Свойства неметаллических материалов

1

Общие сведения о неметаллических материалах. Классификация. Потребительные свойства. Применение в медицине

При проектировании медицинских аппаратов решающим вопросом является выбор материала для его изготовления. При изготовлении медицинского оборудования и изделий используются различные материалы железо, легированные металлы и их сплавы, неметаллические материалы (резина, винипласт, фаолит, пластмассы) и защитные покрытия, изготовленные на основе сополимеров, полихлорвиниловых смол, а также лаки, полиэтилен, фторопласты и др.

Понятие неметаллические материалы включает большой ассортимент материалов таких, как пластические массы, композиционные материалы, резиновые материалы, клеи, лакокрасочные покрытия, древесина, а также силикатные стекла, керамика и др.

Неметаллические материалы являются не только заменителями металлов, но и применяются как самостоятельные, иногда даже незаменимые материалы. Отдельные материалы обладают высокой механической прочностью, лёгкостью, термической и химической стойкостью, высокими электроизоляционными характеристиками, оптической прозрачностью и т. п. Особо следует отметить технологичность неметаллических материалов. Для изготовления установок, аппаратов и их узлов используют неорганические материалы, стекло, искусственные силикатные материалы и материалы органического происхождения (дерево, пластмассы).

Традиционно стекло занимает одно из ведущих мест в качестве материала для производства медицинских товаров. Стекло широко применяется в химико-фармацевтическом производстве при изготовлении трубопроводов, фильтров, ёмкостей и другого медицинского оборудования. Преимущества стекла: химическая стойкость, прозрачность и малый коэффициент термического расширения. Недостатки стекла: хрупкость, относительная сложность узлов и деталей, непригодность для работы при резких изменениях температуры.

В медицине наиболее часто используют неорганическое силикатное стекло, обладающее высокими механическими, тепловыми и химическими свойствами. Свойства стекла зависят от сочетания входящих в его состав компонентов. Марки и технические требования к стеклу, предназначенному для изготовления изделий медицинского назначения, определены ГОСТом 19808-86. Качество медицинского стекла оценивают по следующим показателям: термическая стойкость, коэффициент линейного теплового расширения при температурах 20 - 400°С, водостойкость и щёлочностойкость. Наименьшей термостойкостью (125-130°С) обладают стёкла марок МТО, ОС, ОС-1, АБ-1. Термостойкость нейтральных стёкол находится в интервале 145-150°С, химически и термически стойких стёкол достигает 190°С (марки ХТ) и 170°С (марки ХТ-1). Наиболее низкая водостойкость у тарного медицинского и щёлочного стекла марки АБ-1. Наиболее высокой водостойкостью обладают стёкла марок ХТ и ХТ-1. Для изготовления медицинских изделий применяют следующие виды стёкол. Химико-лабораторное стекло (ГОСТ 21400-75) используют для изготовления лабораторной посуды, приборов и аппаратов. Стёкла этой группы подразделяют на химически стойкие первого, второго и третьего классов (ХС-1, ХС-2, ХС-3), термически и химические стойкие первого и второго классов (ТХС-1. ТХС-2), термически стойкое (боросиликатное 3.3) (ТС).

Специальное термометрическое стекло марок 360, 500 и 650 применяют для изготовления термометров с пределами измерений от - 200 до 600°С. Значение марки соответствует верхнему пределу шкалы термометра. Оптическое стекло применяют для изготовления линз для очков и элементов медицинских оптических приборов в офтальмологии и для лабораторных целей. Очковые стёкла изготавливают из стекла типа крон с показателем преломления 1,52. К светотехническим стёклам относят стёкла, обладающие избирательным поглощением отдельных участков светового спектра. К светотехническому стеклу относят стекло, предназначенное для поглощения и пропускания ультрафиолетового, инфракрасного и рентгеновского излучения, и поглощения гамма-лучей. Защитные стёкла предназначены для защиты организма от вредных и слишком ярких излучений. К ним относят теплозащитные стёкла, поглощающие тепловые инфракрасные лучи, тёмные защитные стёкла, применяемые для защиты глаз при работах, связанных со сваркой, плавлением металлов, и защитные стёкла, поглощающие рентгеновские и гамма-лучи.

В медицинской практике из керамических материалов наиболее часто используют изделия из фарфора и фаянса. Из них изготавливают химическую посуду санитарно-технические изделия, предметы ухода за больными (подкладные судна, поильники, чашки). Фарфор обладает высокой механической прочностью, термической и химической стойкостью, электроизоляционными свойствами. Фаянс в отличие от фарфора обладает большей пористостью и водопоглощением, поэтому все фаянсовые изделия покрыты тонким сплошным слоем водонепроницаемой глазури [1, с.179-184].

Ввиду сравнительно малой стоимости и доступности дерево применяется для изготовления различных ёмкостей, тары и отдельных деталей. Дерево является нежелательным материалом при создании оборудования ввиду его пористости, гигроскопичности и малой прочности.Винипласт и фаолит применяются в аппаратостроении. Они обладают хорошими антикоррозионными качествами и легко формируются. Эти материалы являются заменителями цветных металлов и сплавов - меди, латуни, свинца и бронзы. Их используют как облицовочный материал и как конструкционный. Винипласт термопластичнее, чем фаолит, хорошо сваривается и склеивается, стоек к воздействию почти всех минеральных кислот, к щелочам и к растворам солей любых концентраций. Недостаток винипласта - склонность к ползучести - температурный предел его находится при 60 - 70°С. Ввиду набухаемости в воде винипласт непригоден для водных растворов. Фаолит применяется как замазка для склеивания и сборки готовых узлов изделий. Из фаолита изготавливают трубы и арматуру, используют для изготовления элементов теплообменной аппаратуры. Теплостойкость винипласта в 2-3 раза выше стойкости фаолита.

Для изготовления деталей электромедицинской аппаратуры и приборов используют слоистые пластики, полученные прессованием нескольких слоёв хлопчатобумажной, асбестовой, стеклянной ткани, бумаги или древесного шпона, пропитанных смолой. Для этих же целей используют гекстолит - слоистый материал из хлопчатобумажной ткани (бязи, шифона), пропитанных смолой. Для оформления помещений лечебных учреждений широко используют линолеум - слоистый пластик, изготавливаемый из окисленного льняного масла (линолина), сплавленного со смолами, наполнителями, пробковой и древесной мукой и красящими веществами. Линолеум стоек к истиранию и прочен, его легко мыть, он не впитывает воду, пыль, грязь.

К пластмассам относят материалы органического и неорганического происхождения, в состав которых входят высокомолекулярные соединения. Пластмассы состоят из основного вещества - искусственной смолы (связующей основы), наполнителей, отвердителей, стабилизаторов и красителей. В настоящее время из пластмассы производят большое количество медицинских инструментов и их деталей, например бужи, катетеры, трахеостомические трубки, стетоскопы, шприцы, изделия по уходу за больными. Из пластмассы на основе целлюлозы - оксицелллюлозы изготавливают материал для рассасывающихся салфеток и бинтов. Пластмассы многими свойствами выгодно отличаются от других конструкционных материалов. Пластмассы в 2 раза легче алюминия, в 5-7 раз - стали. Пено- и поропласты отличаются очень малой плотностью, низкой теплопроводностью, разнообразными физико-механическими свойствами. Условная прочность (соотношение предела прочности к плотности) у некоторых видов пластмасс выше, чем у лучших марок стали. Основные виды пластмасс в отличие от металлов устойчивы к атмосферной коррозии, к воздействию кислот, щелочей, растворителей. Многие виды пластмасс имеют низкий коэффициент трения и высокую износостойкость. Большинство пластмасс - хорошие диэлектрики. Пластмассы группы органических стёкол (полиметилметакрилат, полистирол, поликарбонат) бесцветны, прозрачны, способны пропускать лучи света, в том числе и ультрафиолетовые, и значительно превосходят в этом отношении силикатные стёкла. Изделия из пластмассы имеют твёрдую, прозрачную поверхность, не нуждаются в полировке и окрашивании. Основное преимущество пластмасс - возможность формирования из них изделий при помощи разных методов. Трудоёмкость изготовления изделий из пластмасс намного ниже по сравнению с изготовлением изделий из других материалов. Сырьевая база для получения пластмасс как синтетических органических материалов практически неисчерпаема. Пластмассам присущи некоторые недостатки. Ценные свойства пластмасс сохраняются в небольшом диапазоне температур (от - 60 до + 120°С). Пластмассы обладают относительно низкой теплопроводностью, чем металлы. Они обладают низкой твёрдостью и прочностью по сравнению с металлами. При длительном пребывании в атмосферных условиях, под действием света, воды, тепла, нагрузки пластмассы изменяют свои свойства [1, с.195-201]. Пластмассы на основе сополимеров полихлорвиниловых смол имеют более высокие антикоррозионные свойства. Указанные материалы, называемые винилитами, используют в качестве фильтрующих материалов, покрытий хранилищ кислот, а также в виде лака отличающегося высокой химической стойкостью к кислотам и щелочам, хорошей прилипаемостью к металлам, эластичностью. Они имеют преимущества по сравнению с бакелитовыми лаками. Поверхности, образуемые этим лаком, можно промывать щелочными растворами любой концентрации, дезинфицировать растворами хлорной извести и серной кислоты. Рабочие поверхности металлических аппаратов покрывают бакелитовыми и полихлорвиниловыми лаками, а также кремнийорганическими смолами (силиконолёд), последние после высыхания становятся прочными, водонепроницаемыми и стойкими к кислотам.

По расположению атомов в полимерных цепях выделяют линейные полимеры, разветвлённые, полимеры с трёхмерной сеткой.

Линейные полимеры обладают специфическим комплексом физико-химических свойств, важнейшее из которых - образование высокопрочных анизотропных высокоориентированных волокон и плёнок, способность к большим, длительно развивающимся обратимым деформациям, способность в высокоэластическом состоянии набухать перед растворением, высокая вязкость. При переходе от линейных цепей к разветвлённым, редким трёхмерным сеткам и густым сетчатым структурам выраженность этого комплекса свойств уменьшается. Сильно сшитые полимеры нерастворимы, неплавки и не способны к высокоэластическим деформациям.

В зависимости от состава основной цепи полимеры подразделяют на гетероцепные - в основной цепи содержатся атомы различных элементов (полиэфиры, полиамиды, мочевино-формальдегидные смолы, кремнийорганические полимеры), гомоцепные - основные цепи построены из одинаковых атомов (полиэтилен, полиметилметакрилат, политетрафторэтилен). Полимеры с низкой (ниже комнатной) температурой перехода из стеклообразного в высокоэластичное состояние называют эластомерами, с высокой - пластиками.

Полихлорвинилхлорид (ПВХ) - основной полимер медико-технического назначения. На его основе разработано большое число пластикатов различной степени эластичности, прозрачных и окрашенных, рентгеноконтрастных. Материал и изделия из пластифицированного ПВХ обладают химической прочностью, устойчивостью к различным видам стерилизации, мягкостью, сочетающейся с упругостью, хорошими органолептическими свойствами [2]. На основе ПВХ-пластификаторов изготавливают большое число различных изделий: катетеры, зонды, бужи, системы для взятия и переливания крови, воздуховоды, дренажи и т. д. Среди пластифицированных ПВХ-материалов особое место занимают пластизоли. Обладая комплексом свойств, присущих ПВХ, пластизоли, кроме того, легко перерабатываются и обеспечивают получение изделий с широким диапазоном эластических свойств. С использованием пластизолей изготавливают медицинские инструменты с раздувающимися манжетками (интубационные трубки, троакары и др.).

Пентапласт - простой хлорированный полиэфир. Он устойчивее к нагреванию по сравнению с ПВХ, может выдерживать до 400 циклов паровой стерилизации, стоек к химическим стерилизационным растворам. Пентапласт иногда применяют для изготовления шприцев, чашек Петри, колб, пипеток.

Полиэтилен является термопластической массой, полученной полимеризацией этилена, обладающей высокой химической стойкостью к агрессивным средам при температуре не выше 60°С. Различают полиэтилен низкого и среднего давления (ПЭНД и ПЭСД) с одинаковой плотностью, молекулярной массой и приблизительно одинаковыми свойствами. Полиэтилен высокого давления (ПЭВД) отличается более высокой жёсткостью. Из полиэтилена изготавливают катетеры, дренажные устройства, шприц-тюбики, лабораторные медицинские изделия.

Полипропилен по сравнению с полиэтиленом имеет лучшие механические, теплофизические свойства, более высокую химическую стойкость. Из пропиленов высшего сорта делают катетеры, канюли, шприцы, детали эндоскопических инструментов, коннекторы трубок и шлангов дыхательной и наркозной аппаратуры.

Фторопласты - пластические массы, получаемые путём полимеризации фтористых производных этилена. Фторопласт исключительно устойчив к агрессивным средам и превосходит благородные металлы и сплавы. Для изготовления различных узлов и деталей применяется фторопласт-4, для защитных покрытий - фторопласт-3. Фторопласт-4 стоек к жирам, маслам, влаге, кислотам, не обладает запахом, поэтому его можно применять при любых условиях обработки медицинских изделий до 200 °С. Ввиду того, что фторопласт-4 не прилипает ни к каким материалам, его используют в качестве облицовочного материала для валов и транспортных лент. Фторопласт-4 широко применяют при изготовлении клапанов сердца, деталей слухового аппарата, для протезирования слуховых косточек среднего уха [1, с.200]. Фторопласт-3 - тонкий, сыпучий материал с температурой плавления 210°С. В смеси с этиловым спиртом и ксилолом образует суспензию, которой покрывают металл до получения защитной плёнки, стойкой к влаге и агрессивным средам. Покрытие из фторопласта-3 выдерживает продолжительный нагрев при температуре 100°С, сохраняя механические свойства.

Полистирол и его сополимеры широко используется в медико-технических целях для изготовления конструкционных элементов медицинских инструментов стетоскопов, фонендоскопов, одноразовых шприцев, футляров для термометров, упаковок медицинских инструментов. Полистирол обладает высокой химической стойкостью, прочностью, легко окрашивается.

Поли -4-метиллпентен-1 (темплен) обладает высокой термостойкостью, стойкостью к окислительной деструкции и многократной тепловой стерилизации, высокой прозрачностью, сохраняющейся в процессе эксплуатации изделия. Он устойчив к действию многих химических агентов, дезинфицирующих и стерилизующих растворов, сохраняет свои свойства в пределах 50 - 200°С.

Поликарбонат обладает такими свойствами как высокая теплостойкость, устойчивость к многократным тепловым воздействиям кипячением и автоклавированием, имеет хорошие диэлектрические свойства и высокую механическую прочность. Благодаря высокому сопротивлению ползучести в широком интервале температур он используется в тех областях, где применяются реактопласты. В медицине применяется поликарбонатная смола Дифлон марки 7.

Полиуретан устойчив к действию кислот и щёлочей, не темнеет при нагревании. Изделия из него обладают стабильностью размеров, высокой механической прочностью, морозостойкостью, хорошо выдерживают стерилизацию кипячением. Из полиуретана изготавливают шприцы.

Полиэфирные волокна формируют из расплава полиэтилентерефталата. Они превосходят по термостойкости большинство натуральных и химических волокон. Они устойчивы к действию органических растворителей, микроорганизмов, моли, плесени. Устойчивость к истиранию и сопротивление многократным изгибам у них ниже, а ударная прочность и прочность при растяжении выше, чем у полиамидных волокон. Из полиэфирных волокон (лавсана, терилена, дакрона, тетерона) изготавливают синтетические кровеносные сосуды и хирургические нити.

Полиамид относится к химически стойким полимерам, обладает высокой прочностью, твёрдостью, низким коэффициентом трения, высоким сопротивлением к истиранию и прочностью на разрыв. Для производства шовного материала применяют поликапроамид (капрон, найлон-6, амилан), полигексаметиленадапинамид (анид, найлон 6,6, ниплон). Полиамидные волокна характеризуются высокой прочностью при растяжении, отличной стойкостью к истиранию и ударным нагрузкам, устойчивы к действию многих химических реагентов, хорошо противостоят биохимическим воздействиям, окрашиваются многими красителями, обладают низкой гигроскопичностью.

Каучук относят к стереорегулярным полимерам. Каучук стоек к действию воды. Резины из каучука обладают хорошей эластичностью, износо- и морозостойкостью и высокими динамическими свойствами. Каучуки общего назначения применяют в производстве изделий с высокой эластичностью при обычных температурах (грелок, жгутов, трубок). Каучуки специального назначения применяют в производстве изделий, обладающих стойкостью к действию растворителей, масел, озона, кислорода, а также тепло- и морозостойкостью и другими специфическими свойствами.

Резиновые изделия медицинского назначения из латекса не травмируют слизистые оболочки, что позволяет их использовать при длительном контакте с организмом человека. Для изготовления латексных изделий применяют только натуральный центрифугированный латекс, образующий наименее токсичные плёнки.

Эластический материал, образующийся в результате вулканизации натуральных и синтетических каучуков, называют резиной. Резина - полимерный материал с низкой способностью к высокоэластической деформации в достаточно широком интервале температур. Из резины делают множество разнообразных по форме и назначению медицинских изделий, деталей и узлов медицинских аппаратов.

Широкое использование полимерных материалов для изготовления медицинских инструментов позволяет высвободить в значительном количестве такие материалы как цветные металлы, создать условия для механизации и автоматизации производственных процессов, снизить себестоимость продукции [3]. Упаковка в полимерную тару позволяет улучшить качество самой упаковки, значительно повысить товарный вид. Внедрение этого вида упаковки позволяет исключить применение коробок, бумаги, этикеток и других материалов.

Литература

1. Умаров С.З. и др. Медицинское и фармацевтическое товароведение: Учебник - М.: ГЭОТАР - МЕД, 2004. - 368 с.

2. "Товароведение и экспертиза непродовольственных товаров": Учебно-методический комплекс по дисциплине ГОУ ВПОДГИНХ, Махачкала, издательство "Формат", 2007. - 177 с., 55 с.

3. Сабитов В.Х. Медицинские инструменты. - М.: Медицина, 1985, ил., 175 с., 118-120 с.