UNIVERZA V LJUBLJANI
Fakulteta za strojništvo
Abrazivnost poliranja okarakterizirana s standardom abrazivnosti zobnih past
Tjaša Dim
Zaključna naloga Univerzitetnega študijskega programa I. stopnje
Strojništvo – Razvojno raziskovalni program
UNIVERZA V LJUBLJANI
Fakulteta za strojništvo
Abrazivnost poliranja okarakterizirana s standardom abrazivnosti zobnih past
Zaključna naloga Univerzitetnega študijskega programa I. stopnje Strojništvo – Razvojno raziskovalni program
Tjaša Dim
Mentor: prof. dr. Franci Pušavec, univ. dipl. inž.
Zahvala
Zahvaljujem se svojemu mentorju, prof. dr. Franciju Pušavcu, in asist. Luki Kastelicu za usmerjanje in vso pomoč pri pisanju zaključne naloge.
Posebna zahvala pa gre moji družini, ki me je med študijem in pisanjem naloge potrpežljivo podpirala in spodbujala.
Izvleček
UDK 666.792:681.7:665.583.4(043.2) Tek. štev.: UN I/1592
Abrazivnost poliranja okarakterizirana s standardom abrazivnosti zobnih past
Tjaša Dim
Ključne besede: abraziv
3D merilni mikroskop RDA
zobna pasta profilometrija ščetkanje
Pomemben del ščetkanja zob je odstranjevanje zobnih madežev in ohranjevanje čistoče in beline zob. Sestavni del zobnih past so tudi abrazivni elementi, ki pripomorejo h kakovosti čiščenja zobovja, hkrati pa povečajo abrazijo zoba. Testirali smo štiri različne zobne paste, naredili 3D meritve površin testiranih vzorcev ter primerjali rezultate. Test je bil opravljen v skladu s standardom SIST EN ISO 11609:2017. Abrazivnost delcev smo merili s pomočjo radioaktivnih označevalcev RDA (angl. Radioactive Dentin Abrasivity). Vrednost RDA ne sme biti večja od 250, da je zobna pasta varna za uporabo. Največji RDA smo zabeležili pri zobni pasti, ki je namenjena beljenju zob in vsebuje agresivnejše elemente.
Abstract
UDC 666.792:681.7:665.583.4(043.2) No.: UN I/1592
Polishing abrasivity characterized by the standard of toothpaste abrasivity
Tjaša Dim
Key words: abrasive
3D measuring microscope RDA
dentifrice profilometry brushing
An important part of brushing your teeth is removing tooth stains and keeping your teeth clean and white. An integral part of toothpastes are also abrasive elements that contribute to the quality of cleaning teeth, while increasing tooth abrasion. We tested four different toothpastes, made 3D measurements of the surfaces of the tested samples, and compared the results with each other. The test was performed in accordance with the standard SIST EN ISO 11609: 2017. We found that all samples fell below the RDA value of 250. The highest RDA was recorded for toothpaste, which is intended for teeth whitening and contains more aggressive elements.
Kazalo
Kazalo slik ... xi
Kazalo preglednic ... xii
Seznam uporabljenih okrajšav ... xiii
1 Uvod ... 1
1.1 Ozadje problema ... 1
1.2 Cilji ... 2
2 Teoretične osnove in pregled literature ... 4
2.1 Abrazija ... 4
2.1.1 Mehanizmi abrazijske obrabe ... 4
2.1.2 Modeli abrazijske obrabe ... 5
2.1.3 Abrazivnost delcev ... 6
2.1.4 Vpliv temperature in vlažnosti na abrazijsko obrabo ... 9
2.2 Standard SIST EN ISO 11609:2017 ... 10
2.2.1 Radioaktivna metoda ... 10
2.2.2 Metoda profilometrije ... 11
3 Metodologija raziskave ... 12
3.1 Priprava na eksperiment ... 12
3.1.1 Priprava vzorcev sklenine in zobnih past ... 12
3.1.2 Priprava opreme ... 13
3.2 Eksperimentalni del ... 14
3.2.1 Potek preizkusa ... 14
3.2.2 Analiza obrabe ... 14
3.2.2.1 Profilometer ... 14
3.2.2.2 Meritve obrabe vzorcev sklenine ... 16
4 Rezultati ... 17
5 Diskusija ... 20
6 Zaključki ... 21
Literatura ... 22
Kazalo slik
Slika 1.1 Zobna pasta z abrazivnimi delci [13] ... 1
Slika 1.2 Anatomija zoba [12] ... 2
Slika 2.1 Mehanizmi abrazivne obrabe [3]. ... 5
Slika 2.2 Model abrazijske obrabe z dvema telesoma [3]. ... 5
Slika 2.3 Model abrazijske obrabe s tremi telesi [3]. ... 6
Slika 2.4 Relativna abrazijska obrabna odpornost glede na razmerje trdote med podlago in zrnci [3]. ... 7
Slika 2.5 Učinek krhkosti in žilavosti zrn na učinkovitost abrazijske obrabe [3]. ... 8
Slika 2.6 Metoda za definiranje geometrije zrna z vrsto polmerov [3] . ... 9
Slika 3.1 Testni vzorci zobne paste. ... 12
Slika 3.2 3D model naprave za izvedbo preizkusa ... 13
Slika 3.3 3D merilni mikroskop Alicona [11]. ... 15
Slika 3.4 Merilna postaja ... 16
Slika 4.1 Diagram RDA in globine abrazije... 19
Kazalo preglednic
Preglednica 3.1: Karakteristike 3D merilnega mikroskopa Alicona ... 16 Preglednica 4.1: Rezultati meritev ... 17 Preglednica 4.2: Pregled in vloga sestavin testiranih zobnih past/tabletk ... 18
Seznam uporabljenih okrajšav
Okrajšava Pomen
CCD vrsta fotografskega senzorja (angl. Charge-Coupled-Device) Ra aritmetična srednja hrapavost
RDA metoda za določevanje abrazivnosti zobne paste (angl. Radioactive Dentin Abrasivity)
1 Uvod
1.1 Ozadje problema
Ključnega pomena za vzdrževanje zdravja ustne votline je redno čiščenje zobnih oblog, ki so glavni dejavnik pri nastajanju in razvoju kariesa in paradontalne bolezni. Odstranjevanje zobnih oblog z zobno ščetko je najpogostejša metoda ustne higiene v naši družbi. Zobna ščetka mora doseči in učinkovito očistiti večino predelov ust. Izdelanih in trženih je bilo veliko različnih izvedb zobnih ščetk. Glede na ščetine jih delimo na mehke, srednje in trde.
V paru z zobnimi ščetkami se že dolgo uporabljajo različna zobna sredstva, kot so zobne paste, zobne tablete, prah in ustne vode. Uporaba teh poveča mehanski nadzor zobnih oblog.
Razne študije so pokazale, da k odstranjevanju zobnih oblog in ohranjevanju čistoče in beline zob pripomorejo kemijski čistilci, oksidirani agenti in abrazivni delci, ki so sestavni elementi večine zobnih sredstev. Pogosto uporabljeni abrazivni delci v zobnih pastah so oborjeni kremen, kalcijev karbonat, aluminijev oksid in različni kalcijevi fosfati.
Slika 1.1 Zobna pasta z abrazivnimi delci [13]
Uvod
Idealno zobno sredstvo mora zagotoviti čim boljše čiščenje zobnih površin z najnižjo možno stopnjo odrgnjenosti. Zaradi varnosti uporabnikov in kontrole trga se pojavi potreba po določitvi vsebnosti abrazijskih delcev v zobni pasti, pri kateri ne bi prekomerno obrabili sklenine in/ali še mehkejšega dentina.
Slika 1.2 Anatomija zoba [12]
1.2 Cilji
V zaključni nalogi je predstavljen standard SIST EN ISO 11609:2017, ki podaja fizične in kemijske zahteve zobnih past ter predpisuje smernice, po katerih se zobne paste testirajo. Po smernicah standarda smo testirali vpliv štirih zobnih past različnih proizvajalcev na abrazijo zobne sklenine. V prvem delu zaključne naloge so predstavljene nekatere teoretične osnove abrazije, opisan je standard, po katerem so bili narejeni testi. V drugem delu sta opisana potek testiranja vzorcev in oprema, uporabljena pri preizkusu. V tretjem delu pa so
Uvod
izračuna enačbe regresije, ki je bila dobljena na podlagi povprečja meritev iz opravljenih testov in znanih RDA-vrednosti referenčnih zobnih past.
2 Teoretične osnove in pregled literature
2.1 Abrazija
Abrazija je oblika obrabe, ki jo povzroči stik med delcem in trdo površino, oziroma natančneje, ko se povzroči obraba določene površine, po kateri drgnejo delci iz materiala, ki ima enako ali večjo trdoto [1]. Najpogostejši primer abrazijske obrabe so lopate in plugi, s katerimi plužimo po zemlji. Vsak material, pa čeprav je glavnina sorazmerno zelo mehka, lahko povzroči abrazijsko obrabo, če so v njem prisotni trdi delci. Tudi organski material, kot je na primer sladkorni trst, je lahko povezan z abrazijsko obrabo, ki nastopi na rezilih za rezanje in na drobilnikih, s katerimi se melje sladkorni trst, saj ima ta med rastlinskimi vlakni tudi drobce silicija [2]. Glavni problem preprečevanja in obvladovanja abrazijske obrabe je v tem, da izraz abrazijska obraba ne pojasnjuje točno določenega mehanizma, ki privede do abrazije. Dejansko skoraj vedno nastopa več različnih mehanizmov hkrati, vsak izmed njih pa ima svoje karakteristike, ki se med sabo zelo razlikujejo [3].
2.1.1 Mehanizmi abrazijske obrabe
Poznamo štiri mehanizme obrabe:
- mikrozareze, - razpoke, - utrujenost, - puljenje zrn.
Prvi primer na Sliki 2.1(a) predstavlja rezanje na površini, kjer trdi delčki režejo v mehkejšo površino. Material, ki se z rezanjem odstrani s površine, se pojavi v obliki obrabnih delčkov.
Na Sliki 2.1(b) so predstavljene razpoke, ki nastanejo, kadar je površina krhka. Obrabljeni delčki so posledica širjenja razpoke, ki prej ali slej naraste dovolj daleč in konvergira proti površini. Tretji primer, predstavljen na Sliki 2.1(c), se zgodi, kadar je duktilni material izpostavljen abraziji žilavih trdih delcev. V tem primeru je verjetnost razpok zelo majhna, površina pa se zaradi obrabe abrazijskih delcev močno deformira. V tem primeru nastanejo
Teoretične osnove in pregled literature
keramičnih materialih, kjer so vezi med zrni razmeroma šibke. V tem primeru je obrabni delec celotno zrno, ki ga abrazijski delec odtrga s površine [3].
Slika 2.1 Mehanizmi abrazivne obrabe [3]
2.1.2 Modeli abrazijske obrabe
Pot zrna preko obrabne površine definira naravo abrazijske obrabe. Raziskana sta dva modela abrazijske obrabe:
- model abrazijske obrabe z dvema telesoma in - model abrazijske obrabe s tremi telesi.
Model abrazijske obrabe z dvema telesoma si lahko predstavljamo kot brušenje z brusnim papirjem po površini telesa. Zrna, ki so trdo vgrajena v brusini papir, potujejo po površini kot rezalno orodje.
Teoretične osnove in pregled literature
Pri tritelesnem modelu abrazijske obrabe so zrna prosta. Preko površine se kotalijo ali drsijo povsem naključno, saj niso nikamor pritrjena.
Slika 2.3 Model abrazijske obrabe s tremi telesi [3]
Ugotovljeno je, da je obraba pri tritelesnem abrazijskem modelu desetkrat počasnejša kot obraba, ki se pojavi pri dvotelesnem abrazijskem modelu [3].
2.1.3 Abrazivnost delcev
Delcu ali zrnu se običajno pripisuje abrazivnost, kadar lahko povzroči hitro in učinkovito abrazijsko obrabo. V večini primerov abrazijska obraba nastopi, kadar je trdota površine, v katero abrazijski delci zadevajo, pod 80 % trdote delcev [4].
V nekaterih primerih je bilo ugotovljeno, da določena obraba nastopa na površinah tako dolgo, dokler meja plastičnosti materiala obrabne površine ne doseže vrednosti meje plastičnosti trdih delcev [4]. Abrazija je počasna, dokler sta trdoti abrazivnih delcev in obrabne površine enaki. Nekateri materiali, ki vsebujejo mehke faze oziroma niso povsem površinsko utrjeni, se obrabljajo tako dolgo, dokler ni trdota obrabne površine 1,2- do 1,4- krat večja od trdote abrazijskih delcev [4]. Na Sliki 2.4 je prikazan graf odvisnosti od razmerja med trdoto obrabne površine in trdoto abrazijskih delcev.
Teoretične osnove in pregled literature
Slika 2.4 Relativna abrazijska obrabna odpornost glede na razmerje trdote med podlago in zrnci [3]
Eden izmed bolj zapletenih dejavnikov v zvezi z abrazijsko obrabo je krhkost abrazivnih delcev. Če je zrno prekrhko, se lahko razleti v več finih delčkov, kar vodi v zmanjšanje obrabe [5]. Če je abraziv bolj žilav, se zrnca morda ne bodo lomila in s tem samodejno ustvarjala novih rezalnih robov, ki bi bili potrebni za intenzivnejšo obrabo. Žilava zrna bodo zato počasi izgubljala ostrino, rezalni robovi se bodo postopoma zaoblili in njihova abrazivnost bo upadla. Ta dva pojava prikazuje slika 2.5.
Teoretične osnove in pregled literature
Slika 2.5 Učinek krhkosti in žilavosti zrn na učinkovitost abrazijske obrabe [3]
Druga dva dejavnika, ki vplivata na abrazivnost delcev, sta velikost in oblika zrna. Velikost zrna je običajno definirana z najmanjšo kroglo, ki obdaja celotno zrno. Ta količina se lahko meri s sejanjem mineralnega praška skozi sita, ki imajo luknjice z znano dimenzijo.
Geometrija zrna je pomembna zato, da se ugotovi, koliko oblika zrna odstopa od idealne krogle ter koliko robov ali vogalov je prisotnih na zrnu. Odstopanje od krogle se pri večini delcev lahko opiše z vrsto polmerov: začenši z najmanjšim polmerom krogle, ki obdaja telo, potem pa s polmeri, ki delec opisujejo v vedno večje detajle, primer na Sliki 2.6.
Teoretične osnove in pregled literature
Slika 2.6 Metoda za definiranje geometrije zrna z vrsto polmerov [3]
Za opisovanje zrna so definirani trije parametri:
- celotna velikost zrna oz. premer najmanjšega kroga, ki zrno oriše, - serija polmerov, ki opisujejo zunanjo obliko,
- površinska hrapavost zrna [6].
Hrapavost zrna je definirana z vsoto kvadratov polmerov zunanjih oblik nad četrtim redom, ki jo delimo s srednjim polmerom, potem pa rezultat še korenimo.
V nekaterih raziskavah avtorji najpogostejša abrazijska sredstva, kot so SiC, Al2O3 in SiO2, opišejo z uporabo parametrov, kot sta razmerji širina/dolžina (W/L) in obseg2/površina projekcije zrna (P2/A). Nekatere raziskave nakazujejo, da se stopnja abrazije veča z večanjem razmerja P2/A ter upadanjem razmerja W/L [7].
2.1.4 Vpliv temperature in vlažnosti na abrazijsko obrabo
Vpliv temperature na abrazijsko obrabo se lahko razdeli na:
- vpliv temperature okolja in
- vpliv temperaturnega povišanja, ki je posledica plastične deformacije obrabnega materiala ob stiku z abrazijskim zrnom.
Vpliv povišane temperature okolja na abrazijsko obrabo še ni bil kaj dosti raziskan, morda zaradi težav pri eksperimentu. Nekaj omejenih testov je bilo izvedenih na bakru in aluminiju, ki so pokazali majhna povečanja obrabe pri temperaturah do 400 ℃ za baker in nobenih povečanj pri aluminiju [8]. Vemo pa, da se z naraščanjem temperature okolice ustrezno zmanjša trdota obrabnega materiala in tudi trdota abrazijskih delcev.
Teoretične osnove in pregled literature
Povečanje temperature zaradi plastične deformacije ob abraziji je povezano z veliko hitrostjo abrazijskih zrn. V tem primeru zaradi razmeroma kratkega stika med obrabnim materialom in abrazijskim zrnom slednji ostane hladen. Ker zrno ostane relativno hladno, se mu ne spremeni trdota, obrabni material pa se zaradi lokalno povišane temperature zmehča. Ko pride do tega, se obraba poveča.
Povišana vlažnost običajno poveča abrazijsko obrabo, v nekaj primerih pa se zgodi, da se obraba zmanjša. Napovedovanje, ali se bo obraba zvečala ali zmanjšala, je težavno delo.
Zaradi povečane vlage lahko zrna postanejo dovolj šibka, da se bodo razbila in bodo nastali novi ostri rezalni robovi. Lahko pa vlaga povzroči, da se abrazijska zrna razletijo v fine delčke, ki postanejo nenevarni za povzročanje abrazijske obrabe [5].
2.2 Standard SIST EN ISO 11609:2017
Testi zobnih past v zaključni nalogi so bili izvedeni na podlagi slovenskega standarda SIST EN ISO 11609:2017, ki podaja regulativo za izdelavo varnih in učinkovitih zobnih past ter standard za kvalifikacijo novih abrazivnih materialov za zobne paste.
Standard zajema dve metodi merjenja abrazivnosti dentina in sklenine:
- radioaktivna metoda in - metoda profilometrije.
2.2.1 Radioaktivna metoda
Najpogostejša metoda za določevanje abrazivnosti zobne paste je uporaba radioaktivnih označevalcev RDA. Ta metoda temelji na obsevanju dentina z nevtroni. Za pripravo vzorcev dentina uporabimo stalne zobe, ki so bili ob ekstrakciji vitalni. Vzorce zapakiramo v razkuževalno raztopino in jih oddamo v jedrski reaktor, kjer bodo obsevani. Vzorce obsevamo z 32P, izotop fosforja. Nato jih ščetkamo v ščetkalni napravi, pod standardnimi pogoji (čas ščetkanja, obremenitev, vtekanje …). Po končanem ščetkanju z Geigerjevim števcem izmerimo količino dentina, ki se je odstranila z zoba. Količino odstranjenega dentina primerjamo s količino odstranjenega dentina pri uporabi referenčne zobne paste, v kateri je kot abraziv uporabljen kalcijev fosfat. Abrazivna vrednost referenčne zobne paste je 100 [9]. Manjša kot je RDA vrednost, manj abrazivna je testirana zobna pasta.
RDA-lestvica se začne pri 0 in je navzgor neomejena. V splošnem velja, da so zobne paste, ki presegajo vrednost RDA 250, neprimerne za vsakodnevno uporabo in se glede na Ameriško zobozdravstveno združenje (American Dental Association) obravnavajo kot nevarne za uporabnika. Ker je ta metoda zahtevna, saj so vzorci podvrženi radioaktivnemu obsevanju, je bila kot ekvivalent tej metodi razvita metoda profilometrije.
Teoretične osnove in pregled literature
2.2.2 Metoda profilometrije
Ta metoda temelji na določevanju obrabljene globine po ščetkanju s pomočjo profilometrije in bo podrobneje predstavljena v nadaljevanju zaključne naloge.
3 Metodologija raziskave
3.1 Priprava na eksperiment
Narejeni so bili eksperimenti s štirimi različnimi zobnimi pastami. Z metodo profilometrije smo merili vpliv obrabe na sklenino.
3.1.1 Priprava vzorcev sklenine in zobnih past
Za simulirano površino človeške sklenine smo uporabili umetno sklenino oz. diske iz hidroksipatita proizvajalca 3D Biotek, dimenzij ø 9 mm × 1,6 mm. Pred začetkom testiranja je treba vzorce umetne sklenine zbrusiti in spolirati do hrapavosti, ki ne sme biti večja od Ra 0,1. Zaradi zagotovitve kakovosti je treba geometrijo vzorca pred potekom testa premeriti s profilometričnim pregledom. Površina vzorca mora biti ravna znotraj 10 µm, vdolbinam in nepravilnostim na vzorcih se je treba izogniti.
Umetno sklenino smo testirali v kombinaciji s štirimi različnimi zobnimi pastami. Tri od štirih imajo znano relativno abrazijo sklenine oz. RDA-vrednost, četrto vrednost RDA pa moramo dobiti sami.
Metodologija raziskave
Testne raztopine zobnih past pripravimo po navodilih, ki jih podaja standard. V primeru uporabe zobne paste zmešamo 25 g zobne paste in 40 ml vode. V primeru uporabe praškov oz. tablet zmešamo 10 g praška/tablet in 50 ml vode. Vse raztopine močno premešamo, da dobimo homogeno zmes. Uporabiti jih moramo kmalu po mešanju, da se abrazivni delci ne posedejo.
3.1.2 Priprava opreme
V preizkusu se med posameznimi testi uporabljajo zobne ščetke istih proizvajalcev, istega tipa, iste verzije. Ščetke je treba pred in med posameznimi testi namakati v vodi 24 ur. Pred prvo uporabo moramo s ščetkami opraviti vtekanje na napravi z 20.000 gibi.
Naprava za izvedbo preizkusov mora biti zasnovana tako, da ustreza standardu. To pomeni, da mora zagotavljati enakomerno pritisno silo ščetk na vzorce, možnost regulacije pritisne sile, nastavljiv hod ščetke, možnost odmika ščetke ob merjenju ali menjavi, dobro pozicioniranje in zaščito vzorcev in ponovljivost testov.
Naprava, uporabljena v preizkusu, omogoča izvedbo štirih vzporednih testov. Vpetje ščetk je zasnovano tako, da omogoča vpetje različnih ščetk. Naprava je prilagojena za montažo na obdelovalni stroj, ki zagotavlja konstantne in ponovljive teste med daljšimi testiranjem.
Slika 3.2 3D model naprave za izvedbo preizkusa
Metodologija raziskave
3.2 Eksperimentalni del
3.2.1 Potek preizkusa
Diske umetne sklenine pritrdimo v napravo za ščetkanje, pri čemer pazimo, da so vzorci poravnani z dnom naprave.
Vsakič ko namestimo vzorec, preverimo obremenitev ščetke na vzorec na posamezni postaji z uporabo vzmetnega merilnika. Obremenitev mora biti 150 g, pri čemer je glava ščetke centrirana nad vzorcem.
Hitrost gibanja ščetke nastavimo na 170 gibov/minuto (glede na standard je sprejemljiva hitrost od 120 do 170 gibov/minuto). Ščetkalni gibi so nastavljeni tako, da se glava ščetke premika po vzorcih za celotno dolžino glave ščetke, pri čemer ščetka izgubi stik z vzorcem in ponovno vzpostavi stik z vsakim nasprotnim gibom. Ena poteza/gib ščetke ustreza gibanju glave ščetke naprej in nazaj.
Sklenina je najtrša snov v telesu in globina obrabe bo bistveno manjša, kot bi bila pri dentinu.
Da zagotovimo ustrezen dinamični razpon srednje globine abrazije, je treba vzorce ščetkati z 10.000 gibi s testnimi zobnimi pastami in referenčnim standardom abrazivnosti RDA.
Zgornjo mejo RDA 40 dosežemo s ščetkanjem z abrazivnim standardom 40.000 gibov (4 × ščetkanje RDA 10).
Vzorce zarotiramo na vsakih 1250 gibov. Pri vsaki rotaciji jih obrnemo za 180 ° ter ponovno premešamo raztopine zobnih past, tako se prepričamo, da se abraziv ne posede. Hkrati ponovno preverimo obremenitev ščetk na vsakem vzorcu in tako zagotovimo konstantno obremenitev 150 g. To ponavljamo do 10.000 gibov. Ko ščetkamo referenčne raztopine RDA 40, zarotiramo, premešamo in preverimo obremenitev na vsakih 5000 gibov, do popolnega zaključka 40.000 gibov.
Ko je test končan, vzorce odstranimo iz nosilcev, speremo pod tekočo vodo in izmerimo globino obrabe s profilometrijo.
3.2.2 Analiza obrabe
3.2.2.1 Profilometer
Po končanem preizkusu smo površine vzorcev analizirali s 3D merilnim mikroskopom Alicona InfiniteFocus SL (Slika 3.3).
Metodologija raziskave
Alicona je visoko zmogljiv in natančen 3D merilni mikroskop, ki deluje na principu spreminjanja gorišča po višini. Da pridobimo celotno 3D sliko površine, je treba merilni sistem premikati v vertikalni smeri (z-os), kjer se na vsaki ravni zabeležijo podatki o poziciji posameznih točk na površini. Premikanje v vertikalni smeri je izvedeno z natančnim mehanskim pozicioniranjem ali piezoelektričnim pozicionirnim sistemom. Ko je skeniranje opravljeno na vseh ravneh, se podatki računalniško obdelajo in dobimo 3D sliko skenirane površine. Velikost skeniranega območja v smeri X in Y je odvisna od uporabljenega optičnega sistema oz. povečave objektiva, ki projicira svetlobo od objektiva na CCD-senzor.
Tudi natančnost naprave je neposredno povezana s povečavo objektiva. Skenirne naprave običajno omogočajo tudi skeniranje merjencev večjih dimenzij od delovnega območja objektiva, saj jih namestimo na natančno pozicionirno mizico. Ko naprava zaključi skeniranje objekta v zornem polju objektiva, se objekt na mizici premakne v smeri X in Y, tako da zajame novo območje na merjenem objektu. Vsi podatki se nato računalniško obdelajo in združijo v eno 3D sliko objekta, ki je tako lahko mnogo večja od območja zornega polja objektiva [10].
Slika 3.3 3D merilni mikroskop Alicona [11]
Metodologija raziskave
Preglednica 3.1: Karakteristike 3D merilnega mikroskopa Alicona
Povečava objektiva 5× 10× 20×
Delovno območje merilne naprave (X, Y, Z) [mm] 50 x 50 x 155
Delovno območje objektiva [mm] 4 × 4 2 × 2 1 × 1
Največja lateralna ločljivost [µm] 3,52 1,76 0,88
Največja vertikalna ločljivost [nm] 510 100 50
Minimalna merljiva profilna hrapavost [µm] - 0,3 0,15 Minimalna merljiva površinska hrapavost [µm] - 0,15 0,075
Minimalen merljiv radij [µm] 10 5 3
3.2.2.2 Meritve obrabe vzorcev sklenine
Pri pripravi in izvajanju meritev moramo slediti merilnemu protokolu. Najprej vzorec umetne sklenine pod vodo speremo in osušimo. Nato vzorec pritrdimo na delovno mizo naprave in izberemo ustrezen objektiv, glede na želeno natančnost meritve. Ker se v našem primeru ukvarjamo s fino obrabo, smo uporabili objektiv povečave 20×, ki ima merilno območje 1 mm × 1 mm. Potrebno je prilagoditi tudi smer in jakost osvetlitve ter v programski nastavitvah definirati svetlost in kontrast. Zaradi visoke refleksije uporabimo polarizator in polarizacijsko zaslonko. Na koncu izberemo še območje meritve, definiramo območje najvišje in najnižje pozicije objektiva, znotraj katerega se bodo izvajale meritve, ter določimo vertikalno in lateralno ločljivost.
Čas trajanja meritev je odvisen od izbranih nastavitev, velikosti merjenca in želene natančnost izbranega objektiva.
4 Rezultati
V spodnji tabeli so predstavljeni rezultati meritev s 3D merilnim mikroskopom.
Preglednica 4.1: Rezultati meritev
Zobna pasta/prašek/tablete 2D topografija vzorca
Srednja obraba ha [µm]
1. 20,1
2. 2,62
3. 0,85
4. 1,27
Rezultati
Srednja obraba ha je povprečna globina na podlagi treh meritev.
Na vseh štirih vzorcih lahko opazimo znake abrazije. V Preglednici 4.1 si lahko ogledamo profilno analizo z določenega dela zajete površine.
Opazimo lahko, da so vrednosti obrabe pri testiranju zobne paste Colgate Total nekoliko višje kot vrednosti obrabe ostalih treh zobnih past. Vzroke za razlike v obrabi lahko najdemo v sestavi zobnih past.
Preglednica 4.2: Pregled in vloga sestavin testiranih zobnih past/tabletk
Sestavine Vloga sestavin 1. 2. 3. 4.
Glicerol Vlažilo X X
Voda Topilo X X
Hidrirani silicijev dioksid Abraziv X X
Natrijev lavrilsulfat Površinsko aktivna snov-čiščenje X
Argnin Krepi ustno floro X
Aroma Aroma X X
Celulozni gumi Zgoščevalo X
Cinkov oksid Antiplak delovanje X
Poloxamer 407 Topilo X
Cinkov citrat Poskrbi za svež dah X
Tetrasatrijev pirofosfat Antiplak delovanje X
Ksantan gumi Zgoščevalo X
Benzilni alkohol Topilo X
Kokamidopropil betain Površinsko aktivna snov – čiščenje X
Natrijev fluorid Antiplak delovanje X X
Natrijev saharin Aroma, sladilo X X
Fosforna kislina Odstranjuje madeže X
Sukraloza Sladilo X
CI 77891 Barvilo X
Sorbitol Vlažilo, topilo X
Steareth-20 Površinsko aktivna snov – emulgator X
Titanov dioksid Pigment X
Natrijev hidrogenkarbonat Čistilo, sredstvo za zgoščevanje X X X
Karagenan Površinsko aktivna snov – emulgator X
Natrijev klorid Poveča pretok sline X
Citronska kislina Povečanje učinkovitosti antioksidantov X
Natrijev benzoat Konzervans X
Kalijev tiocianat Antiplak delovanje X
Glukozna oksidaza Konzervans X
Amiloglukozidaza Konzervans X
Laktoperoksidaza Konzervans X
Naravni izvleček mete Aroma X
Rezultati
Ksilitol Sladilo X
Dikalcijev fosfat Antiplak delovanje X
Soda bikarbona (natrijev hidrogenkarbonat) ne vsebuje nobenih dodatnih abrazivov, zato je tudi vrednost obrabe izjemno nizka. Nasprotno pa Colgate Total vsebuje večjo količino abraziva (hidrirani silicijev dioksid) kot ostale zobne paste, to povzroči večjo vrednost obrabe. Tabletke za zobno čistočo Toothie vsebujejo organski abraziv – belo glino, ki ima nižjo abrazivno moč kot anorganski abrazivi.
S pomočjo znanih RDA-vrednosti treh zobnih past in pridobljenih vrednosti srednje obrabe smo določili enačbo regresije: 𝑦 = 0,0006𝑥2+ 0,0553𝑥 + 0,4344.
Sledi preračun RDA-vrednosti za y je vrednost obrabe 1,27.
0,0006𝑥2 + 0,0553𝑥 − 0,8356 = 0 𝑥1,2 = −𝑏 ± √𝑏2− 4𝑎𝑐
2𝑎
𝑥1,2 = −0,0553 ± √0,05532− 4 ∗ 0,0006 ∗ (−0,8356) 2 ∗ 0,0006
𝑥1 =−0,0553 + √0,05532− 4 ∗ 0,0006 ∗ (−0,8356)
2 ∗ 0,0006 = 13,2154
𝑥2 = −0,0553 − √0,05532− 4 ∗ 0,0006 ∗ (−0,8356)
2 ∗ 0,0006 = −105,3821
Iz enačbe tako dobimo RDA-vrednost testiranih zobnih tabletk Toothie – RDA 13.
Slika 4.1 Graf RDA in globine abrazije
5 Diskusija
V zaključnem delu je bil izveden test obrabe zobnih past na vzorcih umetne sklenine po slovenskem standardu SIST EN ISO 11609:2017. Cilj naloge je bil določitev RDA-vrednosti zobnih tabletk Toothie Fresh Mint.
Vemo, da na obrabno moč zobnih past vplivajo tehnika ščetkanja, pritisna sila zobne ščetke na zob, trajanje in frekvenca ščetkanja, tip zobne ščetke predvsem trdota ščetin, narava abrazivnih delcev, ki jih zobne paste vsebujejo, in velikosti teh abrazivnih delcev. V predstavljeni nalogi je bil test izveden na napravi za ščetkanje, zaradi česar imamo lahko pritisno silo, trajanje in frekvenco ščetkanja kot konstantno. Vzorce umetne sklenine smo na 3D merilnem mikroskopu pomerili pred opravljenim testom in po njem.
Iz testov smo ugotovili, da je globina abrazije največja pri vzorcu, ki smo ga testirali z zobno pasto Colgate Total. Razlog za to je tudi v tem, da ta zobna pasta vsebuje neraztopljive abrazivne delce, ki povzročajo znatno večjo obrabo kot abrazivni delci, ki so topljivi.
Dobljena RDA-vrednost zobnih tabletk Toothie Fresh Mint je 13. Razloge za njeno nizko vrednost najdemo v sestavi tabletk. Glavna razlika v sestavi tablet v nasprotju z ostalimi testiranimi pastami je v tem, da kot abraziv tabletke vsebujejo belo glino, ki je organskega izvora in povzroča manjšo obrabo kot ostali abrazivi.
Iz testa smo ugotovili, da imajo zobne tabletke Toothie Fresh Mint relativno nizko abrazivnost in so iz tega vidika primerne za uporabo.
6 Zaključki
V zaključni nalogi smo opisali postopek zajema RDA-vrednosti zobnih past. Ugotovili smo:
1) RDA-vrednosti lahko pridobimo z metodo profilometrije, ne da bi morali vzorce obsevati.
2) Pred testiranjem je treba vzorce sklenine fino obdelati, spolirati.
3) Na RDA-vrednosti vplivajo sestavni elementi zobnih past, predvsem abrazivi.
4) RDA-vrednost testiranih tabletk je izjemno nizka in uporabniku prijazna.
Ugotovili smo, da na RDA-vrednosti v največji meri vplivajo abrazivni delci, ki jih zobne paste vsebujejo.
Predlogi za nadaljnje delo
Za nadaljnje raziskovanje predlagam teste, pri katerih bi uporabili zobne ščetke različnih trdot. Tako bi lahko ugotovili, kako na abrazijo zoba vpliva tip ščetke.
Prav tako bi lahko za vzorce uporabili človeške zobe in tako primerjali rezultate z umetnimi vzorci.
Literatura
[1] Research Group on Wear of Engineering Materials, Glossary of Terms and Definitions in the Field of Friction, Wear and Lubrication, Tribology O. E. S. D.
Publications, Pariz, 1969.
[2] R. B. Sharp, Plant Silica: An abrasive Constituent of Plant Matter, J. Agricultural Engineering research, Vol. 7, 1962, str. 214–220.
[3] Gwidon Stachowiak, Andrew Batchelor: Abrasive, Erosive and Cavitation wear, Engineering Tribology, Elsevier Butterworth-Heinemann, Oxford, 2005, str. 501–
552.
[4] R. C. D. Richardson: Wear of Metals by Relatively Soft Abrasives, Wear, Vol. 11, 1968, str. 245–275.
[5] M. A. Moore: Abrasive Wear, ASM Materias Science Seminar on Fundamentals od Friction and Wear of Materials, 4–5 October 1980, Pittsburgh, Pennsylvania, ur.: D.
A. Rigney, Metals Park, Ohio, Publ. ASM, 1981, str. 73–118.
[6] P. A. Swanson: The Measurement of Abrasive Particle Shape and Its Effect on Wear.
ASLE Transactions 28, 1985, str. 225–230.
[7] S. Bahadur in R. Badruddin: Erodent Particle Characterization and the Effect of Particle Size and Shape on Erosion, Wear, Vol. 138, 1990, str. 189–208.
[8] S. Soemantri, A. C. McGee in I. Finnie: Some Aspects of Abrasive Wear at Elevated Temperatures, Wear, Vol. 104, 1985, str. 77–91.
[9] SIST EN ISO 11609: Zobozdravstvo – Zobne paste – Zahteve, preskusne metode in označevanje, 2017.
[10] D. Grugraš, L. Čerče, D. Kramar, F. Pušavec: Uporaba napredne 3D-merilne naprave v tehniki. Ventil, 23, 4 , Ljubljana, 2017, str. 220–224.
[11] Alicona. Dostopno na: https://www.alicona.com/en/products/infinitefocussl/, ogled:
10. 7. 2021.
[12] MedDenS. Dostopno na: https://www.meddens.si/go/954/ANATOMIJA- ZGRADBA-ZOBA, ogled: 10. 7. 2021.
