酸性環境が樹脂系複合材料の強度と化学変化に及ぼす影響

Effects of an Acidic Environment on the Strength and Chemical Changes of Resin-based Composites.

抄録

本研究の目的は，酸性飲料に長期間さらされた場合の経時変化が，2種類の樹脂ベース複合材料（RBC）と1種類のジオマーの曲げ強度（FS）と化学反応に及ぼす影響を評価することである。複合材料試験片バー（2 mm × 2 mm × 25 mm）のFSは，万能試験機を用いて，pH値の異なる2種類の飲料（蒸留水［DW］，pH 7.0；Coca-Cola，pH 2.4-2.8 ）中でサーモサイクル（0，1万，5万，10万サイクル）のレベルを変化させながら測定した．FSデータは，三元配置分散分析，ポストホックテューキーテスト，t-testを用い，有意水準a=0.05で解析した。DWでは、RBCとgiomerのFSは10,000サイクルまで低下しなかった。もう一つの赤血球であるZ250は、50,000サイクルまで急速に減少し（p<0.05）、その後100,000サイクルまで減少しなかった。コカ・コーラでは、2つの赤血球とジオマーのFSは、10,000サイクル以降、DWよりも急速に減少した（t-test、p<0.05）。コカ・コーラでは、走査型電子顕微鏡（SEM）像で観察される空隙率の増加、フーリエ変換赤外分光法減衰全反射モード（FTIR-ATR）スペクトルにおける3340cm-1の水酸化ピークと1730-1700cm-1のエステルピークの変化、また，XPS（X-ray Photoelectron Spectroscopy）では，Si-O/Si-Cピークの高さ比が1万サイクルから10万サイクルまで連続的に増加したことから，Z250 RBCではDWに比べてマトリックスとフィラーの間のシラン-炭素結合が失われつつあることが示唆されました．以上のことから、DW中でTCを行った場合、未反応のモノマーやカップリング剤が洗い流され、空隙が発生し、FSが低下することがわかりました。コカ・コーラでは、酸性条件によりエステル基での加水分解反応によるマトリックスの除去が促進され、DWに比べ空隙が多くなり、FSの低下が早かった。

The objective of this study was to evaluate the aging effects of long-term exposure to acidic beverages on the flexural strength (FS) and chemical reactions of two resin-based composites (RBCs) and one giomer. The FS of composite specimen bars (2 mm × 2 mm × 25 mm) was measured using a universal testing machine at various levels of thermocycling (TC; 0, 10,000, 50,000, and 100,000 cycles) in two beverages with different pH values (distilled water [DW], pH 7.0; Coca-Cola, pH 2.4-2.8). The FS data were analyzed using three-way analysis of variance with the post hoc Tukey test and t-test at a significance level of a=0.05. In DW, the FS of an RBC and a giomer did not decrease until 10,000 cycles. The other RBC, Z250, decreased rapidly until 50,000 cycles (p<0.05), followed by no additional decrease until 100,000 cycles. In Coca-Cola, the FS of two RBCs and a giomer decreased more rapidly than in DW from 10,000 cycles (t-test, p<0.05). In Coca-Cola, the increased porosity observed in scanning electron microscopy (SEM) images, the changes of the hydroxyl peak at 3340 cm-1 and ester peak at 1730-1700 cm-1 in Fourier-transform infrared spectroscopy in attenuated total reflectance mode (FTIR-ATR) spectra, and the continuous increase of the Si-O/Si-C peak height ratio from 10,000 cycles to 100,000 cycles in X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) suggested an increased loss of silane-carbon bond between the matrix and fillers of the Z250 RBC, compared to those in DW. In conclusion, when TC was performed in DW, unreacted monomers and a coupling agent were washed out, which caused porosity and reduced FS. In Coca-Cola, acidic conditions accelerated the removal of the matrix through the hydrolysis reaction at the ester groups, resulting in more porosity and a faster decrease in FS than in DW.