石膏类模型材料

二、石膏类模型材料

石膏是含不同结晶水的硫酸钙的总称，主要为二水硫酸钙（CaSO4·2H2O，也称生石膏）、半水硫酸钙（CaSO4·1/2H2O）、无水硫酸钙（CaSO4）。生石膏是制作其他种类石膏的原料。石膏类模型材料主要用于制作口腔各种修复、正畸的模型，同时也参与到义齿修复工艺的很多步骤中，如装盒、包埋、调拌糊剂型藻酸盐材料等，口腔临床应用非常广泛。

我国医药行业标准把牙科石膏分为五型：Ⅰ型为印模石膏；Ⅱ型为普通石膏，也称熟石膏；Ⅲ型为硬质石膏，又称普通人造石；Ⅳ型为高强度低膨胀人造石，又称超硬石膏；Ⅴ型为高强度、高膨胀人造石。

（一）熟石膏

熟石膏（plaster）又称普通石膏、煅石膏、Ⅱ型石膏。制作方法是将生石膏在常压下开放加热至110～130℃脱水制备而成。其反应方程式如下：

1.组成

1）β-半水石膏　即β-半水硫酸钙，占75％～85％。

2）生石膏　未充分脱水的生石膏，占5％～8％。

3）无水石膏　过度脱水后产生的无水硫酸钙，占5％～8％。

4）其他　碳酸盐、硫化物、二氧化硅等，约占4％。

熟石膏的凝固原理是β-CaSO4·1/2 H2O与水混合后，发生水化反应，出现结晶凝固现象，生成二水硫酸钙而固化，并伴随放热。其反应方程式如下：

β-CaSO4·1/2 H2O+H2O→CaSO4·2 H2O+Q

2.性能

1）水粉比　反应所需水量与半水石膏的质量比称为水粉比，用W/P表示。熟石膏水粉比为0.45～0.5，即每100 g熟石膏粉需加水45～50 mL。

2）调和时间、操作时间、凝固时间　调和时间指熟石膏粉加入水中后调和均匀所需的时间。操作时间指材料从混合开始到流动性明显下降的时间。凝固时间指材料从混合开始到完全凝固的时间。熟石膏粉的调和时间为60秒，操作时间为5～7分钟，初凝时间为8～15分钟，终凝时间为40～50分钟。影响凝固时间的因素如下。

（1）熟石膏粉的质量　在制备熟石膏粉过程中，煅烧不足会增加生石膏含量，导致凝固时间缩短；煅烧过度会使无水石膏比例增加，导致凝固时间延长。在保存过程中，如果熟石膏粉受潮，会使凝固强度下降，凝固时间延长。

（2）水粉比　水量过多，凝固时间延长；水量过少，凝固时间缩短，流动性下降。

（3）调和时间和搅拌速度　延长调和时间，加快搅拌速度会使熟石膏凝固时间缩短。当搅拌速度越快、调和时间越长时，二水硫酸钙晶体在混合物中越分散，导致晶核数量增加，凝固速度越快。

（4）石膏粉粒径　粒度越细，凝固时间越短。因为粒度越细，溶解度越大，且晶核增多。

（5）水温　水温对牙科石膏的影响比较复杂，0～30℃时，凝固速度随水温升高而加快；30～50℃时凝固速度与水温之间无明显关系；50～80℃时凝固速度随水温升高而变慢；80℃以上时，二水硫酸钙会脱水转变为无水硫酸钙，石膏不再凝固。

（6）促凝剂与缓凝剂　化学改性剂是调整石膏凝固时间最有效的方法。常用促凝剂有硫酸钾；常用缓凝剂有明胶、树胶、硼砂、枸橼酸钾等。有些无机盐在低浓度（＜20％）时是促凝剂，但在高浓度（＞20％）时却是缓凝剂，如氯化钠、氯化钾等。

3）膨胀性能　熟石膏的线性膨胀率为0.2％～0.4％，主要来源为凝固膨胀和吸水膨胀。

（1）凝固膨胀发生的原因　原因之一可能是熟石膏在调和时实际需水量与理论需水量之间有差值。100 g熟石膏凝固反应的理论需水量仅为18.6 mL，但在实际中需水45～50 mL。在凝固过程中这些多出来的水参与了生成物的体积构成，凝固后水挥发，在石膏中留下孔隙，最终石膏产物体积膨胀。另一个原因是凝固过程中二水硫酸钙晶体的生长方向向外，晶体之间相互挤压，形成孔隙，最终体积膨胀。

（2）吸水膨胀的实质　凝固膨胀的延续，原因是水能促进针状二水硫酸钙晶体自由生长，它的值是凝固膨胀的2倍，也正因为这一特性，石膏类材料还可以作为包埋铸造材料使用，为金属铸造提供所需要的体积膨胀。

（3）控制石膏凝固膨胀的方法　第一，调整水粉比和调和时间，低水粉比和长调和时间会增加凝固膨胀；高水粉比会减少凝固膨胀。第二，添加增膨剂或减膨剂。常用增膨剂为醋酸钠，常用减膨剂是硫酸钠、硫酸钾和硼砂。

4）强度　牙科石膏的强度一般用压缩强度来表示。石膏材料调和物在经过初凝时间后，强度会迅速上升，之后直到终凝以前，强度改变不明显，而当模型完全干燥（约24小时）后强度达到最高。这主要是初凝后模型内残留的水对强度的影响较大。这些残留水会溶解细小的二水硫酸钙晶体，从而使晶体间的锁结作用消失，当残留水完全挥发后，二水硫酸钙晶体之间的锁结作用会迅速增强，从而表现为强度迅速增加。影响强度的因素如下。

（1）水粉比　高水粉比会导致模型干燥后孔隙率增加，孔隙增大，模型强度降低。(https://www.daowen.com)

（2）调和时间　适当延长调和时间可以增加强度，过长后强度反而降低。因此调和时间需控制在60秒以内。

（3）石膏粉粒径　粒径过大或过小都会导致凝固后强度降低。粒径过大，溶解度降低，晶体间相互锁结作用小，强度降低；粒径过小，增大比表面积，水粉比增加，凝固后孔隙率增加，强度降低。

（4）改性剂的加入　熟石膏粉中加入的增膨剂、减膨剂、促凝剂、缓凝剂都会导致强度下降，因为这些物质改变了二水硫酸钙晶体的形态，降低了晶体间作用力，导致强度下降。

综上所述，为保证熟石膏在使用中的性能，应严格按照水粉比调拌，控制调和时间，在灌模后至少1小时再脱模，使用前模型应充分干燥。

3.应用　熟石膏主要用于全口义齿初模型、可摘局部义齿初模型、弯制卡环、正畸观察模、研究记录模（图4-9）、非工作模、上架、包埋、装盒等。其价格便宜，易于操作，使用非常广泛。

4.使用方法和注意事项

1）使用方法　水粉比为0.45～0.5，先放水再放粉剂，在橡胶碗中用调拌刀匀速调拌，调和时间少于60秒，振荡排除气泡，流动性好、材料均匀光滑时即可灌注。一般来说，灌注模型应当将石膏置于印模高处，通过振荡自行流入细微部位。

2）操作方法　15分钟初凝，1小时基本凝固，24小时强度达到最高，方可用于制作代型。初凝后外形尚可用雕刻刀等工具修整，终凝时难以手工修整，可以使用模型修整机进行修整。脱模应在灌模后1小时左右进行。

3）调和方法　调和时若发现水粉比不合适，应抛弃重新取粉调和，不应中途加粉或加水，影响熟石膏性能。储存应密闭防潮。

（二）硬质石膏

硬质石膏又称普通人造石（artificial stones）、Ⅲ型石膏。制作方法：1000 g生石膏粉中加入2 g琥珀酸钠，与100 mL水混合均匀，置于密闭压力为131.7 kPa的容器内，加热至123℃，恒温7小时，取出后于120℃恒温干燥箱干燥4～5小时，粉碎，过筛120目，加入色素而成。

1.组成　主要为α-CaSO4·1/2H2O，含有少量杂质、色素、增膨剂等。其晶体颗粒密度大，排列规则，性能优于β-CaSO4·1/2H2O。

2.性能　凝固反应过程和特点同熟石膏，性能优于熟石膏。

1）机械性能　硬质石膏的压缩强度、弯曲强度、硬度、表面光洁度均优于熟石膏，凝固膨胀低于熟石膏。

2）水粉比小　水粉比为0.25～0.35，孔隙小，凝固后结构更加致密。硬质石膏基本不含无水硫酸钙和生石膏，纯度高，杂质少，凝固后结晶致密，排列整齐。

3）初凝时间长于熟石膏，便于临床操作。凝固后表面光洁度好，模型表面光滑，结构清晰。需在密封干燥环境下储存。

3.应用　主要用来制作对强度和表面硬度要求较高的全口义齿、可摘局部义齿铸造支架的工作模型。使用时严格控制水粉比为0.25～0.35，调和方法及灌模方法同熟石膏。

（三）超硬石膏

超硬石膏又称高强度、低膨胀人造石（dental stone，high strength）或Ⅳ型石膏，强度、硬度、精度比硬质石膏高。制作方法：将过饱和二水硫酸钙溶液置于密闭压力锅中，压力为0.2～0.3 MPa，温度为135～140℃，制得超硬石膏。

1.组成　主要为α-CaSO4·1/2H2O，超硬石膏的半水硫酸钙晶体排列更紧密规则，强度更高。

2.性能　超硬石膏的性能与硬质石膏相似，但更优越，其性能见表4-6。水粉比为0.22，必须严格控制加水量，应当使用量筒取水，天平秤取粉量，有条件的医院应当使用石膏真空调拌机进行调拌，使其性能达到最佳。

3.应用　使用方法同硬质石膏，使用真空调拌机调拌好灌制模型，可得到非常精密的模型（图4-10）。超硬石膏主要用于精密铸造模型、冠、桥、种植义齿、各型固定修复、附着体等模型。在临床上应用非常广泛。

（李　静）