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Influencia de la estructura de la fibra en las propiedades de flexión y fractura de materiales reforzados con fibra

Vistasp M. Karbharia, autor correspondiente, autor correspondiente y Howard Strasslerb

Ciencia de los materiales y Tecnología . Departamento de Ingeniería e Ingeniería Estructural, Universidad de California, San Diego MC-0085, Edificio 409, Sala 105, Centro Universitario, La Jolla, California 92093-0085, EE. UU.

Departamento de Odontología Restauradora, Facultad de Odontología, Universidad de Maryland, Baltimore, EE. UU.

Recibido 10 en diciembre de 2005; revisado el 25 de junio de 2006; aceptado el 31 de agosto de 2006. Disponible en línea el 7 de noviembre de 2006.

Resumen

Objetivos

El propósito de este estudio es comparar y dilucidar el daño de los composites de resina dental reforzados con fibra bajo carga de flexión basado en tres marcas diferentes. términos Diferencias en mecanismos y respuestas. Los tipos de refuerzo incluyen preimpregnado de vidrio E unidireccional (split-It de Jen Eric/Petron Inc.), trenza biaxial basada en fibras de polietileno de peso molecular ultra alto (Connect, Kerr) y tela Leno basada en fibras de polietileno de peso molecular ultra alto ( Cinta).

Métodos

Se utilizaron tres sistemas diferentes de refuerzo de fibra disponibles comercialmente para fabricar barras de acero rectangulares con refuerzo de fibra cerca de la superficie de tensión y se sometieron a pruebas de flexión centrándose en los mecanismos de daño y la respuesta. . Se probaron ocho muestras (n = 8) de cada tipo. Dependiendo de las diferentes capacidades de los edificios utilizados, se determinaron la capacidad energética total, así como la resistencia y el módulo de flexión y se compararon los resultados.

Resultados

Bajo carga de flexión, los composites dentales preimpregnados unidireccionales no reforzados y reforzados con preimpregnado fallaron de manera frágil en la etapa anterior, mientras que los materiales trenzados y de gasa reforzados con tejido sufrieron una deformación significativa sin fractura. La muestra reforzada con trenza mostró la carga máxima más alta. La adición de fibras unidireccionales a la matriz dio como resultado una deformación promedio de 0,06 mm/mm, un 50% mayor que la capacidad de la matriz no reforzada, mientras que la adición de tejido trenzado y gasa dio como resultado un aumento del 119% y 126% respectivamente. destacando el polietileno UHM Mayor capacidad de las fibras y la estructura para mantenerse unidas bajo cargas de flexión sin romperse. La adición de materiales reforzados con fibra aumentó en gran medida el nivel de energía de deformación de la muestra, alcanzando el valor máximo en la muestra reforzada trenzada, y la capacidad de absorción de energía aumentó en un 433% en comparación con la muestra no reforzada. Se observó una dispersión mínima y la mayor consistencia de respuesta en las muestras reforzadas con tejido de gasa debido a los detalles estructurales que limitan el corte y el movimiento de la tela durante la colocación.

Importancia

Es crucial seleccionar la estructura de fibra adecuada no solo desde la perspectiva de la máxima resistencia, sino también desde la perspectiva de la tolerancia general al daño y la absorción de energía. Las diferencias en el tejido y la construcción dan como resultado un rendimiento inherentemente diferente, y la selección adecuada puede mitigar fallas prematuras y catastróficas. El estudio proporciona detalles de las propiedades de respuesta a nivel de material, lo que ayuda en la selección de refuerzos de fibra para aplicaciones específicas.

Palabras clave: refuerzo de fibra; composites dentales; flexión; construcción; tejido de gasa;

1. Introducción

2. Materiales y métodos

3. Resultados

4. Discusión

5. >

1. Introducción

Comúnmente se usa una variedad de rellenos en forma de partículas para mejorar las características de rendimiento como fuerza, tenacidad y resistencia al desgaste, aunque se ha observado que la adición de rellenos y cambios recientes Los compuestos de resina proporcionan una mayor resistencia al desgaste [1], [2], pero los sistemas convencionales a base de relleno siguen siendo frágiles en comparación con los metales. Sakaguchi et al. [3] informaron que estos materiales son propensos a fracturarse tempranamente y la tasa de propagación de grietas excede la de los materiales cerámicos. Esto es motivo de preocupación porque las observaciones clínicas indican que la superficie interna de una restauración puede estar sujeta a altas tensiones de tracción bajo las fuerzas generadas durante la masticación, lo que lleva a fracturas prematuras y fallas[4]. En los últimos años se han introducido refuerzos de fibra en forma de cintas para solucionar estas deficiencias [5].

Las férulas periodontales, los postes endodónticos, las dentaduras postizas parciales fijas anteriores y posteriores, los retenedores de ortodoncia y las restauraciones dentales individuales se pueden lograr grabando y uniendo la estructura dental con resina compuesta incrustada con fibras tejidas adaptadas a los contornos del diente de refuerzo. Aunque la ciencia de los compuestos poliméricos reforzados con fibras está bien establecida, el uso de estos materiales en aplicaciones dentales aún es nuevo y los aspectos relacionados con la caracterización del material, la cinética de curado e incluso la colocación de refuerzos aún no se comprenden ampliamente.

Debido a la naturaleza de los sistemas cerámicos y de polímeros rellenos comúnmente utilizados, la mayoría de las pruebas a nivel de material diseñadas y ampliamente utilizadas para caracterizar materiales dentales enfatizan la fragilidad de la respuesta del material. En muchos casos, las pruebas y la interpretación de los resultados no encajan en la categoría de compuestos poliméricos reforzados con fibras, donde aspectos como la orientación de las fibras, la colocación del tejido e incluso los efectos de escala son de suma importancia. Recientemente se ha destacado a través de estudios clínicos y de laboratorio la necesidad de una comprensión básica de las diferencias en las propiedades y respuestas de los composites dentales reforzados con fibras y tejidos continuos. Investigaciones recientes han abordado cuestiones clave como la influencia de la estructura y la relación de espesor de la capa de tejido [6], la posición y orientación de las fibras [7] e incluso las dimensiones de las muestras de prueba [8]. Sin embargo, la selección y el uso de refuerzo continuo se hace en gran medida ad hoc, y los fabricantes plantean una amplia variedad de requisitos sin entrar en los detalles de la aplicación (por ejemplo, la estructura de tela necesaria para optimizar el rendimiento de los puntales frente a los puentes es muy diferentes) o los detalles de las características de respuesta, una comprensión profunda de los requisitos de rendimiento del material a un nivel más allá de simplemente "resistencia" y "módulo". Además, se sabe que cada tejido responde de diferentes maneras al manejo y caída (es decir, consistencia) de los cambios en la configuración de la base [9]. La estructura del tejido permite diversos grados de movimiento de las fibras o su contención, e incluso el corte de la estructura. Dependiendo de las características específicas de la aplicación, el patrón de tejido también es importante a la hora de seleccionar materiales compuestos para aplicaciones dentales [10]. Por lo tanto, en la clínica, algunos materiales textiles sufrirán cambios operativos cuando se utilice cada estructura de tejido diferente para reforzar los compuestos dentales. Para materiales trenzados biaxialmente, la orientación de las fibras puede cambiar después de cortarlas e incrustarlas en el composite a medida que se adapta a los contornos de los dientes. Las fibras del cinturón se extienden y separan entre sí y se orientan más transversalmente al eje longitudinal del cinturón. Cuando el tejido de gasa se corta e incrusta en un compuesto dental, los hilos de fibra mantienen su orientación y no se separan entre sí ya que se ajustan estrechamente a los contornos del diente. Sin embargo, debido a la estructura ortogonal, se producen espacios en la estructura que proporcionan áreas localizadas que no están reforzadas con refuerzo de fibra. Debido a la rigidez de las fibras, los materiales de fibra de vidrio unidireccionales no pueden adaptarse estrechamente a los contornos de los dientes. El material de fibra era difícil de manipular, lo que hizo que el compuesto final fuera más grueso; una mayor manipulación provocó que las fibras de vidrio se separaran, con algunas roturas visibles en las propias fibras.

El propósito de este estudio fue evaluar experimentalmente la respuesta a la flexión de tres sistemas comerciales de refuerzo de fibra/tejido disponibles para aplicaciones dentales, comparar el rendimiento en función de diferentes propiedades y dilucidar diferencias basadas en detalles de la estructura del tejido y la fibra. tipo.

2. Materiales y métodos

En este estudio se utilizaron tres productos de refuerzo de tela diferentes, todos en forma de tiras. La primera es una estructura preimpregnada de vidrio E unidireccional de 3 mm de ancho sin refuerzo lateral (Clamp-It, Jeneric/Petron Inc. 1), denominada Grupo A, mientras que las otras dos están construidas con polietileno de peso molecular ultraalto. en forma de una trenza biaxial de 4 mm de ancho (Connect, Kerr), denominada Grupo B, y una tela de gasa de 3 mm de ancho (Ribbond, WA), denominada Grupo C. La segunda es una trenza biaxial sin fibras axiales, esta trenza proporciona muy buena adaptabilidad y estructura con dos juegos de hilos formando una matriz simétrica, donde los hilos están orientados en un ángulo fijo con respecto al eje de la trenza. La tercera construcción tiene hilos de urdimbre como hilos de trama que se cruzan en pares en un patrón en forma de ocho, proporcionando un efecto de tejido abierto para un deslizamiento controlado del hilo y una buena estabilidad.

Mida y pese cuidadosamente varias muestras de la tela para determinar que el peso base promedio de la trenza biaxial es 1,03 × 10. El tejido de gasa es de 1,42 × 10,4 g/mm2. Se observó que el peso aéreo de la antena unidireccional era 2,2 veces mayor que el de las otras dos antenas.

Se construyeron tiras reactivas rectangulares con dimensiones de 2 mm × 2 mm × 48 mm colocando capas de resina compuesta fluida (Virtuoso FloRestore, Demat) en un molde de polisiloxano, y el portaobjetos se aseguró con una banda de goma y se curó durante 60 segundos con una goma. Lámpara de polimerización de laboratorio Kulzer UniXS. En el caso de los Grupos B y D, primero se humedeció el tejido y luego se colocó sobre la primera capa de resina compuesta fluida de modo que el refuerzo de fibra se colocó lejos de la superficie inferior (que se utilizará como fuerza de tracción en la prueba de flexión). superficie) entre 0,25 y 0,5 mm. Se sabe por la mecánica básica de los materiales que agregar material de mayor módulo en o cerca de la superficie de tracción puede mejorar las propiedades de flexión, y esto ha sido demostrado para los composites dentales por Ellakwa et al. Se tiene cuidado de mantener la alineación de las fibras y la estructura de la tela sin causar arrugas o movimientos laterales que afectarían las características generales de rendimiento. Las muestras reforzadas con tela tenían sólo una capa de refuerzo cerca de la superficie inferior y las muestras restantes no tenían refuerzo de fibra. Esta configuración general de muestras curvadas ha sido utilizada previamente por Kanie et al. En el estudio actual, la fracción de peso de fibra en una sola capa osciló entre 37% y 42%, pero fue significativamente menor si se determina en base al espesor total de toda la muestra. A modo de comparación, también se fabricaron varillas de resina no reforzadas de la misma manera y se designaron como grupo d.

Se realizaron pruebas de flexión de tres puntos en ocho muestras (n = 8) en cada grupo usando un tramo de 16 mm, este claro proporciona una relación entre luz y profundidad (l/d) de 16 recomendada por ASTM D 790-03 [14]. Cabe señalar que la elección de la relación l/d afectará significativamente las características de flexión. La relación l/d esencialmente establece el equilibrio entre las fuerzas cortantes y los momentos flectores, dominando las fuerzas cortantes en tramos más cortos. La carga se introduce por medio de un penetrador de cruceta circular colocado en dos posiciones: paralelo al tramo de la muestra (P1) y perpendicular al tramo de la muestra (P2). La longitud total del cabezal de carga es de 4 mm. Esto se hizo para evaluar el efecto de la introducción de carga ya que la estructura de la cinta de fibras tiene fibras con diferentes orientaciones. Las pruebas se realizaron a una velocidad de desplazamiento de 1 mm/min, con al menos ocho pruebas por grupo. La carga continúa hasta que la muestra experimenta una ruptura catastrófica, o la muestra alcanza la pendiente negativa de carga versus desplazamiento, y la carga continúa disminuyendo lentamente más allá del valor máximo y es menos del 85% de la carga máxima. Este nivel excede el límite de deformación de falla aparente de 0.05 mm/mm recomendado por ASTM D790-03 [14] para poder evaluar la ductilidad de la muestra. Inspeccione cuidadosamente la muestra en busca de grietas, grietas y otros daños.

La resistencia a la flexión se determina de la siguiente manera

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donde P es la carga aplicada (o carga máxima si no se produce ninguna ruptura) , L es el espacio entre paréntesis, byd son el ancho y el espesor de la muestra, respectivamente.

El módulo de elasticidad tangente se usa a menudo para determinar el módulo de una muestra midiendo la pendiente m dibujando la tangente a la porción recta inicial más pronunciada de la curva carga-deflexión, que luego se usa como la

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En el presente caso, la mayoría de las muestras muestran cambios significativos en la pendiente muy temprano en la curva de respuesta, lo que indica microfisuras y no linealidad. Dado que estos ocurren bastante temprano, el módulo determinado a partir de la tangente inicial tiene una variación estadística significativa. Para determinar una medición del módulo más consistente, este artículo utiliza el módulo de elasticidad secante definido en ASTM D790-03 [14], trazando una línea secante entre el origen y el punto de carga máxima para determinar la pendiente m, que luego se usa en Ec. (2) Esto también tiene la ventaja de proporcionar una firma que combina capacidades de deformación, distinguiendo así entre muestras que alcanzan la carga máxima con una deformación baja (por ejemplo, compuestos no reforzados y compuestos reforzados unidireccionalmente) y aquellas que se muestran antes de alcanzar la carga máxima. que están significativamente deformados (por ejemplo, muestras reforzadas con trenzas y telas de gasa).

El material de la matriz suele ser más frágil que las fibras y suele tener una deformación última menor. Por lo tanto, cuando se dobla la muestra, pueden ocurrir una serie de grietas en la matriz, y el inicio y propagación de las grietas dependen no sólo del tipo y ubicación de las barras de acero, sino también de la capacidad de deformación del área de resina pura. . Por lo tanto, es útil calcular la deformación en un material compuesto bajo carga de flexión, que se puede determinar como

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donde D es el punto medio. desplazamiento del tramo.

La tenacidad de un material está relacionada con su ductilidad y resistencia última.

Esta es una característica de rendimiento importante, a menudo expresada en términos de energía de deformación U, que representa el trabajo realizado para provocar la deformación. Esta es esencialmente el área bajo la curva carga-deformación y se puede calcular de la siguiente manera

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donde P es la carga aplicada y x es la deformación. . En el caso del presente estudio, se calcularon dos niveles de energía de deformación para evaluar ambos tipos de respuesta. En el primer caso, la energía de deformación se calcula al nivel de deformación correspondiente a la carga máxima (también la carga de fractura de los Grupos A y D). Para las muestras que mostraban una deformación inelástica significativa (Grupos B y C), la energía de deformación también se calculó hasta el punto correspondiente a una deformación de 11,5 mm en el que la carga mostró una caída del 15% desde el valor máximo. Alander et al. [8] habían informado anteriormente de una respuesta post-pico curva.

3. Resultados

La aplicación de carga de flexión dio como resultado dos formas de respuesta macroscópica diferentes. Para las probetas de los Grupos A y D (reforzadas con tejido unidireccional, no reforzadas), la falla fue catastrófica y frágil en la carga máxima, mientras que para las probetas de los Grupos B y C, la carga máxima se alcanzó finalmente como desplazamiento. aumenta, la carga disminuye lentamente, lo que representa una deformación plástica o inelástica. En la Figura 1 se muestra una curva de respuesta típica.

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Figura 1. Respuesta típica a la flexión.

La Figura 2 muestra la variación de la resistencia a la flexión con el tipo de muestra y el método de introducción de la carga (aquí representada como tensión en la carga máxima). La mayor resistencia se obtuvo para las muestras con tejidos, con un aumento promedio del 125% en comparación con las muestras no reforzadas. El análisis estadístico de ANOVA y la prueba post hoc de Tukey mostraron que el método de introducción de la carga no afectó los resultados. Además, no hubo diferencias significativas en los resultados generales de resistencia máxima del Grupo A y el Grupo B (muestras que contienen telas unidireccionales y telas tejidas). Diferencia significativa (p<0.003). Sin embargo, cabe señalar que en los Grupos B y C, la falla no ocurrió en la carga máxima y la carga disminuyó lentamente al aumentar la deflexión del punto medio. En la Figura 3 se muestra una comparación de las tensiones de flexión de estos sistemas con carga máxima y carga correspondiente a una deflexión de 11,5 mm. Se puede observar que estos dos sistemas muestran una deformación inelástica significativa, con solo un 12,8, 12,1, 11,7 y 9,5% de disminución desde el pico, lo que enfatiza la respuesta post-pico estable, resistente y no catastrófica en estos sistemas.

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Figura 2. Resistencia a la flexión en carga máxima.

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Figura 3. Comparación de tensiones de flexión en probetas con modos de falla no catastróficos.

En la Figura 4 se muestra una comparación del módulo secante (medido en relación con la carga máxima) de los diferentes grupos. Se puede observar que, excepto en el sistema unidireccional, el módulo aparente es menor que el de la muestra no reforzada. También cabe señalar que, aunque la prueba post hoc de Tukey no mostró una diferencia significativa debido a la dirección del penetrador de carga, el nivel para el penetrador unidireccional fue solo de 0,1022 en comparación con 1 para el otro penetrador. La eliminación del valor atípico único de P1 da como resultado p & lt0.007, lo que indica un fuerte efecto de la orientación del penetrador, siendo el módulo secante un 17,7% menor cuando el penetrador se coloca paralelo a las fibras, lo que resulta en división e inconsistencia entre las fibras. roturas y extracciones más pequeñas.

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Figura 4. Comparación del módulo secante bajo carga de flexión.

Como se mencionó anteriormente, la muestra no reforzada (Grupo D) y la muestra unidireccional reforzada con preimpregnado (Grupo A) se deformaron a niveles significativamente más bajos que los otros dos grupos en los que alcanzaron el pico inelástico. Todos fallaron catastróficamente. . Dado que los Grupos B y C no se fracturaron pero mostraron deformaciones mayores con grietas parciales profundas a través de la matriz, es importante poder comparar los niveles de deformación obtenidos en la superficie de tracción usando la Ecuación (1). (3). Esta comparación se muestra en la Figura 5 en el nivel de carga máxima (esta es la carga de rotura/falla para los Grupos A y D). Mientras que la adición de fibras unidireccionales a la matriz dio como resultado una deformación promedio de 0,06 mm/mm, un 50% mayor que la capacidad de la matriz no reforzada, la adición de tejido trenzado y gasa dio como resultado un aumento del 119% y 126% respectivamente. destacando el polietileno UHMW Mayor capacidad de las fibras y la estructura para mantenerse unidas bajo cargas de flexión sin romperse.

Cabe señalar, como referencia, que a una deflexión del punto medio de 11,5 mm, la deformación en el punto de parada de los ensayos de los Grupos B y C fue de 0,135 mm/mm, lo que representa un aumento del 233% sobre el nivel obtenido para el matriz no reforzada. Estados Unidos