Свойства полимерных материалов

Изменение потребительных свойств и качества медицинских товаров из полимерных материалов. Факторы, сохраняющие их.

Наше общество вступило в период, который всё чаще называют эрой новых технологий и новых материалов. Грандиозные достижения фундаментальной науки, небывалая интеграция науки и техники стали катализаторами изменений, происходящих в нашей жизни, и это, в большей степени, относится к конструкционным и функциональным материалам, которые и создают окружающий нас материальный мир. Медицина в отличие от других областей знаний и практики, в наибольшей степени использует всё то, что создали современная наука и производство. С другой стороны, именно медицина, как никто другой, в решении проблем сохранения жизни и здоровья людей, постоянно ставит задачи перед различными отраслями науки и техники.

Благодаря научно-технической революции и целому ряду открытий в химии, физики, технологии совершён качественный прорыв в материаловедении. Развитие методов синтеза и модификации медицинских полимеров и сополимеров, взаимопроникновение идей и методов химии, биологии и медицины позволяют перейти к решению важнейших задач теоретической и практической медицины. В результате современная химико-фармацевтическая промышленность широко использует полимерные материалы для изготовления различных медицинских изделий.

В настоящее время широким фронтом ведутся работы по синтезу физиологически активных полимерных лекарственных веществ, полусинтетических гормонов и ферментов, синтетических генов. Большие успехи достигнуты в создании сополимерных заменителей плазмы человеческой крови. Сейчас уже не редкость, когда человеку в случае необходимости восполняют до 30 % крови растворами медицинских сополимеров. Синтезированы и с хорошими результатами применяются в клинической практике эквиваленты различных тканей и органов человека: костей, суставов, зубов. Созданы протезы кровеносных сосудов, искусственные клапаны и желудочки сердца. Синтез полупроницаемых полимерных мембран и умелое использование разнообразных свойств сополимерных материалов привели к созданию аппаратов «искусственное сердце-лёгкое» и «искусственная почка». Они позволяют временно заменить соответствующие органы человека, в частности проводить сложные хирургические операции на сердце и лёгких.

Медицинские полимеры и сополимеры используются для культивирования клеток и тканей, хранения и консервации крови, кроветворной ткани - костного мозга, консервации кожи и многих других органов. В терапии широко используются сополимеры - ионообменники (ионообменные смолы) для удаления из организма щелочных металлов, радиоактивных элементов, для введения в организм дополнительных количеств необходимых ионов металлов. Изучается возможность применения ионообменников для коррекции электролитного и кислотно-щелочного равновесия биологических сред при сердечной, печёночной и почечной недостаточности. На основе синтетических сополимеров создаются противовирусные вещества, пролонгаторы важнейших лекарственных средств, противораковые препараты. Использование медицинских полимеров для изготовления хирургических инструментов и оборудования (шприцы и системы для переливания крови разового использования, бактерицидные плёнки, нити, клетки) коренным образом изменило и усовершенствовало технику медицинского обслуживания. Развитие методов синтеза и модификации медицинских полимеров и сополимеров, взаимопроникновение идей и методов химии, биологии и медицины позволяют перейти к решению важнейших задач теоретической и практической медицины, осуществлению самых дерзновенных идей человечества.

Создав полимеры, учёные-химики подарили человечеству материал, обладающий действительно уникальным сочетанием свойств - повышенной прочностью, упругостью, долговечностью и надёжностью в сочетании с лёгкостью самого материала и его монтажа, причём, используя разнообразные комбинации, эти свойства можно менять.

Полимерные материалы делят на три основные группы: пластические массы, каучуки и химические волокна.

Изделия из кремнийорганических соединений (силиконы, полисилоксаны) применяются для контурной пластики (замена мягких тканей, деталей аппаратов искусственных органов). Иногда эти материалы называют компаундами (сложные соединения полимерных материалов). Они применяются для окклюзии протоков поджелудочной железы, в ортопедических изделиях.

Из полиакрилатов - полигидрооксиэтил метакрилата (НЕМА) изготавливают изделия для кератопротезирования, полиакрилаты применяют при внутренней сосудистой окклюзии, для контурной пластики мягких тканей.

Из полиамидов - полидодекандамида (полиамида - 12) и поликапромида (капрона) изготавливают протезно-ортопедические изделия, хирургические нити.

Такие полиолефины как полипропилен используют для изготовления нитей, деталей искусственных клапанов сердца, сосудистых протезов, изделий для кератопротезирования. Из пропиленов высшего сорта делают катетеры, канюли, шприцы, детали эндоскопических инструментов, коннекторы трубок и шлангов дыхательной и наркозной аппаратуры. Из нестабилизированного полипропилена изготавливают детали медицинских приборов и аппаратов.

Фторированные полиолефины - политетрафторэтилен (фторопласт 4) применяют для изготовления нитей, протезов сосудов и клапанов сердца, фетра и трикотажных тканей для реконструктивных операций на сердце. Покрытие из фторопласта-3 выдерживает продолжительный нагрев при температуре 100 градусов Цельсия, сохраняя механические свойства.

Полиуретановый клей ХЛЗ и цианакрилатный клей используют для бесшовных соединений тканей при операции.

Сегментированный полиуретан служит материалом для камер искусственного сердца, внутрисосудистых баллонов, протезноортопедический изделий.

Полиэфиры - полигалантины служат материалом для нитей (VICZIE), перевязочного материала, протезно-ортопедических изделий, для тех же целей применяют полигликолидные нити (DEXON)

Корпуса деталей искусственных желудочков в кардиологии изготавливают из поликарбоната.

Полиэтилентерефталат (лавсан) служит материалом для изделий для внутреннего протезирования и восстановительной хирургии - сеток, нитей, протезов кровеносных сосудов, лент для пластики связок и сухожилий.

Из полиэтилена высокой плотности изготавливают детали медицинских приборов и инструментов, предметы ухода за больными, лабораторное оборудование, футляры-стерилизаторы, пробирки, пипетки и т.п. Полиэтилен (высокого давления) применяется для изготовления деталей аппарата «искусственная почка», «сердце - лёгкие». Из полиэтилена низкой плотности изготавливают мягкие ёмкости различного назначения, соединительные трубки, шприц-тюбики, протезно-ортопедические изделия, бачки для гаммаглобулина, изделия, контактирующие с тканями организма.

Полиамиды служат материалом для деталей медицинских приборов и инструментов, воронок, трубок, оправ очков, переходных канюль .

Поликарбонат и фторопласт - 4 служит для изготовления протезно-ортопедических изделий, медицинских инструментов и их деталей, зондов, катетеров, канюль, ёмкостей различного назначения, лабораторной посуды, предметов ухода за больными.

Из пластиката изготавливают эластичные медицинские инструменты - катетеры, бужи пищеводные, трахеотомические трубки, системы для взятия и переливания крови, клеёнку.

Ацетобутиратцеллюлозный и ацетилцеллюлозный этролы применяют для изготовления оправ корригирующих очков, линз защитных и солнцезащитных очков.

Из полиэфирных волокон (терилена, дакрона, тетерона) изготавливают синтетические кровеносные сосуды и хирургические нити.

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.

Явно выраженным терапевтическим действием обладают, например поливинилпирролидон, карбоксилатные сополимеры, сульфовинол, сульфодекстран, N-окись поливинилпиридина. Наиболее широкие масштабы приобретает применение водорастворимых высокомолекулярных веществ в качестве крове - или плазмозаменителей.

Полистирол и его сополимеры широко используются в медико-технических целях для изготовления конструкционных элементов медицинских инструментов: стетоскопов, фонендоскопов, одноразовых шприцев, футляров для термометров, шприцев разового использования, чашек Петри, упаковок для лекарственных препаратов. Полистирол и его сополимеры находят применение в фармации при изготовлении ряда изделий и упаковочных материалов для лекарственных препаратов. Использование этого материала долгое время сдерживалось вследствие высокого содержания мономера стирола в полимере. Однако получены новые марки сополимеров стирола, пригодных для изготовления капельниц, трансфузионных игл в системах переливания крови, одноразовых шприцев. Сополимеры стирола компенсируют в определённой мере недостатки полистирола. Хорошей стойкостью к агрессивным средам и сопротивлением к старению обладают трёхкомпонентные сополимеры марки СНП.

Пластмассами, пластиками, полимерами называют материалы, получаемые на основе природных или синтетических полимеров, которые при определённых условиях, температурном режиме приобретают определённые свойства и формы, в частности, пластичность, а затем, охлаждаясь, отвердевают, сохраняя форму при эксплуатации.

Они могут состоять из одного полимера или составлять сложную композицию. Кроме полимеров в их состав входят наполнители, пластификаторы, отвердители, катализаторы, красители и др. элементы (все они могут придавать пластикам те или иные свойства). Пластмассы применяют при изготовлении деталей медицинских инструментов, аппаратов, медицинской мебели, предметов ухода за больными.

Винипласт и фаолит применяются в аппаратостроении, их используют как облицовочный материал и как конструкционный. 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 и 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.

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. 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.

Пластмассы на основе сополимеров полихлорвиниловых смол имеют более высокие антикоррозионные свойства. 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.

На основе ПВХ-пластификаторов изготавливают большое число различных изделий: катетеры, зонды, бужи, системы для взятия и переливания крови, воздуховоды, дренажи и т. д. 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.

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. 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.

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.

Из резины делают множество разнообразных по форме и назначению медицинских изделий, деталей и узлов медицинских аппаратов.

Широкое распространение получило применение полимерных материалов в производстве медицинской мебели. Санитарно-химические свойства медицинской мебели приобретают исключительно важное значение в связи с тем, что она применяется в лечебных учреждениях, где к ней предъявляются особые требования безопасности. Организм больного человека может иначе, чем у здорового человека переносить воздействие материалов, из которых изготавливается медицинская мебель. Полимерные материалы, применяемые в производстве мебели, могут выделять в окружающее пространство свободные мономеры, в том числе токсичные. Медицинская мебель подвергается воздействию таких агрессивных сред, как дезинфицирующие средства, частое профилактическое мытьё, воздействие биологических сред. К медицинской мебели предъявляются особые физико-гигиенические требования - это малая загрязняемость и воздухопроницаемость. Загрязняемость мебели зависит от её конструкции и свойств лицевых материалов. Загрязняемость мала, если поверхность изделия гладкая, без выступающих деталей. Поэтому мебель щитовой конструкции обладает более высокими гигиеническими свойствами, чем рамочной. С этой точки зрения нецелесообразно изготовлять мебель с выступающим плинтусом. Мебель, окрашенная в белый или светлые цвета, может загрязняться, если покрытие не обладает стойкостью к воде, мыльно-содовому, спиртовому раствору и др. Тогда под действием этих растворов покрытие набухает, и в его поверхность проникают растворённые органические вещества, загрязняющие мебель. Загрязняемость может быть связана с электризуемостью полимерных отделочных материалов. Воздухопроницаемость - свойство, важное для мебели, мягкие элементы которой изготовлены из пористых синтетических материалов. Необходимо, чтобы эти материалы с целью вентиляции имели сквозные поры.

Долговечность мебели определяется также некоторыми свойствами лаковых защитно-декоративных покрытий: твёрдостью, износостойкостью, упругостью, теплостойкостью, стойкостью к действию переменных температур, химической стойкостью и др. При этом полиэфирные покрытия в основном более стойки, чем нитроцеллюлозные.

В процессе обращения медицинских товаров из полимерных материалов могут изменяться следующие группы потребительских свойств:

1) назначение;

2) эргономические свойства;

3) эстетические свойства;

4) экологические свойства;

5) безопасность;

6) надёжность.

Изменение потребительских свойств медицинских товаров могут вызывать следующие факторы, подразделяющиеся по природе воздействия: 1) физико-химические факторы, 2) механические, 3) биологические.

К физико-химическим факторам относится влажность товаров. При увлажнении изменяются потребительские свойства многих товаров. Повышенная влажность влияет на внешний вид, прочность, массу. При пониженной влажности происходит высыхание некоторых видов товаров. Для составления рациональных режимов хранения, эксплуатации товаров необходимо знание закономерности изменения влажности воздуха от температуры. Чем выше температура, тем больше количество влаги будет удерживать воздух.

Температура: влияние температуры можно связать с зависимостью относительной влажности от изменения температуры. При повышении температуры: 1) возможно быстрое испарение, высыхание, размягчение, затвердевание; 2) ускоряются химические и биологические процессы. Понижение температуры приводит к ухудшению механических свойств.

Под влиянием света происходит фотодеструкция. Особенно чувствительны к свету синтетические и природные полимеры. Под влиянием света происходят 2 процесса: деструкция и структурирование. Изменяются прочность, хрупкость, блеск, появляются трещины. Таким образом, световые лучи передают энергию полимерам, в результате в них инициируются химические реакции, ухудшается качество товаров. Кислород воздуха вызывает окисление материалов. При окислении выделяется энергия, возможно самовозгорание некоторых материалов. Механические факторы: товар разрушается в результате многократно повторяющихся нагрузок, например при транспортировке (сотрясение, давление в штабеле, случайные удары, трения.

Биологические факторы: 1) микроорганизмы, 2) насекомые, 3) грызуны.

Виды, размер, характер повреждений определяется химической природой и строением товаров, а также характером и интенсивностью воздействия факторов.

Для большинства полимеров характерно старение - необратимое изменение структуры и свойств, приводящее к снижению их прочности. Совокупность химических процессов, приводящих под действием агрессивных сред (кислород, озон, растворы кислот и щелочей) к изменению строения и молекулярной массы, называется химической деструкцией. Деструкция полимерного материала - процесс, протекающий в полимерном материале с разрывом химических связей в основной цепи макромолекулы и приводящий к уменьшению степени полимеризации и (или) числа поперечных химических связей. Деструкция может протекать под действием тепла, кислорода, химических агентов (в том числе воды), света, излучений высокой энергии, механических напряжений и т.п., как от отдельного, так и от совокупности параметров. Она сопровождается уменьшением молекулярной массы, выделением газообразных и низкомолекулярных продуктов, изменением окраски и появлением запаха. Деструкция может сопровождаться не только разрушением макромолекул, но и сшиванием их (структурированием), что вызывает увеличение массы и вязкости расплава. Следствием этого является нарушение всех свойств материала, снижение стабильности свойств изделий. Наиболее распространенный её вид - термоокислительная деструкция она происходит под действием окислителей при повышенной температуре. При деструкции не все свойства деградируют в равной мере: например, при окислении кремнийорганических полимеров их диэлектрические параметры ухудшаются несущественно, так как кремний окисляется до оксида кремния, который является хорошим диэлектриком.

Под старением полимерных материалов понимается самопроизвольное необратимое изменение важнейших технических характеристик (увеличение хрупкости, уменьшение прочности, понижение эластичности), происходящее в результате сложных химических и физических процессов, развивающихся в материале при эксплуатации и хранении. Старение полимерного материала - совокупность физических и химических процессов, происходящих в полимерном материале и приводящих к необратимым изменениям свойств. Причинами старения являются свет, теплота, кислород, озон и другие немеханические факторы. При воздействии ионизирующего излучения или под действием света процессы старения ускоряются. Старение ускоряется при многократных деформациях, менее существенно на старение влияет влага. Различают старение тепловое, световое, озонное и атмосферное.

Сущность старения заключается в сложной цепной реакции, протекающей с образованием свободных радикалов (реже ионов), которая сопровождается деструкцией и структурированием полимера. Обычно старение является результатом окисления полимера атмосферным кислородом. Если преобладает деструкция, то полимер размягчается, выделяются летучие вещества (например, натуральный каучук) происходит процесс деполимеризации отщепления молекул мономера от макромолекулы, при структурировании повышаются твёрдость, хрупкость, наблюдается потеря эластичности (бутадиеновый каучук, полистирол). При высоких температурах (200 - 500°С и выше) происходит термическое разложение органических полимеров, причем пиролиз полимеров, сопровождаемый испарением летучих веществ, не является поверхностным явлением (как при простом испарении неполимерных веществ) - во всем объёме образца образуются молекулы, способные испаряться. Для замедления старения вводят стабилизаторы, стойкость полимерного материала повышают также модификацией или нанесением защитного покрытия.

При хранении резин и каучуков, эксплуатации резиновых изделий происходит неизбежный процесс старения, приводящий к ухудшению их свойств. Чтобы улучшить свойства резин применяют диафен ФФ в композиции с диафеном ФП и поливинилхлоридом, которые также позволяют в некоторой степени решить вопрос о выцветании резин. В результате старения снижается прочность резин и каучуков при растяжении, эластичность и относительное удлинение, повышаются гистерезисные потери и твёрдость, уменьшается сопротивление истиранию, изменяется пластичность, вязкость и растворимость невулканизированного каучука. Кроме того, в результате старения значительно уменьшается продолжительность эксплуатации резиновых изделий. Старение - результат воздействия на каучук кислорода, нагревания, света и особенно озона. Кроме того, старение каучуков и резин ускоряется в присутствии соединений поливалентных металлов и при многократных деформациях.

В связи с тем, что роль внешних факторов, активирующих окисление, меняется в зависимости от природы и состава полимерного материала, различают в соответствии с преимущественным влиянием одного из факторов следующие виды старения:

1) тепловое (термическое, термоокислительное) старение в результате окисления, активированного теплом;

2) утомление - старение в результате усталости, вызванной действием механических напряжений и окислительных процессов, активизированных механическим воздействием;

3) окисление, активированное металлами переменной валентности;

4) световое старение - в результате окисления, активизированного ультрафиолетовым излучением;

5) озонное старение;

6) радиационное старение под действием ионизирующих излучений.

Тепловое старение - результат одновременного воздействия тепла и кислорода. Окислительные процессы являются главной причиной теплового старения в воздушной среде. Озон оказывает сильное влияние на старение резин даже в незначительной концентрации. Это обнаруживается иногда уже в процессе хранения и перевозки резиновых изделий. Если при этом резина находится в растянутом состоянии, то на поверхности её возникают трещины, разрастание которых может привести к разрыву материала. Озон, по-видимому, присоединяется к каучуку по двойным связям с образованием озонидов, распад которых приводит к разрыву макромолекул и сопровождается образованием трещин на поверхности растянутых резин. Кроме того, при озонировании одновременно развиваются окислительные процессы, способствующие разрастанию трещин. Скорость озонного старения возрастает при увеличении концентрации озона, величины деформации, повышении температуры и при воздействии света. Понижение температуры приводит к резкому замедлению данного старения. В условиях испытаний при постоянном значении деформаций; при температурах, превышающих на 15-20°С температуру стеклования полимера, старение почти полностью прекращается. Стойкость резин к действию озона зависит главным образом от химической природы каучука. Наиболее эффективно при защите от озонного старения совместное применение антиозонтов и воскообразных веществ.

Кроме того, существуют внутренние факторы старения полимерного материала факторы, обусловленные структурой и составом полимерного материала, вызывающие и (или) влияющие на старение.

При хранении определённое значение имеет стойкость полимерного материала к старению - свойство полимерного материала сохранять значение характерного показателя (или показателей) старения в пределах, установленных в нормативно-технической документации, при старении в заданных условиях [1].

Основным из физических свойств полимеров является прочность т.е. способность объекта воспринимать нагрузку без разрушения. Прочность характеризуют зависимостью долговечности (времени до разрушения от напряжения). Твёрдость - это способность материала противостоять проникновению в него другого тела.

Температура окружающей среды является важным фактором, влияющим на свойства полимерных материалов. Диапазон температур, при которых можно эксплуатировать полимеры без ухудшения их механических свойств, ограничен. Нагревостойкость большинства полимеров, к сожалению, очень низка - лишь 320 - 400°К и ограничивается началом размягчения (деформационная стойкость). Помимо потери прочности повышение температуры может вызвать и химические изменения в составе полимера, которые проявляются как потеря массы. Способность полимеров сохранять свой состав при нагревании количественно характеризуется относительной убылью массы при нагреве до рабочей температуры.

Главным химическим свойством полимерных материалов является химическая стойкость - стойкость против коррозии (разъедание, разрушение под действием среды). Характеризуется либо массой вещества, претерпевающей химическое изменение за какое-либо время, либо изменением других свойств. Химическая стойкость полимеров определяется разными способами, но чаще всего по изменению массы при выдержке образца в соответствующей среде или реагенте. Этот критерий, однако, не является универсальным и не отражает природу химических изменений (деструкции). Даже в стандартах [2] предусмотрены лишь качественные её оценки по балльной системе. Так, полимеры, изменяющие за 42 суток массу на 3 - 5 %, считаются устойчивыми, на 5 - 8 % - относительно устойчивыми, более 8 - 10 % - нестойкими. Конечно, эти пределы зависят от вида изделия и его назначения.

Для полимеров характерна высокая стойкость по отношению к неорганическим реактивам и меньшая - к органическим. В принципе все полимеры неустойчивы в средах, обладающих резко выраженными окислительными свойствами, но среди них есть и такие, химическая стойкость которых выше, чем золота и платины.

Иногда выделяют стойкость против биологического воздействия, т.е. сопротивление разрушению микроорганизмами. Радиационная стойкость - способность сохранять свойства при воздействии корпускулярного и электромагнитного излучения высокой энергии.

Особенность полимеров состоит в том, что они по своей природе не являются вакуумплотными. Молекулы газообразных и жидких веществ, особенно воды, могут проникать в микропустоты, образующиеся при движении отдельных сегментов полимера, даже если его структура бездефектна. Полимеры обычно умеренно гигроскопичны (способны поглощать водяные пары из воздуха). Поглощение (сорбция) водяных паров сопровождается капиллярной конденсацией, т.е. сжижением пара в жидкости, а иногда и химическими взаимодействиями с материалом - химосорбцией, которая, например, ухудшает изоляционные свойства вещества. Как видно, герметизирующие возможности полимеров ограничены, а пассивирующее их действие неуниверсально. Поэтому полимерная герметизация применяется в неответственных изделиях, эксплуатирующихся в благоприятных условиях.

Как правило, полимеры являются диэлектриками, по многим параметрам лучшими в современной технике. Величина удельного объёмного сопротивления р*v зависит не только от строения, но и от содержания ионизированных примесей - анионов Сl-, F-, I-, катионов Н+, Na+ и других, которые чаще всего вводятся в смолу вместе с отвердителями, модификаторами и т.д. Их концентрация может быть высокой, если реакции отверждения не были доведены до конца. Подвижность этих ионов резко увеличивается с повышением температуры, что приводит к падению удельного сопротивления. Наличие даже весьма малых количеств влаги также способно значительно уменьшить удельное объёмное сопротивление полимеров. Это происходит потому, что растворённые в воде примеси диссоциируют на ионы, кроме того, присутствие воды способствует диссоциации молекул самого полимера или примесей, имеющихся в нём. При повышенной влажности значительно уменьшается удельное поверхностное сопротивление некоторых полимеров, что обусловлено адсорбцией влаги.

Для полимеров, как ни для одних других диэлектриков, характерны процессы накопления поверхностных зарядов - электризация. Эти заряды возникают в результате трения, контакта с другим телом, электролитических процессов на поверхности. Электризуемость оказывает вредное воздействие на организм человека, увеличивает загрязняемость. Для снятия электризуемости используют антистатики.

Рассмотрим некоторые слабые стороны полимерных материалов.

Винипласт, его недостатки - не длительная прочность и термостойкость под нагрузкой. Жёсткая пластическая масса на основе поливинилхлорида - винипласт, в том числе эластифицированный (ударопрочный), формуется значительно труднее полиэтиленовых пластиков, но прочность её к статическим нагрузкам намного выше, ползучесть ниже и твёрдость выше. Более широкое применение находит пластифицированный поливинилхлорид - пластикат. Он легко формуется и надёжно сваривается, а требуемое сочетание в нём прочности, деформационной устойчивости и теплостойкости достигается подбором соотношения пластификатора и твёрдого наполнителя. В целом изначально ПВХ малотермостоек (до +70 °С).

Главный недостаток полистирола - его хрупкость, низкая ударопрочность. Полистирол склонен к старению и образованию трещин, в большей степени, чем полиэтилен. Полистирол мало термостойкий материал (до +80°С). Полистирол и его сополимеры выделяют стирол (ядовитое вещество), поэтому его содержание ограничивается. Применение полистирола ограничено из-за токсичности. Выпускают марки «пищевого» и «непищевого» ПС, получены новые марки сополимеров стирола, пригодных для изготовления капельниц, трансфузионных игл в системах переливания крови, одноразовых шприцев.

Интересны свойства пластических масс на основе полистирола в качестве наполнителя. Пластические массы на основе полистирола формуются значительно легче, чем из винипласта, их диэлектрические свойства близки к свойствам полиэтиленовых. Они оптически прозрачны и по прочности к статическим нагрузкам мало уступают винипласту, но более хрупки, менее устойчивы к действию растворителей и горючи. Низкая ударная вязкость и разрушение вследствие быстрого прорастания микротрещин - свойства, особенно характерные для полистирольных пластиков, устраняются наполнением их эластомерами, т. е. полимерами или сополимерами с температурой стеклования ниже - 40 °С.

Эластифицированный (ударопрочный) полистирол наиболее высокого качества получают полимеризацией стирола на частицах бутадиен-стирольного или бутадиен-нитрильного латекса. Материал, названный АБС, содержит около 15 % гель-фракции (блок- и привитые сополимеры полистирола и указанных сополимеров бутадиена), составляющей граничный слой и соединяющей частицы эластомера с матрицей из полистирола. Морозостойкость материала ограничивает температура стеклования эластомера, теплостойкость - температура стеклования полистирола.

Главный недостаток полиэтилена - сравнительно низкая нагревостойкость. При горении или тлении полиэтилена образуется окись углерода. Полиэтилен низкого давления более теплостоек - до 100 °С, но менее прочен к изгибам, содержит вредные токсичные примеси, непригоден для пищевой посуды. Полиэтилен под воздействием солнечных лучей быстро стареет. Пластические массы на основе полиэтилена легко формуются и свариваются в изделия сложных форм, они устойчивы к ударным и вибрационным нагрузкам, химически стойки, отличаются высокими электроизоляционными свойствами (диэлектрическая проницаемость 2,1-2,3) и низкой плотностью. Изделия с повышенной прочностью и теплостойкостью получают из полиэтилена, наполненного коротким (до 3 мм) стекловолокном. При степени наполнения 20 % прочность при растяжении возрастает в 2,5 раза, при изгибе - в 2 раза, ударная вязкость - в 4 раза и теплостойкость - в 2,2 раза.

Фторопласт при горении выделяет немного дыма (но дым содержит ядовитый фторфосген, поэтому при температуре выше 773 °К фторопласт опасен), с другой стороны он неспособен распространять горение. Вследствие химической пассивности он также и адгезионно инертен, т.е. трудно поддается склеиванию. Фторопласт обладает ползучестью и хладотекучестью и плохо работает под нагрузкой. Механические свойства его могут быть улучшены путем радиационного модифицирования и армирования стекловолокном.

Недостаток полиимида - повышенное влагопоглощение (1-3 % за 30 сут.), поэтому он нуждается в технологической сушке (особенно при изготовлении изделий из пресс-порошков) и защите.

Недостатки фенолформальдегидных смол - хрупкость, высокая вязкость олигомеров и высокая температура отверждения.

Недостатки реактопластов - неприменимость в качестве диэлектриков СВЧ-техники.

Недостатком слоистых пластиков, например, гетинакса, традиционно считается повышенное влагопоглощение (1,5-2,5 %) через слои бумаги или из открытых их торцевых срезов, а также сквозь полимерное связующее. Стеклотекстолиты (стеклоткань), слоистые пластики гигроскопичны, стареют за счет окисления. Недостатки фольгированных стеклотекстолитов являются следствием их неоднородной структуры и особенностей используемых материалов. Это - коробление, нестабильность размеров, растрескивание, отслаивание, воспламеняемость, наволакивание смолы при сверлении отверстий. Кроме того, повышение плотности монтажа, использование групповых методов пайки, тяжелые условия эксплуатации требуют использования связующих, обладающих большей теплостойкостью. Наконец, стеклотекстолит непригоден для СВЧ-техники.

Недостатки целлофана: низкая прочность во влажном состоянии, высокая намокаемость.

Большинству предъявляемых требований удовлетворяют эпоксидные лаки, но недостаток их в трудностях удаления плёнки при ремонте. Лаковые покрытия являются относительно плотными только при малой толщине (15-75 мкм), слои большей толщины отверждаются с образованием капилляров диаметром 1-10 мкм, через которые удаляются пары растворителя. Поэтому увеличение толщины покрытия сверх 100 мкм неэффективно, а столь тонкие лаковые покрытия надежно служат только в атмосфере без повышенной влажности. Лаки прозрачны и бесцветны и неспособны придать изделию товарный вид.

Эмали, как и лаки, пористы, вследствие чего могут набухать в атмосфере, содержащей пары воды, но особенно органических веществ. Вода может проникать сквозь плёнки также под действием осмотического давления. Вследствие двухкомпонентной природы эмали разрушаются под внешними воздействиями быстрее, чем лаки, из-за так называемого процесса меления - разрушения с поверхности, сопровождающегося потерей глянца и уменьшением толщины. Работа с эмалями и лаками осложнена из-за токсичности и пожароопасности растворителей. Значительно большей технологичностью обладают эмали, в которых вместо органических растворителей используется вода - так называемые водноэмульсионные эмали. Одним из традиционных направлений совершенствования эмалей является снижение содержания в них растворителя. Например, в новой эмали ЭП-974 концентрация растворителя составляет лишь 10 %, тогда как в широко распространённой ЭП-91 составляет 60 %. Эмаль с малым содержанием летучих веществ, подлежащих удалению при сушке, можно наносить более толстым - до 300 мкм слоем, что обеспечивает длительную защиту от влаги.

Недостатки клеевых соединений: невысокая механическая прочность, особенно сопротивление отдиранию, высокое тепловое сопротивление, непригодность для СВЧ РЭА (за исключением клеев-расплавов).

Полиамиды - кристаллизующиеся пластики под названием капрон, нейлон и др. К недостаткам полиамидов относится высокая гигроскопичность и паропроницаемость, подверженность старению вследствие окисляемости (особенно при переработке смол). Водопоглощение зависит от содержания амидных групп и структуры и составляет от 1,75 % (полиамид П-12) до 11 - 12 % (капрон, П-54). Устойчивость полиамидов к свету повышается введением стабилизатора, а антифрикционные свойства - введением наполнителя - графита и др. Повышенной атмосферостойкостью и наибольшей устойчивостью к действию сильных кислот обладают полиакрилонитрильные волокна. Они широко применяются в производстве ковров, брезентов, обивочных и фильтровальных материалов. Недостатки полиамидов: анизотропия, т.е. деформация решётки и термодинамическая неустойчивость, возможность возврата к исходному состоянию при повышенной температуре, невысокий модуль упругости.

Пластмассы для изготовления медицинской посуды не должны содержать и выделять вредных веществ. Изделия из пластмасс следует строго использовать с учётом рекомендаций, указанных в маркировке. Так, например, под действием горячей воды фенопласты выделяют токсичный фенол. Под действием горячей воды аминопласты выделяют формальдегид - токсичное вещество. Химический состав пластмасс и их свойства должны соответствовать требованиям стандартов. Недостатки пластмассы: старение, высокая электризуемость, низкие модуль упругости и ударная вязкость по сравнению с металлами и сплавами и др. В результате старения пластмасс уменьшается эластичность, увеличивается жёсткость, хрупкость, изменяется цвет, появляются трещины, выделяются вредные вещества. Супернаполненные пластмассы (СНП) на основе минеральных наполнителей и термопластов относятся к новым композиционным материалам для строительства, способным заменить дорогую пластмассу, они экологически чисты, дёшевы, сочетают лучшие свойства полимеров со специальными характеристиками.

Введение минеральных наполнителей в полимеры позволяет улучшить прочностные показатели, огнестойкость, тепло- и электрофизические свойства, снизить токсичность при горении и т.д. СНП могут применяться в качестве конструкционных, отделочных материалов, трубопроводов, обладающих повышенной огнестойкостью, стойкостью к воздействию агрессивных и атмосферных факторов, в том числе к солнечной радиации в условиях длительной эксплуатации, водостойкости и кислотостойкости. Из супернаполненных пластмасс можно получать плиты широкого назначения, трубы, оболочки для силовых кабелей, обладающие повышенной огнестойкостью, а также пожаробезопасные отделочные материалы для полов, стен, сидений, в детских медицинских учреждениях, обладающие высокой износостойкостью и долговечностью. Изделия из СНП сочетают в себе лучшие качества всех известных материалов: экологическую чистоту, высокие прочностные характеристики, обладают повышенными значениями износо-, и химстойкости, заданными электрическими, магнитными, бактериостатическими и антиобрастающими (грибками, моллюсками) характеристиками, хорошо поддаются механической обработке. Материал практически не имеет усадки, сохраняет формоустойчивость при температуре до +120 °C.

Механические свойства органического стекла зависят от температуры. Критерием, определяющим пригодность органических стекол для эксплуатации, является не только их прочность, но и появление на поверхности и внутри материала мелких трещин, так называемого «серебра». Этот дефект снижает прозрачность и прочность стекла. Причиной появления серебра являются внутренние напряжения, возникающие в связи с низкой теплопроводностью и высоким температурным коэффициентом линейного расширения материала. Органическое стекло стойко к действию разбавленных кислот и щелочей, углеводородных топлив и смазок, растворяется в эфирах и кетонах, в органических кислотах, ароматических и хлорированных углеводородах. Старение органического стекла в естественных условиях протекает медленно.

Недостатком органического стекла является невысокая поверхностная твёрдость. Увеличение термостойкости и ударной вязкости органического стекла достигается вытяжкой его в пластичном состоянии в разных направлениях (ориентированные стекла; при этом увеличивается в несколько раз прочность на удар и стойкость к «серебрению»), сополимеризацией или привитой полимеризацией полиметилметакрилата с другими полимерами, что повышает поверхностную твёрдость и теплостойкость, получением частично сшитой структуры (термостабильные стёкла), применением многослойных стёкол («триплексов») на основе органических стёкол, склеенных прозрачной плёнкой (например, из поливинилбутираля). Недостатками этого материала являются низкая длительная прочность и низкая рабочая температура под нагрузкой (не свыше 60 - 70 °С), большой коэффициент линейного расширения (6,5 - 8) * 10-5 1/°С, хрупкость при низких температурах (t хр = - 10 °С), tв - = 90 - 95 °С). При введении пластификатора получают полихлорвиниловый пластикат, имеющий морозостойкость - 15 - 50 ° С и температуру размягчения 160-195 °С.

Полиарилаты - сложные гетероцепные полиэфиры. Полиарилатам присущи высокая термическая стойкость и морозостойкость (до - 100 °С), хорошие показатели механической прочности и антифрикционные свойства. Полиарилаты радиационностойки и химически стойки.

Полифениленоксид - простой ароматический полиэфир, аморфен, трудно кристаллизуется, по термической стабильности уступает фенилону. Длительно его можно применять до 130-150 °С; обладает химической стойкостью, низким водопоглощением. Из полифениленоксида изготовляют детали оборудования, хирургические инструменты, изоляцию на высокочастотных установках.

Композиционными называют искусственные материалы, получаемые сочетанием химически разнородных компонентов. Одним из компонентов является матрица (для полимеров - связующее), другим - упрочнители. Родоначальником композиционных материалов являются армированные стеклопластики. Их физическая природа, схемы армирования и расчётные особенности переносятся на композиционные полимерные материалы. В качестве матриц используют полимерные, углеродные, керамические и металлические материалы. В качестве упрочнителей применяют волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (окислов, карбидов, боридов, нитридов и др.), а также металлические (проволоки), обладающие высокой прочностью и жёсткостью. Углеродные волокна на воздухе могут работать до температуры 450 °С, в нейтральной и восстановительной среде они сохраняют прочность до 2200 °С. Борные и керамические волокна обладают высокой твёрдостью и мало разупрочняются с повышением температуры. Органические волокна могут работать до температуры 200 - 300 °С. Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними. Армирующие упрочняющие материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей. Карбоволокниты отличаются высокой статической и динамической выносливостью, сохраняют это свойство при нормальной и очень низкой температуре (высокая теплопроводность волокна предотвращает саморазогрев материала за счет внутреннего трения). Они водо- и химически стойки. После воздействия на воздухе рентгеновского излучения свойства почти не изменяются. Высокомодульные карбоволокниты применяют в рентгеновском медицинском оборудовании.

Механические свойства - прочность, ударная стойкость, деформация, жёсткость, теплостойкость - зависят от надмолекулярной структуры, а коэффициент трения и износостойкость, стойкость к горению зависят от химической структуры и модификации.

Низкомодульные наполнители (их иногда называют эластификаторами), в качестве которых используют эластомеры, не понижая теплостойкости и твёрдости полимера, придают материалу повышенную устойчивость к знакопеременным и ударным нагрузкам, предотвращают прорастание микротрещин в связующем. Однако коэффициент термического расширения эластифицированных пластических масс выше, а деформационная устойчивость ниже, чем монолитных связующих. Применение в качестве наполнителей природных и синтетических органических волокон, а также неорганических волокон (стеклянных, кварцевых, углеродных, борных, асбестовых), хотя и ограничивает выбор методов формования и затрудняет изготовление изделий сложной конфигурации, но резко повышает прочность материала.

В настоящее время для большинства термопластичных полимерных материалов целесообразно использовать добавки, снижающие горючесть исходного материала - антипирены. В то же время инертным антипиренам присуще существенные недостатки. Это, прежде всего их влияние на физико-механические свойства полимерных материалов, склонность их к миграции на поверхность, способность вымываться водой, моющими средствами и т. д. Пожарная опасность полиэфирных смол определяется природой мономера, входящего в их состав. Стирол, являющийся компонентом многих смол, легко воспламеняется (температура вспышки 310 °С, температура самовоспламенения +490 °С).

Освещение и электрооборудование складских помещений, где хранятся медицинские изделия из полимерных материалов, должно быть сделано во взрывоопасном исполнении. Не допускаются наличие источников открытого огня и искрообразование. Помещения должны быть снабжены средствами пожаротушения - пенными и углекислотными огнетушителями, песком.

Большая часть современных полимерных материалов является гетерогенными системами с высокоразвитыми поверхностями раздела фаз. Это - армированные пластики, наполненные термопласты, усиленные резины, лакокрасочные покрытия, клеи и др. Вследствие этого поверхностные явления в полимерах и полимерных материалах играют существенную роль во всём комплексе их свойств, и прежде всего, в структурно-механических свойствах, а исследование особенностей поведения макромолекул на границе раздела фаз является сейчас одной из важнейших задач в этой области. Говоря о проблеме поверхностных явлений в полимерах, нельзя забывать, что она имеет важное значение не только с технической точки зрения, но и с биологической, поскольку роль поверхностных явлении в биологических процессах, где принимают участие молекулы биополимеров, также очень велика. Эта проблема существенна для решения вопросов такой области как применение полимеров в медицине, где поверхностные явления происходят на границе раздела фаз с живыми тканями.

По плесенестойкости нет равных поликапроамидному волокну. А поливинилспиртовое и поливинилхлоридное волокна, нашедшие достаточное распространение в практике, отличаются от других синтетических материалов тем, что абсолютно не поддаются никаким разрушительным действиям микроорганизмов. Антисептики (доли процента органических соединений Sn, As, Hg, бромированных салициламидов, меркаптанов) в полимерном материале затрудняют появление и распространение микроорганизмов.

При стерилизации изделий из полимерных материалов следует учитывать возможные изменения свойств этих материалов под действием факторов стерилизации. Неправильно выбранный метод стерилизации приводит к существенным изменениям эксплуатационных свойств полимеров в результате сложных процессов постстерилизационного старения. С целью защиты полимерного изделия от неблагоприятных условий стерилизации и других видов переработки в состав полимера вводят различного рода низкомолекулярные соединения - стабилизаторы, придающие готовому изделию комплекс необходимых потребительских свойств. В последнее время всё чаще применяется структурная стерилизация полимеров, не требующая введения в них химических добавок. Метод воздействия на полимер ионизирующим излучением в вакууме позволяет снизить интенсивность протекающих в полимерной матрице процессов окисления без введения химических антиоксидантов. Методы структурной стабилизации широко используются для радиационной модификации полиэтилена и позволяют в нужном направлении изменять его физико-химические, тепло- и электрофизические свойства, релаксационную и химическую стойкость. После радиационной обработки полиэтилен приобретает эффект памяти - способность запоминать определённое состояние, при котором он был облучён. Радиация и повышенная температура усиливают и ускоряют способность полиэтилена к восстановлению при деформировании, при этом увеличивается его прочность.

Особенности и назначение медицинских товаров из полимерных материалов определяют особую номенклатуру потребительских свойств и их показателей.

Потребительские свойства товара - это свойства, которые обуславливают его полезность в процессе эксплуатации и потребления, которые удовлетворяют определённые потребности. К критериям отнесения свойств до потребительских есть наличие прямой зависимости между значением показателя свойств и степенью удовлетворения конкретной потребности. В зависимости от особенностей потребительские свойства и показатели качества подразделяются на группы: по назначению, надёжности, эргономическим, эстетическим, экологическим, по безопасности и по другим признакам.