Ossido di zirconio

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Ossido di zirconio
Nome IUPAC
diossido di zirconio
Caratteristiche generali
Formula bruta o molecolare ZrO2
Massa molecolare (u) 123,22 g/mol
Aspetto polvere bianca
Numero CAS [1314-23-4]
Proprietà chimico-fisiche
Densità (g/cm3, in c.s.) 5,7 (20 °C)
Solubilità in acqua (20 °C) insolubile
Temperatura di fusione 2.680 °C (~2.953 K)
Temperatura di ebollizione 4.300 °C (~4.573 K)
Indicazioni di sicurezza
Simboli di rischio chimico
irritante

attenzione

Frasi H 315 - 319 - 335
Consigli P 261 - 305+351+338 [1]
Ossido di zirconio
Kristallstruktur Zirconium(IV)-oxid.png

L'ossido di zirconio (o zirconia) è l'ossido dello zirconio.

Forma e struttura[modifica | modifica wikitesto]

A temperatura ambiente si presenta come una polvere bianca inodore. È una sostanza cristallina polimorfa. Fino a 1170 °C presenta struttura cristallina monoclina. Da 1170 °C a 2370 °C presenta struttura cristallina tetragonale. Oltre 2370 °C presenta struttura cristallina cubica. Il punto di fusione è 2680 °C.

Durante il riscaldamento la trasformazione dalla struttura monoclina alla struttura tetragonale avviene con una contrazione volumetrica di circa il 5%.

Durante il raffreddamento la trasformazione inversa dalla struttura tetragonale alla struttura monoclina è di tipo martensitico ed avviene con una espansione volumetrica.

Polimorfismo della zirconia[modifica | modifica wikitesto]

L'espansione volumetrica nella trasformazione dalla fase tetragonale a quella monoclina è poco significativa sulle polveri libere di zirconia, ma ha importanti conseguenze quando si ha a che fare con un verde (polveri compattate). In questo caso infatti durante la sinterizzazione del verde avviene la trasformazione della zirconia dalla fase monoclina a quella tetragonale con la conseguente contrazione volumetrica (sommata alla contrazione volumetrica che il processo di sinterizzazione di per sé comporta). Durante il raffreddamento si ha la trasformazione inversa, da fase tetragonale a monoclina, con conseguente espansione volumetrica che in un pezzo massivo comporta formazione di cricche fino a rottura. La formazione delle cricche in fase di raffreddamento, con conseguente rottura del pezzo, viene evitata impedendo la trasformazione della struttura tetragonale in una struttura monoclina, ovvero la forma tetragonale normalmente stabile solo ad alte temperature viene resa stabile a temperatura ambiente grazie all'aggiunta di particolari additivi: si tratta di ossidi refrattari come l'ossido di calcio, di magnesio o l'ittria. Si ottiene con l'aggiunta di questi additivi una zirconia "parzialmente stabilizzata".

La zirconia parzialmente stabilizzata presenta un particolare meccanismo di tenacizzazione:

  • Quando una cricca si propaga nel pezzo massivo può incontrare dei grani di zirconia tetragonale che a temperatura ambiente è metastabile (ovvero esiste solo grazie all'aggiunta degli additivi, altrimenti sarebbe stabile solo ad alte temperature)
  • Quando avviene l'"incontro" il grano di zirconia tetragonale assorbe l'energia della cricca e la utilizza per trasformarsi in un grano di zirconia monoclina (espandendosi)
  • La trasformazione della zirconia ha bloccato la propagazione della cricca: per questo motivo la zirconia parzialmente stabilizzata viene usata come tenacizzante di componenti ceramici, come l'allumina, ad esempio nelle artroprotesi.

La zirconia in odontoiatria[modifica | modifica wikitesto]

Nel 1998 con i primi studi effettuati nella clinica odontoiatrica dell'università di Zurigo vennero utilizzate delle corone e ponti in ossido di zirconio prodotte con il sistema DCM che dimostrarono fin dall'inizio una straordinariamente elevata resistenza alla rottura. i primi sistemi furono quelli della Degussa Dental (oggi Degudent azienda del gruppo Dentsply) ha acquisito nel 1990 i diritti del sistema DCM sviluppando il sistema "CAD-CAM Cercon" e la sistematica etkon oggi straumann le innovazioni sono avvenute quando è iniziata la diffusione degli scanner 3D, come gli scanner DentalWings, 3Shape o altri che permettono la scansione dei calchi e il rapido disegno cad di ponti, corone, barre e scheletrati.

Visto il suo buon grado di biocompatibilità, leggerezza e economia, sta divenendo oggi il materiale d'eccellenza nella realizzazione di restauri dentali. Rispetto alle ceramiche su metallo nobile (oro, palladio), lo zirconio paga la totale mancanza di "valore aggiunto". Si tratta infatti di un materiale dal costo molto contenuto e quindi adatto alla fresatura.

La tecnologia CAD/CAM si realizza mediante fresatura blocchi di ossido di zirconio presinterizzato ad uno stato di consistenza morbida e di buona lavorabilità denominato Y-TZP. Dopo la fresatura del materiale morbido si procede alla sinterizzazione a 1400-1500 °C per circa 8 ore. La zirconia così diventa stabile, con caratteristiche meccaniche eccellenti e potrà essere utilizzata come supporto per la ceramica dentale.

Tra i grandi pregi della Zirconia, in luogo delle altre leghe dentali, va menzionato il fattore estetico, soprattutto in termini di traslucidità, è inoltre notevole la compatibilità biologica e la stabilità ionica, nonché il peso specifico ridotto.

Altro grande pregio è la durezza, ma soprattutto è notevole la sua resistenza alla flessione 1.320 MPa, e la resistenza alla rottura, che permettono di apportare spessori di ceramica che arrivano sino a meno di 0,6 millimetri e di costruire ponti estesi, leggeri e robusti, anche con più elementi mancanti. Fattore molto importante è che nel procedimento di ceramizzazione la forma (macrostruttura) della struttura cristallina non si modifica sostanzialmente, dunque la parte interessata non subisce alterazioni. Il relativo breve periodo di utilizzo, non garantisce però ancora risultati paragonabili ai metalli, in termini di affidabilità e adesione ai monconi pilastro.

La zirconia in ortopedia[modifica | modifica wikitesto]

Gli ossidi ceramici, come la zirconia, grazie alla loro eccellente biocompatibilità e resistenza all’usura vengono utilizzati nella realizzazione di componenti articolari come l’anca e il ginocchio. Per queste applicazioni la zirconia non è adoperata come pezzo massivo, poiché è stato evidenziato clinicamente il fallimento del contatto zirconia-zirconia, ma vengono piuttosto usate piccole particelle di zirconia parzialmente stabilizzata con cerio (l'ittria si è scoperto che si deteriora nel tempo a contatto con i liquidi organici, dando origine a rotture) omogeneamente distribuite in una matrice d'allumina. In questo modo viene aumentata la resistenza a frattura e la tenacità dell'allumina grazie al meccanismo di tenacizzazione della zirconia tetragonale metastabile descritto precedentemente. I vantaggi derivanti dall'uso della zirconia, al posto dell'allumina, nell'artroprotesi dell'anca, sono:

  • possibilità di costruire teste femorali più piccole
  • possibilità di costruire colli femorali anche molto lunghi (perché la zirconia resiste meglio alle sollecitazioni di flessione, a cui il collo femorale è normalmente sottoposto)
  • tenacità
  • possibilità di sfruttare (in modo controllato) la trasformazione di fase della zirconia

Per contro gli svantaggi che la zirconia presenta rispetto all'allumina sono:

  • l'impossibilità di essere sterilizzata in autoclave (deve essere sterilizzata con metodi diversi, ad esempio con l'esposizione a raggi gamma)
  • il fallimento del contatto zirconia/zirconia (infatti attualmente l'uso principale della zirconia è quello di tenacizzante di una matrice di allumina, non è usata come pezzo massivo).

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ Sigma Aldrich; rev. del 15.11.2011

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]