของเครื่องบินและจรวจ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทางเสียง (Acoustics) ทางแสง (Optics) ทางกลศาสตร์ (Mechanics) และทางชีววิทยา (Biology) เช่น ช่องขนาดเล็กในเส้นใยแก้วนำแสง, หัวของเครื่องพิมพ์อิงค์เจ็ทสำหรับเซนเซอร์ความดันและระบบสัญญาณเสียงในหูฟังโทรศัพท์ (Head-Phones) นอกจากนี้ยังมีอุปกรณ์และภาชนะเครื่องครัวที่ใช้เป็นแผ่นรองให้ความร้อนของเตาหุงต้ม ภาชนะใส่อาหารเป็นต้น เนื่องจากสมบัติเด่นของกลาสเซรามิก คือ มีการขยายตัวทางความร้อนต่ำ มีความทนทานต่ออุณหภูมิสูง มีความเสถียรเชิงกลที่สูง และเป็นวัสดุได้รับการควบคุมการส่งผ่านรังสีอินฟราเรดที่ดี มีความเหนียวไม่เปราะหรือแตกง่ายแบบเซรามิก หรือ แก้วทั่วไป [3-4] นอกจากประโยชน์และการนำไปใช้งานที่กล่าวมาข้างต้นแล้ว งานทางด้านการแพทย์และสาธารณสุขยังมีการนำมาประยุกต์ใช้ในหลายๆด้าน ด้วยสมบัติพิเศษ สามารถเข้าได้กับร่างกายมนุษย์ (Biocompatible) มีสมบัติความเฉื่อยทางชีวภาพ (Bio inert) ไม่ย่อยสลายหรือทำปฏิกิริยากับสภาวะในร่างกาย (Chemical solubility) บางตัวยังมีการตอบสนองทางชีวภาพในร่างกาย (Bioactive) หรือบางประเภทสามารถทำปฏิกิริยากับของเหลวในร่างกาย และเกิดการสลายตัว (Bioresorbable) จึงนิยมนำมาทำเป็นวัสดุทดแทนกระดูก แต่ที่มีบทบางมากในปัจจุบันและเป็นที่นิยมกันอย่างแพร่หลายคือ ใช้ทำเป็นวัสดุบูรณะทางทันตกรรม และถือว่าเป็นวัสดุที่สำคัญมากต่อการบูรณะฟัน ทั้งนี้เนื่องจากมีสมบัติที่สามารถเข้าได้กับร่างกายมนุษย์ มีความงาม (Aesthetic) ที่ดีเยี่ยม มีสมบัติทางกลที่ดี สามารถนำไปใช้เป็นวัสดุบูรณะฟันแบบอุดฝัง (Inlay) อุดครอบ (Onlay) ครอบฟัน (Crown) แผ่นครอบปิดหน้าฟัน (Veneer) สะพานฟัน (Bridge) และแกนฟัน (Core) นอกจากนี้สมบัติของกลาสเซรามิกที่นำมาใช้ในทางทันตกรรมนั้น มีสมบัติที่เข้ากันได้และใกล้เคียงกับฟันธรรมชาติที่มีอยู่เดิม รวมทั้งสามารถเข้ากันได้กับธรรมชาติของช่องปากอีกด้วย

การนำเอากลาสเซรามิกมาใช้ทางทันตกรรม จะต้องมีสมบัติใกล้เคียงกับฟันธรรมชาติ ซึ่งในทางทันตกรรมและเชิงพานิชมีการนำกลาสเซรามิกมาใช้ด้วยกันหลายชนิด เช่น Leucite glass-ceramic (IPS Empress® Esthetic and Empress® CAD), Lithium disilicate glass-ceramic (IPS emax®), Fluorapatite glass-ceramic (IPS e.max® Ceram), Glass infiltrated spinell (Vita In Ceram® spinell), Glass-infiltrated alumina (Vita In-Ceram® Zirconia), Fluormica glass-ceramic (Dicor®) [5] เป็นต้น ซึ่งทั้งหมดนี้มีสมบัติ กระบวนการขึ้นรูป และการนำไปใช้งานที่แตกต่างกันหรืออาจใกล้เคียงกันขึ้นอยู่กับความเหมาะสม ส่วนใหญ่เป็นวัสดุนำเข้าที่ราคาสูง ทางทีมงานวิจัยเซรามิก ภาควิชาวิศวกรรมวัสดุ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ บางเขน ได้มีการวิจัยและพัฒนาและผลิตกลาสเซรามิกชนิดไมกา ที่มีสมบัติเป็นวัสดุบูรณะทางทันตกรรม และมีสมบัติการกรอแต่ง (Machinability) ที่ดี สามารถนำไปใช้งานได้จริงกับผู้ป่วยในประเทศไทยช่วยลดต้นทุนค่ารักษาพยาบาลทางทันตกรรม และทำให้เข้าถึงผู้ป่วยที่มีทุนทรัพย์ไม่เพียงพอได้ ทั้งยังเพิ่มมูลค่าของวัสดุกลาสเซรามิกที่ผลิตได้ งานวิจัยนี้ได้จดอนุสิทธิบัตร เลขที่ 6461 และยังมีการพัฒนาต่อยอดไปเรื่อยๆ ในกระบวนการผลิตกลาสเซรามิกชนิดไมกาประกอบด้วยขั้นตอนหลักๆดังต่อไปนี้

ขั้นตอนการผลิตแท่งแก้วและเม็ดแก้ว สารตั้งต้นประกอบด้วย SiO2-Al2O3-MgO-MgF2-SrCO3-CaCO3-CaF2-P2O5 มาหลอมเป็นน้ำแก้วแล้วจึงเทน้ำแก้วลงในถังสแตนเลสที่บรรจุน้ำจะได้แก้วมีลักษณะเป็นเม็ดหรือเกล็ดใสเรียกว่า “Frit” นำไปอบไล่น้ำที่อุณหภูมิ 50-60C จากนั้นนำกลับไปหลอมใหม่อีกครั้งเพื่อให้องค์ประกอบทั้งหมดมีความเป็นเนื้อเดียวกันมากขึ้น ทั้งนี้อุณหภูมิที่จะนำมาใช้ในการหลอม และอุณหภูมิช่วงต่างๆที่ใช้ในการผลิตกลาสเซรามิกย่อมมีผลต่อสมบัติของกลาสเซรามิกที่ได้มา จึงจำเป็นจะต้องนำเม็ดแก้วที่ได้บางส่วนไปทำการวิเคราะห์อุณหภูมิในช่วงต่างๆด้วยเครื่อง Differential Thermal Analysis (DTA) โดยทำการบดเม็ดแก้วอย่างละเอียดให้ได้ขนาดเล็กกว่า 45 ไมครอน ก่อนจะนำไปวิเคราะห์ การวิเคราะห์ด้วย DTA จะได้กราฟของการเปลี่ยนสภาพแก้ว (Tg), อุณหภูมิการเกิดผลึกที่ 1 และ 2 (Tp1 และ Tp2) และ อุณหภูมิหลอมเหลว (Tm) โดยให้ความร้อนจนถึงอุณหภูมิ 1200C ดังรูปที่ 2 เมื่อทราบค่าอุณหภูมิดังกล่าวแล้วจะนำมาหาอุณหภูมิที่เหมาะสมในการเกิดนิวเคลียส (Nucleation) ได้โดยทำการวิเคราะห์ด้วย DTA อีก 5 ครั้งที่อุณหภูมิต่างกัน ดังนี้ Tg, Tg±15C และ Tg±30C โดยคงไว้ 1 ชั่วโมง จากนั้นให้ความร้อนจนถึงอุณหภูมิ 1100C แล้วนำค่าของอุณหภูมิ Tp1 ของแต่ละครั้ง ซึ่งจะเรียกใหม่ว่า Tp1* ของการทั้ง 5 ครั้งไปหาอุณหภูมิที่เหมาะสมในการเกิดของนิวเคลียส โดยการสร้างกราฟระหว่างอุณหภูมิที่คงไว้กับผลต่างของอุณหภูมิ Tp1 ของแก้วกับอุณหภูมิ Tp1* ของแก้วที่ถูกคงไว้ที่อุณหภูมิต่างๆทั้ง 5 ค่า (Tp1-Tp1*) แล้วหาจุดตัดสูงสุดของกราฟระหว่างเส้นแนวโน้มทั้ง 2 เส้น คือ อุณหภูมิที่เหมาะสมในการเกิดนิวเคลียส ดังรูปที่ 3 ทำให้ทราบอุณหภูมิที่เหมาะสมในการผลิตกลาสเซรามิก จากผลการวิเคราะห์ดังกล่าวจึงสามารถนำมาออกแบบอุณหภูมิที่ใช้ในการผลิตกลาสเซรามิก ดังรูปที่ 4

ในกระบวนการผลิตนั้นเมื่อนำเม็ดแก้วมาหลอมใหม่จนถึงอุณหภูมิหลอมเหลว ในขณะเดียวกันจะต้องเตรียมโมลคาร์บอนสำหรับการขึ้นรูปแท่งแก้วไว้ด้วย โดยนำโมลคาร์บอนไปอุ่นที่ช่วงอุณหภูมิ Annealing (Tg-50C) เมื่อหลอมแก้วจนถึงอุณหภูมิหลอมเหลวแล้วใช้คีม (Tongs) คีบถ้วยครูซิเบิลที่บรรจุน้ำแก้ว พร้อมกับคีบโมลคาร์บอนที่อุ่นเตรียมไว้ออกจากเตามาพร้อมกัน แล้วเทน้ำแก้วจากถ้วยอะลูมินาลงโมลคาร์บอนโดยทำมุม 45 องศาเพื่อไล่ฟองอากาศที่อาจเกิดขึ้นขณะเทน้ำแก้ว จากนั้นนำโมลคาร์บอนที่บรรจุน้ำแก้วกลับเข้าไปในเตา ที่อุณหภูมิ Annealing แล้วให้ความร้อนต่อได้เป็นแท่งแก้วใส (Glass rod)

ขั้นตอนการทำแท่งกลาสเซรามิก นำแท่งแก้วที่ได้ ไปผ่านกระบวนการทางความร้อนในเตาจากอุณหภูมิห้องจนถึงอุณหภูมิที่เหมาะสมในการเกิดนิวเคลียส และคงอุณหภูมินั้นไว้ตามเวลาที่หมาะสมของการเกิดนิวเคลียส จากนั้นเพิ่มอุณหภูมิไปจนถึงอุณหภูมิที่นิวเคลียสเกิดการโตเป็นผลึกคงไว้เป็นระยะเวลาเดียวกับช่วงอุณหภูมิที่เหมาะสมในการเกิดนิวเคลียส และปล่อยให้ชิ้นงานเย็นตัวในเตาจะได้แท่งกลาสเซรามิกที่มีลักษณะเป็นสีขาวขุ่น ตามแผนภาพในรูปที่ 4 และ 5 กลาสเซรามิกที่ได้นำมาทดสอบสมบัติเพื่อตรวจสอบความสามารถในการนำไปใช้งานเป็นวัสดุทางทันตกรรม ซึ่งจะต้องให้ได้ตามมาตรฐาน ISO 6872: Dentistry-ceramic materials [7] เพื่อพิจารณาการนำกลาสเซรามิกชนิดไมกาที่ได้ไปใช้เป็นวัสดุบูรณะทางทันตกรรม

ไฟล์:การผลิตกลาสเซรามิก

กลาสเซรามิก

ก่อนที่จะนำกลาสเซรามิกที่ได้ไปทดสอบสมบัติต่างๆตามมาตรฐาน ISO 6872 นั้น จะต้องนำกลาสเซรามิกที่ได้ไปวิเคราะห์สมบัติเบื้องต้นทางวัสดุ เช่น องค์ประกอบทางเคมี โครงสร้างจุลภาค เป็นต้น