Polymers in Medicine
2014, vol. 44, nr 1, January-March, p. 21–28
Publication type: original article
Language: English
Ageing Phenomenon in Acrylic Polymer Dental Materials Detected by Means of Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy
Zjawisko starzenia się w akrylowych materiałach dentystycznych mierzone za pomocą spektroskopii czasów życia pozytonów
1 Department of Structural Research and Medical Physics, Institute of Physics, Jan Dlugosz University, Czestochowa, Poland
2 Department of Pediatric Dentistry, Halytsky Lviv National Medical University, Lviv, Ukraine
Abstract
Background. Polymer materials based on acrylic monomers are commonly used in dentistry. It is important to research the structure of dental filling materials towards the material ageing.
Objectives. The study has been conducted in order to determine the presence of free volume gaps in the structure of polymer materials.
Material and Methods. Brand new, acrylic polymer based samples of dental Dipol materials were used as a research material. The study was conducted by means of the positron annihilation lifetime spectroscopy (PALS).
Results. As a result of the conducted measurements, curves describing numbers of counts of the acts of annihilation in the time function were obtained. The conducted studies revealed the existence of four components τ1, τ2, τ3 and τ4. The τ3 and τ4 components are attributed to the pick-off annihilation of o-Ps orthopositronium trapping by free volume gaps and provide information about geometrical parameters of the volumes. LT 9 computer program was used to calculate components. Free volume holes were determined from empirical relationship between the radius of free volume and the long lifetime components.
Conclusion. Conducted studies indicate the presence of free volume holes in the research materials. It has been noted that a new long lifetime component is assigned to a new kind of free volumes that exist in the structure of material related to the material ageing.
Streszczenie
Wprowadzenie. Materiały polimerowe oparte na monomerach akrylowych są powszechnie stosowane w stomatologii. Ważnym aspektem staje się badanie struktury wewnętrznej dentystycznych materiałów wypełnieniowych w kierunku ich starzenia się.
Cel pracy. Badania zostały przeprowadzone w celu wykazania występowania swobodnych objętości w strukturze wewnętrznej materiałów polimerowych.
Materiały i metody. Nowe próbki o nazwie Dipol, oparte na polimerach akrylowych, zostały zastosowane jako materiał badawczy. Badania struktury wewnętrznej próbek były przeprowadzone z użyciem spektroskopii czasów życia pozytonów (PALS).
Wyniki. W wyniku przeprowadzonych pomiarów uzyskano krzywe opisujące ilość zliczeń aktów anihilacji par pozyton–elektron w materiale w funkcji czasu. Badania wykazały istnienie w widmie czasów życia pozytonów czterech składowych τ1, τ2, τ3 i τ4. Składowe τ3 i τ4, dające informacje o geometrycznych parametrach wolnych przestrzeni, są związane ze zjawiskiem anihilacji w wyniku procesu pick-off ortopozytu (o-PS) zlokalizowanego w swobodnych objętościach. W celu rozkładu widma czasów życia pozytonów zastosowano program komputerowy LT9. Następnie wymiary swobodnych objętości zostały obliczone z użyciem empirycznej zależności między promieniem swobodnej objętości a czasem długo żyjącej składowej widma.
Wnioski. Przeprowadzone badania wskazują na istnienie w badanym materiale swobodnych objętości. Zauważono również, że długo żyjącą składową można przyporządkować istnieniu nowych centrów anihilacji w materiale związanych z procesem jego starzenia się.
Key words
acrylic polymers, dental materials, positron annihilation, free volumes
Słowa kluczowe
polimery akrylowe, materiały dentystyczne, anihilacja pozytonów, swobodne objętości
References (15)
- Rühle M., Dosch H., Mittemeijer E.J., Van de Voorde M.H.: European White Book on Fundamental Research in Materials Science. Max Planck Gesselschaft, Stuttgart 2002.
- Bradley D.: Materials Priorities in Europe. Mater. Today 2010, 13, 6–10.
- Chłopek J.: Biomateriały kompozytowe. Composites 2009, 9, 1–5.
- Olędzka E., Sobczak M., Kołodziejski W.L.: Polimery w medycynie – przegląd dotychczasowych osiągnięć. Polimery J. 2007, 11–12, 795–803.
- Sperling L.H.: Introduction to physical polymer science. Wiley, Bethlehem 2006.
- McCabe J.F., Walls A.W.G.: Applied Dental Materials. Blackwell, Singapore 2008.
- Boyko O., Shpotyuk Y., Filipecki J.: Positron annihilation lifetime study of extended defects in semiconductors glasses and polymers. Phys. Status Solidi C. 2013, 10, 121–124.
- Shao-jie W., Zhong-Xun T., De-Chong T.: Positron Annihilation. World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., Singapore 1985, Jain PC, Singru RM, Gopinathan KP. Ed.
- Tao S.J.: Positron annihilation. J. Chem. Phys. 1972, 56, 5499.
- Eldrup M., Lighbody D., Sherwood J.N.: Positron annihilation in polymers. Chem. Phys. 1981, 63, 51–62.
- Pathrick R.A.: Positron annihilation – a probe for nanoscale voids and free volume. Prog. Polymer Sci. 1997, 22, 1–47.
- Kansy J.: Microcomputer program for analysis of positron annihilation lifetime spectra. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A. 1996, 235–244.
- Hyla M., Filipecki J., Świątek J.: Positron annihilation study of the free volume changes in thermally treated polymers based on acrylate oligomers. J. Non-Cryst. Solids 2006, 352, 2726–2730.
- Kocela A., Filipecki J., Korzekwa P., Golis E.: Investigations of the free volume changes in the structure of the polymer bifocal contact lenses by means of the positron annihilation method. Pol. Med. 2012, 42, 61–68.
- Filipecki J., Kocela A., Korzekwa P., Miedziński R., Filipecka K., Golis E., Korzekwa W.: Structural study of polymer hydrogel contact lenses by means of positron annihilation lifetime spectroscopy and UV-vis-NIR methods. J. Mater. Sci.: Mater. Med. 2013, 24, 1837–1842.