Sádra

Sádra je univerzální materiál a podle použití patří do několika skupin pomocných hmot: otiskovacích, modelových, formovacích a v dalších je obsažena. I když se v současnosti k otiskování už téměř neužívá, získala zato zcela univerzální postavení jako materiál užívaný k přípravě všech typů situačních modelů a lisovacích forem na zpracování korunkových a bazálních plastů. Základní surovina pro výrobu sádry, sádrovec, se vyskytuje po celém světě, je snadno dosažitelný a poměrně levný. Více než původního sádrovce se ale používá tzv. chemického sádrovce.

Složení, výroba a vlastnosti

Sádra je prastarý materiál, jehož latinské pojmenování gypsum je odvozeno z názvu Egypta, kde ji užívali jako stavební materiál.

První použití sádry jako modelového materiálu popsal v roce 1756 Philip Pfaff. Otiskování sádrou se ale rozšířilo až po roce 1820, kdy Delabarre vynalezl otiskovací lžičku.

Sádru získáváme zahřátím sádrovce, přičemž se odstraní určité množství krystalové vody. Proces se nazývá dehydratace.

Sádrovec je dihydrát síranu vápenatého CaSO₄ . 2 H₂O, což znamená, že krystalizuje se dvěma molekulami vody. Přírodní je bezbarvý, bělavý až tmavošedý, podle množství příměsí a nečistot. Množství krystalové vody tvoří necelých 21 %, hustota je 2,31 g.cm^-3. Krystalizuje v jednoklonné soustavě a málo se rozpouští ve vodě. Dnes se stále používá více ve stavebnictví než v zubní protetice. Chemický sádrovec zbývá jako vedlejší produkt při výrobě kyseliny fosforečné.

V základním systému CaSO₄/H₂O je známo pět různých krystalických látek.

1. Sádrovec - dihydrát (dvojhydrát) CaSO₄ . 2 H₂O
2. Sádra - hemihydrát (polohydrát) CaSO₄ . 1/2 H₂O
3. Rozpustný síran vápenatý (rozpustný anhydrit, poloanhydrit) CaSO₄
4. Přírodní síran vápenatý (přírodní anhydrit) CaSO₄
5. Vysokoteplotní anhydrit CaSO₄

První čtyři látky, nebo fáze, se vyskytují za normální teploty, pátá jen při vysokých teplotách nad 1180 °C.

První fáze - dihydrát, je výchozím produktem při dehydrataci, tedy výrobě sádry, a konečným produktem po ztuhnutí - rehydrataci. Druhá fáze - polohydrát, se vyskytuje ve dvou formách α a ß, které se liší způsobem výroby a vlastnostmi. Historicky starší polohydrát ß vytváří vločkovité, šupinkovité částice, které jsou tvořeny z velice jemných krystalů. Druhý, novější typ - polohydrát α je z kompaktních hutných, většinou průhledných krystalů. Na rozdílech specifického povrchu a velikosti krystalů závisí rozdíly v rozpustnosti a schopnosti reagovat. Polohydrát ß má větší povrch, je energeticky bohatší, proto méně stabilní, rozpustnější a více se při tuhnutí zahřívá.

Pro výrobu sádry, ale i pozdější laboratorní užití, je důležité vědět, že dihydrát je stabilní jen při teplotách do 40 °C a další fáze se získávají při vyšších teplotách odvodněním - dehydratací. Zahřátím v suchém vzduchu mezi 95-200 °C vznikne polohydrát ß. Při zahřátí v kyselinách nad 45 °C nebo pod tlakem ve vodě nad 97 °C vznikne polohydrát α.

Při všech uvedených způsobech dehydratace ztrácí dihydrát tři čtvrtiny vody.

Polohydrát ß se tedy vyrábí suchou dehydratací. Rozemletý sádrovec se zahřívá v otevřených nebo rotačních pecích za přístupu vzduchu při teplotách 120-180 °C, krystalky sádrovce se při tom poruší unikající párou z krystalové vody. Polohydrát ß je základem alabastrové sádry.

Polohydráty α se vyrábějí mokrou dehydratací buď pod tlakem v autoklávu (sádra se nazývá hydrokal), nebo bez tlaku v roztocích kyselin nebo solí při teplotách mezi 80-150 °C (sádra se nazývá denzit). Hotový polohydrát α se ihned suší při 105 °C a pak mele na jemný prášek. Výsledné vlastnosti polohydrátu α lze do značné míry ovlivnit variacemi v tlaku, teplotě a způsobu sušení. Popsané postupy platí pro přírodní sádrovec. Zpracování chemického sádrovce je složitý proces, při němž je třeba sádrovec nejprve zbavit flotací všech organických a anorganických nečistot a potom za pomoci přísad v autoklávu dehydratovat.

Všechny známé způsoby dehydratace sádrovce probíhají vždy podle reakce:

CaSO₄ . 2 H₂O + energie → CaSO₄ . 1/2 H₂O + 1 1/2 H₂O.

Rehydratace (tuhnutí) sádry

Tuhnutí, při němž dochází k rehydrataci, tedy k dodání krystalové vody, ztracené při výrobě, a při němž se sádra opět změní na sádrovec, probíhá podle reakce:

CaSO₄ . 1/2 H₂O + 1 1/2 H₂O → CaSO₄ . 2 H₂O + energie.

Po rozmíchání prášku polohydrátu s vodou v předepsaném poměru začíná směs tuhnout a vytváří nejdříve mazlavou a později tvrdou hmotu. Ve směsi dochází k rozpouštění polohydrátu ve vodě a vytvoření jeho nasyceného roztoku. V něm se polohydrát změní na dihydrát a ten vykrystalizuje. Proces probíhá tak dlouho, až je celý prostor vyplněn dlouhými, do sebe zaklíněnými krystaly dihydrátu a sádra ztuhne. K rehydrataci je třeba jen část vody, kterou použijeme při míchání. Přebytek zůstává mezi vytvořenými krystaly a po jejím odpaření sádra ztvrdne.

Předepsaný poměr vody a sádry označujeme V/S. Je-li např. 0,6, je považován za vyšší a znamená, že na 100 g sádry použijeme 60 ml vody. Je-li např. 0,3, je považován za nižší a znamená použít sádru a vodu v poměru 100 : 30.

Rehydratace sádry je exotermická reakce, sádra se při ní zahřívá a navíc zvětšuje svůj objem (expanduje).

Rychlost tuhnutí sádry lze zvýšit různými způsoby, např. některými anorganickými kyselinami nebo jejich solemi. Samotným sádrovcem, přidaným v množství 0,1 %, urychlíme tuhnutí o 75 %. Na tento jev musíme dávat zvláštní pozor, protože se tak nečekaně a nevhodně může projevit vliv ztuhlých zbytků sádry ve špatně vyčištěném kelímku! Tuhnutí urychlují také chloridy nebo sírany, např. síran draselný K₂SO₄ v množství 2-3 %. Účinné jsou i některé fyzikální prostředky jako delší a intenzivnější míchání, nižší poměr V/S nebo vyšší teplota vody, ale pouze do 37 ^oC. Vyšší teplota zejména u chemické sádry tuhnutí prodlužuje.

Prodlužování doby tuhnutí naopak způsobí organické kyseliny a jejich soli, koloidy (krev na otisku), želatina a agar. Účinným zpomalovačem je borax, ale také chlorid sodný, pokud se použije v množství nad 3 %! Z dalších faktorů je to užití studené vody k přípravě směsi a vysoký poměr V/S.
Nejdůležitější ale je, že dodávané obchodní druhy stomatologických sáder jsou už výrobcem tak dokonale upraveny, že žádné další přísady nejsou nutné a mohly by proto vlastnosti sádry negativně ovlivnit!

Objemové změny sádry

Objem tuhnoucí sádry, tvořený součtem objemů pevných částic a pórů vyplněných vodou a vzduchem, se zvětšuje.

Zvětšování objemu nazýváme expanze a její vznik a průběh jsou značně nejasné. Probíhá souběžně se zvyšováním teploty tuhnoucí sádry a navíc je velmi těžké na celkové změně objemu rozeznat podíl počátečního zmenšení – kontrakce. Kontrakce, která nastoupí hned po smíchání, převládá tak dlouho, dokud dalšímu smršťování nezabrání vznikající pevná struktura tuhnoucí hmoty. Od tohoto okamžiku až do konce rehydratace se objem zvětšuje. Tepelná složka expanze je reverzibilní, což znamená, že po vychladnutí se teplem zvětšený objem opět zmenší. Na celkové expanzi se podílí sotva jednou desetinou.

Velikost expanze lze také ovlivnit různým způsobem. Čím bude vyšší poměr V/S (tzn. čím řidší bude směs), tím menší bude expanze - rozumíme tím použití většího množství vody, než je výrobcem určený poměr.

Z užívaných urychlovačů tuhnutí zmenšuje přísada 2% síranu draselného expanzi o 50 %, sádrovec v množství 1 % ji naopak o 10 % zvyšuje (pozor na zbytky na nástrojích!). Vysoká vlhkost vzduchu během tuhnutí při 23 °C zvyšuje expanzi až o15 %. Je ale také nutné vědět, že alginátové otisky zvyšují expanzi sádry, zatímco silikonové ji nijak nezvětšují. Příčinou může být tzv. hygroskopická expanze při níž přebytečnou vodu nasaje tuhnoucí sádra z alginátového otisku.

Průběh expanze (horní křivka) a změny teploty (dolní křivka) při tuhnutí (upraveno podle Schwindlinga).

Průběh expanze a změny teploty při tuhnutí sádry

Sádra expanduje rovnoměrně a stlačí při tom každou pružnou otiskovací hmotu. Velikost skutečné expanze modelu závisí, kromě již uvedených faktorů, na hodnotě expanze užité sádry, na jejím množství a na tloušťce vrstvy otiskovací hmoty, kterou lze stlačit.

Je třeba připomenout, že sádrový model v laboratoři za normální teploty a vlhkosti kontrahuje během sedmi dnů asi o 0,04 %.

Pevnost ztuhlé sádry

Hustota přírodního sádrovce je 2,3 proti 0,5-1,6 u rehydratovaného sádrovce, tedy ztuhlé sádry. Rozdíly jsou způsobeny různým množstvím vody potřebné k smíchání. Pevnost ztuhlého vyschlého sádrového modelu je závislá na jeho hustotě, na jeho porozitě (pórovitosti) a užitém poměru vody a sádry. Přebytečná voda zůstává po ztuhnutí v pórech modelu a snižuje jeho pevnost stejně jako vzduch vpravený při míchání do směsi. Vyschnutím modelu pevnost stoupá a u přírodních druhů sádry dosáhneme konečné hodnoty asi za týden, u chemických za 4 dny. Ještě 5 % vlhkosti však snižuje pevnost modelu o polovinu! Pevnost i tvrdost sádry závisí na řadě faktorů významných pro laboratorní zpracování. Čím menší množství vody použijeme, tím pevnější a tvrdší bude sádra. Při tuhnutí v otisku je sádra na dně pevnější než v horní části modelu. Z otiskovacích materiálů zmenšují pevnost sádry hydrokoloidy. Po vyplnění sádrou musí být z hydrokoloidního alginátového otisku vyjmut model maximálně za 30-40 minut. Hydrokoloidní otiskovací hmoty při delším ponechání na ztuhlém modelu ztrácejí při kontaktu se sádrou mnoho vody, sádra je méně pevná, modely zubů se snadno lámou a povrch modelu je málo odolný vůči otěru. Opatrnost je třeba zachovávat při sušení sádrových modelů, protože už při zahřátí nad 90 °C může dojít ke ztrátě pevnosti, vysvětlované začínající přeměnou dihydrátu v polohydrát.