Варка стекла и выработка стеклоизделий

Стекло изготовляют из материалов, в избытке имеющихся в природе: кварцевого речного песка, гидрокарбоната натрия, мела и пр. Стекло варят в специальных печах при температуре 1350— 1600°С. Чем больше в составе стекла кварцевого песка (окись кремния), тем выше тугоплавкость и термостойкость полученного стекла.

Наибольшей термостойкостью обладает кварцевое стекло, со­стоящее более чем на 90% из окиси кремния. Оно варится при температуре до 2000 °С и используется для изготовления термо­стойкой кварцевой лабораторной посуды, а также горелок к ульт­рафиолетовым облучателям; отсюда их название — «кварцевые» горелки.

От того, как ведется процесс варки стекла, зависит его качество. Стекло необходимо хорошо проварить, из него должны быть уда­лены воздушные пузыри, инородные тела, включения, попадающие в стекло от огнеупорной футеровки (облицовки) ванной печи и т. д. В оптическом стекле наиболее важно отсутствие дефектов, которые ухудшают качество оптики в приборах и в очковой опти­ке. Поэтому лучшие сорта оптического стекла чаще всего варят в печах небольшого объема (горшковых), где стекло хорошо про­варивается.

Изделия из стекла вырабатывают на том же предприятии, где его получают (варят). При варке стекла протекают сложные физи­ко-химические процессы, в результате которых из механической смеси сырьевых материалов (шихта) получают однородную гомо­генную стекломассу. В процессе варки при высоких температурах стекло проходит ряд стадий: силикатообразование (получение спекшейся массы), стеклообразование (взаимное растворение си­ликатов и кремнезема), осветление (освобождение стекла от види­мых пузырей), гомогенизация (приведение к однородности) и ох­лаждение (на 200—300 °С для получения вязкости, необходимой для формообразования стекла).

Изготовление изделий из стекла возможно несколькими спосо­бами: отливка в формы, подобно чугуну, штамповка, прокатка, вытягивание в листы, трубки (дрот) и нити. Стекло можно сва­ривать, спекать и производить его механическую обработку (раз­резание, шлифование). Ниже рассмотрены важнейшие методы по­лучения стеклоизделий.

Вытягивание дрота. Из дрота (стеклянная трубка) вырабатыва­ют многие изделия для медицинских целей: флаконы для антибио­тиков и других лекарственных препаратов, ампулы, цилиндры для шприцев и др. На рис. 3 показана принципиальная схема получе­ния дрота. Стекломасса непрерывной тонкой струей льется на сер­дечник—мундштук, сделанный изогнеупора (шамота) и имеющий внутри канал для подачи воздуха. Сердечник непрерывно враща­ется, наматывая на себя стекломассу. Стекломасса постепенно сползает с сердечника в виде бесконечной трубки, оттягиваемой специальной машиной, которая одновременно нарезает трубку на куски определенной длины. Нужный диаметр дрота и толщину его стенок получают путем изменения условий вытяжки. Следует от­метить, что методом непрерывного вытягивания получают и листо­вое стекло.

Выработка изделий формованием. Под формованием понима­ют процессы, в результате которых бесформенная стекломасса становится изделием определенной формы. К способам формова­ния относят прессование (ручное и машинное) и выдувание (руч­ное и машинное). На рис. 4 дана принципиальная схема прессо­вания. В матрицу набирают определенную порцию стекла, которая при движении пуансона вниз перемещается и заполняет про­странство между пуансоном и матрицей. Формовое кольцо помо­гает создать ровную поверхность верхнего края изделия. Матри­цу делают разъемной, что позволяет легко извлечь изделие из формы.

Выдувание — один из самых древних и широко распространен­ных способов выработки стеклоизделий, позволяющих получать стеклянные сосуды разнообразных форм и размеров. Для изготов­ления крупных сосудов этот способ единственно возможный.

Технология выдувания может быть ручной и механизированной. В настоящее время ручное выдувание ииспользуют для выработки художественных изделий. Для производства банок, бутылей и дру­гой массовой продукции применяют механизированное выдувание с помощью полуавтоматов или пресс-выдувание.

Схема пресс-выдувания приведена на рис. 5. Процесс получе­ния изделия делится на две основные стадии: предварительное прессование черновой заготовки (I) и выдувание из нее изде­лия (II). Процесс происходит на одной машине сначала в черно­вой пресс-форме (1), затем в чистовой (2). Черновая форма цельная (не разъемная), чистовая—разъемная. Заготовку из черновой формы переносят в чистовую с помощью так называемых горловых щипцов (3), которые представляют собой часть формы, так как в них формируется горловая часть изделия, в данном случае — баночки.

В начале процесса (позиция а) в черновую форму вводят пор­цию стекла. Сверху формы накладывают в сомкнутом состоянии горловые щипцы. Пуансон (4) поднят вверх. Затем его опускают и производят черновое формование (позиция б). После этого пу­ансон уходит вверх и заготовку в горловых щипцах переносят в чистовую форму (позиция в); здесь сверху опускается дутьевая го­ловка (5), плотно перекрывающая горловые щипцы, и в полость заготовки подается сжатый воздух, заставляющий ее принять форму внутренней полости чистовой формы (позиция г). После того как дутьевая головка и горловые щипцы удалены, половинки чистовой формы расходятся и изделие готово. Оно легко снимается с донной части формы (6). Методом пресс-выдувания изготовля­ют банки и бутылки с широким горлом.

Для производства ампул разной вместимости применяют выду­вание вакуумным питанием на специальных машинах-автоматах.

Механическая обработка стекла. Ампулы, бутыли, аптекарская и лабораторная посуда не проходят дополнительной механической обработки после формования, за исключением банок с притертой пробкой, у которых горло и пробку шлифуют и притирают с по­мощью абразивного порошка.

Для очковых линз шлифование и полирование служит основой производства, поскольку точность геометрических размеров и чи­стота поверхности линзы не могут быть достигнуты при получе­нии прессованием заготовки из стекломассы.

Термическая обработка стекла. Изделия из стекла при охлаждении на воздухе оказываются непрочными из-за внутренних напряжений, возникающих между слоями стекла вследствие их не равномерного охлаждения. Для исключения внутренних напряжний изделия медленно охлаждают в специальных тоннельных пе­чах (лерах), на входе которых температура максимальная, а на выходе—минимальная.

ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

В настоящее время трудно представитьсебе медицинубез по­лимерных систем для переливания крови, аппаратуру — без про­зрачных полимерных трубок, предметы ухода — без резиновых грелок, пузырей для льда и т. д. Значительно обогатить ассорти­мент материалов, применяемых в медицине, позволили синтетиче­ские полимеры.

Полимерные материалы существенно отличаются от металлов и сплавов: их молекулы вытянуты в длинные цепочки, в результа­те чего полимеры имеют высокую молекулярную массу. Молекулы полимеров получают из исходных низкомолекулярных продук­тов—мономеров—полимеризацией и поликонденса­цией. При полимеризации молекулярная масса образовавшегося полимера равна сумме молекулярных масс вступивших в реакцию молекул мономера. Поликонденсация сопровождается выделением побочных низкомолекулярных продуктов, и молекулярная масса полученного полимера меньше молекулярных масс исходных ве­ществ.

К полимерам поликонденсационного типа относятся фенолформальдегидные смолы, полиэфиры, полиуретаны, эпоксидные смолы. К высокомолекулярным соединениям полимеризационного типа от­носятся поливинилхлорид, полиэтилен, полистирол, полипропилен, полиметилметакрилат.

Высокополимерные и высокомолекулярные соединения явля­ются основой органической природы — животных и растительных клеток, состоящих из белка. Так, хлопчатобумажные волокна, во­локна древесины состоят из высокополимерных молекул целлю­лозы.

Для изготовления медицинских изделий широко применяюткакполимерные материалы, в основе которых лежит природное сырье, так и искусственные — синтетические полимерные материалы. Из полимерных материалов естественного происхождения изго­товляют большинство перевязочных средств: вату, марлю и изде­лия из них, алигнин, а также нити шовных материалов (хирурги­ческий шелк). Полимеры являются основой пластмасс, используе­мых при изготовлении различных инструментов, частей медицин­ской аппаратуры и оборудования.

Эластомеры. Каучук и резина

Термином «эластомеры» постепенно заменяют название «синте­тический каучук», а также натуральный каучук. Эластомерами на­зывают полимеры, обладающие в широком температурном интер­вале высокой эластичностью — способностью подвергаться значи­тельным (от нескольких сотен до 1000% и более) обратимым деформациям при сравнительно небольших действующих нагрузках. Первым эластичным материалом такого рода был натуральный каучук, который и в настоящее время не потерял своего значения в производстве эластомеров, в том числе и для медицинских изде­лий, благодаря своей нетоксичности.

Каучук получают из латекса (млечный сок бразильской гевеи), состоящего более чем наполовину из воды, в которой растворено 34—37% каучука, 2—2,7% белка, 1,65—3,4% смолы, 1,5—4,92% сахара. Каучук в латексе находится в виде глобул — шарообраз­ных частиц диаметром от 0,15 до 3 мкм (средний размер частиц 0,17÷0,26 мкм).

В природном латексе происходит самопроизвольная коагуляция глобул, в результате чего образуются сгустки каучука. Этот про­цесс можно прекратить и законсервировать латекс добавкой 0,5% раствора аммиака.

Латекс имеет самостоятельное значение как исходное сырье для производства изделий методом макания (хирургические перчатки, соски, напальчники).

На плантациях, где приготовляют каучук как промышленное сырье, латекс коагулируют с помощью органических кислот, про­катывают в рифленые листы и коптят в камерах с дымом при температуре 50 °С. Составные вещества дыма играют роль анти­септиков и стабилизаторов окисления каучука. Такие листы тол­щиной 2,5÷3 мм с вафельным рисунком поверхности называют «смокетшит». Они служат наиболее употребительной формой сы­рого плантационного каучука. Данные элементного анализа очи­щенного каучука соответствуют эмпирической формуле С₅Н₈ (изо­прен).

Синтетические каучуки получают путем полимеризации из мономеров с участием катализаторов (ускорителей) процесса. Первый советский синтетический каучук был получен С. Д. Лебе­девым из технического спирта. Спирт в присутствии особого катализатора, содержащего соединения цинка и хрома, был превра­щен в газ бутадион, а затем в смеси с другим катализатором — металлическим натрием — отдельные молекулы бутадиона были соединены в длинные цепи, образовавшие основу синтетического каучука.

В настоящее время выпускают несколько видов синтетических каучуков, в том числе изопреновый, мало отличающихся от нату­рального. Для изделий медицинского назначения перспективен силоксановый (силиконовый) каучук, основная полимер­ная цепь которого состоит из атомов кремния и кислорода. Он тер­мостоек и физиологически инертен. Сырьем для изготовления син­тетических каучуков служат нефть, природный газ, каменный уголь.

Эластомеры. Превращение каучука или «сырой» каучуковой смеси в эластичную резину (материал с необходимыми эксплуата­ционными свойствами) осуществляют путем вулканизации. Вулканизация, подобно термообработке металлов и сплавов, при­водит к изменению структуры каучука. При вулканизации осуществляется соединение (сшивание) молекул эластомера химиче­скими связями в пространственную трехмерную сетку, в результате чего получают материал, обладающий необходимыми эластически­ми и прочностными свойствами (прочность, упругость, твердость, сопротивление разрыву и т. д.). Кроме того, при вулканизации происходит химическое взаимодействие эластомера с вулка­низирующими веществами. Основным вулканизирующим вещест­вом служит сера; применяют также теллур и селен. Чем больше к каучуку добавляют серы, тем более твердым и менее эластичным получается эластомер. При содержании серы от 35% и выше по­лучают твердый эбонит.

В современном производстве, помимо вулканизаторов, широко применяют органические ускорители, присутствие которых снижа­ет количество серы (до 2% вместо 10%) и температуру вулканиза­ции. Существуют ультраускорители, благодаря которым вулканизация вместо температуры 130—150 °С протекает при ком­натной температуре.

Вулканизации подвергают отформованные изделия. Для придания будущему изделию из эластомера определенной формы и приготовления смеси для формования и последующей вулкани­зации производят пластификацию каучука путем разминания его на теплых гладких вальцах. Пластифицированный каучук смеши­вают с другими компонентами резиновой смеси: вулканизатора­ми, наполнителями, мягчителями, красителями, противостарителями, стабилизирующими добавками в специальных миксерах под давлением в несколько атмосфер и при температуре до 100 °С. Это способствует равномерному смешению компонентов и получению пластичной массы, удобной для формования и выработки рези­новых изделий.

Рецептура резин, применяемых для изготовления медицинских изделий, подлежит утверждению Министерством здравоохранения СССР, так как эти резины находятся в непосредственном контак­те с тканями, кровью и лекарственными препаратами и не долж­ны выделять в биологические среды вещества, которые могут из­менять их активность. Резины не должны иметь неприятного за­паха. Резины и резиновые изделия, подвергаемые стерилизации или дезинфекции, должны переносить без существенных потерь механических качеств один из рекомендуемых ОСТ методов обез­зараживания. Так, резина для эластичных зондов и катетеров, подлежащих дезинфекции кипячением в воде, должна отвечать следующему требованию: после 100-кратного повторения этой процедуры сопротивление резины разрыву не должно снижаться более чем на 40% по отношению к первоначальному значению в новом изделии. Это по существу служит требованием достаточной долговечности изделия.

К резинам, предназначенным для изготовления отдельных групп изделий, предъявляют дополнительные требования, обеспечиваю­щие выполнение изделиями их функционального назначения и на­дежность в работе. Так, к резинам, предназначенным для изго­товления рентгеноконтрастных трубок и катетеров, предъявляют требование определенной рентгеновской непрозрачности. Иначе говоря, такие изделия должны иметь эквивалент свинца не менее 0,025. Резина, идущая на изготовление защитных фартуков для рентгенологов, при толщине 1,5 мм должна иметь свинцовый эк­вивалент не менее 0,3, т. е. по своим защитным свойствам долж­на соответствовать свинцовому листу толщиной 0,3 мм.

Аналогично формулируют требование, предъявляемое к латексным изделиям, представляющим собой тонкопленочные эластич­ные хирургические перчатки, соски, пипетки, напальчники и др. Об этих требованиях к функциональным качествам изделий будет говориться при описании этих изделий в соответствующих разде­лах.

Пластические массы

Пластическими массами называют полимерные материалы и их композиции с органическими и неорганическими веществами, спо­собные при определенных условиях переходить в пластическое со­стояние и принимать заданную форму. Некоторые полимерные материалы, составляющие основу пластмасс, обладают такими свойствами, которые делают их незаменимыми для производства медицинских изделий (нетоксичность, инертность по отношению к биологическим средам, способность противостоять действию стери­лизующих и дезинфицирующих агентов). В последние годы появи­лись специальные пластики, модифицированные для медико-тех­нических целей (рентгеноконтрастные пластики). С другой стороны, детали медицинского оборудования и аппаратуры, не вступаю­щие в контакт с тканями организма, изготовляют из обычных тех­нических пластиков, применяющихся в машиностроении или при­боростроении. Из обширной номенклатуры полимеров и пластмасс здесь будут рассмотрены только те, которые находят применение при изготовлении медицинских изделий.

Основным веществом, образующим пластмассу, служит синте­тическая смола. Для производства пластмасс применяют два ти­па смол: термопластичные и термореактивные. Смолы, сохраняю­щие способность плавиться при повторном нагревании и затвер­девающие при охлаждении, называют термопластичными. Термореактивные смолы затвердевают при повышенной температуре и переходят в неплавкое и нерастворимое состояние, т. е. не допускают повторного прессования, являясь, таким обра­зом, необратимыми.

Синтетические смолы, служащие основой пластмасс, можно при­менять в чистом виде; при этом чаще всего получают прозрачные пластмассы, называемые ненаполненными, например, органическое стекло (плексиглас), состоящее из чистой полимеризационной смолы — полиметилметакрилата. Во многих пластмассах синте­тическая смола служит лишь для связывания наполнителя (ор­ганического или неорганического). Наполнители вводят в пласт­массу для увеличения механической прочности и удешевления из­делий. Наряду со смолой и наполнителем в пластмассу вводят различные добавки с целью придания ей новых свойств (для по­вышения прочности, водостойкости или сообщения пластмассе электропроводности). Добавки стеарина и стеарата кальция спо­собствуют предотвращению прилипания пластмассы к пресс-форме и повышают текучесть пластмасс. В некоторые смолы вводят пла­стификатор для придания им большей пластичности, так как эти смолы без пластификатора излишне тверды и плохо поддаются переработке. В смолу иногда добавляют красители или минераль­ные пигменты для окраски пластмассы в нужный цвет. Все син­тетические материалы и композиции в связи с наличием в их со­ставе многих компонентов применяют для изготовления медицин­ских изделий только после обстоятельных токсикологических ис­пытаний и получения разрешения на применение материалов стро­го определенной рецептуры от Министерства здравоохранения СССР.

Термопластичные материалы. Наиболее широкое применение для изготовления медицинских изделий нашел продукт полимери­зации винилхлорида—поливинилхлорид (ПВХ), размягча­ющийся при нагревании и затвердевающий при охлаждении. Он не токсичен, стоек к действию щелочей, кислот, многих органиче­ских растворителей (спирт, бензин и масла). Химическая промыш­ленность выпускает листы из поливинилхлоридного пластиката (винипласт), которые используют как подкладочную (толщина 0,2—0,4 мм) или компрессную (толщина 0,05—0,15 мм) клеенку. Широко используют в медицинской практике трубки и трубчатые изделия (катетеры, воздуховоды, дренажи и др.) из этого мате­риала.

Перерабатывают в медицинские изделия и ряд других термопла­стов. Широкое распространение в медицине получил капрон— продукт полимеризации капролактама. Капрон физиологически нейтрален, обладает большой прочностью, стоек к действию ще­лочей, жиров, масел. Помимо капроновых нитей, применяемых в качестве шовного материала, из него изготовляют методом литья под давлением различные детали медицинской аппаратуры (втул­ки, подшипники, шестерни и др.).

Полистирол—продукт полимеризации стирола с участием пластификаторов или без них. Обладает весьма высокой водо­стойкостью, твердостью, устойчивостью к действию кислот и ще­лочей; служит прекрасным электроизоляционным материалом. К недостаткам полистирола относится его низкая термическая ус­тойчивость и склонность к растрескиванию. Однако недостаток прочности полистирола устранен в так называемом ударопроч­ном полистироле, получаемом сополимеризацией стирола с раз­личными каучуками. Детали из полистирола изготовляют методом литья под давлением. Это различные детали электромедицин­ской аппаратуры, посуда и потребительская тара (коробки), а также изделия одноразового пользования (шприцы).

Полиэтилен—продукт полимеризации этилена, напоминаю­щий по внешнему виду парафин. Обладает высокой химической устойчивостью и служит прекрасным диэлектриком. Различают полиэтилен высокого давления (ПЭВД) и полиэтилен низкого давления (ПЭНД). ПЭВД—один из самых легких полимеров (плотность 0,93 г/см³). Он прочен и в то же время обладает боль­шой эластичностью (гибкостью), сохраняя свои свойства при низких (до —70°С) и при довольно высоких температурах (вы­держивает дезинфекцию кипячением). ПЭВД устойчив к воздей­ствию кислот, щелочей, спиртов и других растворителей, почти не адсорбирует влаги. Стабилизированный полиэтилен применяют для изготовления шприц-тюбиков. ПЭНД более прочен и менее эластичен, чем ПЭВД. Этот пластик является одним из самых де­шевых и допускает переработку в изделие любым способом (литье, прессование, экструзия, штамповка). Для уменьшения старения (деструкции) ПЭНД стабилизируют. Он хорошо окра­шивается в массе. Применяется для изготовления предметов ухо­да за больными и упаковки медикаментов.

Полипропилен—продукт полимеризации пропилена, твер­дый прозрачный полимер. Превосходит полиэтилен по химической стойкости, механическим свойствам и теплостойкости (рабочая температура до 130°С). Применяется при изготовлении элементов для соединения трубок и шлангов газовой аппаратуры (коннекто­ров), деталей и узлов аппаратов искусственного кровообращения, а также упаковочной пленки.

Пентапласт—простой хлорированный полиэфир. Более ус­тойчив к нагреванию по сравнению с ПВХ: может выдерживать до 400 циклов паровой стерилизации, стоек к химическим стерилизационным растворам. Пентапласт нашел пока ограниченное применение для изготовления шприцев, чашек Петри, колб, пипе­ток, но имеет хорошие перспективы для более широкого использо­вания.

Полиэтилентрефталат (лавсан)—сложный эфир трефталевой кислоты и этиленгликоля. Теплостойкий полимер, по прочности превосходящий многие полимеры (предел прочности около 1700 кгс/см²). Ареактивен по отношению к тканям организ­ма. Применяется в качестве шовного материала.

Поликарбонат (дифлон)—сложный полиэфир угольной кислоты. Стоек в воде, кислотах и щелочах. Изделия из него можно многократно (до 100 раз) стерилизовать паром. Прозрачен и прочен. Применяется для изготовления изделий высокой точно­сти (шприцы, мерные цилиндры и др.).

Полиуретан—продукт взаимодействия диизоцианатов с многоатомными спиртами. Устойчив к действию кислот и щелочей, не темнеет при нагревании. Изделия, полученные из этого продук­та литьем под давлением, отличаются высокой механической проч­ностью, хорошо выдерживают дезинфекцию кипячением.

Фторопласты по праву могут быть названы благородными пластиками, так как по устойчивости к действию агрессивных сред они превосходят даже благородные металлы—золото и платину. Фторопласты являются также самыми тяжелыми пластиками — представляют собой полимеры производных этилена, в которых атомы водорода заменены фтором. В практике производства медицинских изделий нашел применение фторопласт-4, который ис­пользуют для протезирования клапанов сердца и деталей слухо­вого аппарата. Из него изготовляют ряд ответственных деталей медицинской аппаратуры. Он может подвергаться стерилизации при 190—200 °С и выдерживает такого же порядка низкие темпе­ратуры. Изделия из фторопласта изготовляют механической обра­боткой.

Термореактивные пластмассы. Из термореактивных пластмасс в изготовлении изделий медицинской техники нашли применение фенопласты и аминопласты. Термореактивные пластмассы допуска­ют только влажную обработку.

Фенопласты изготовляют на основе фенольно- и креозольно-формальдегидных смол. Изделия из этих смол обладают сравни­тельно высокой теплостойкостью и водостойкостью, высокой меха­нической прочностью, хорошими изолирующими свойствами, стой­ки к растворам кислот и щелочей. Из фенопластов изготовляют штепсели, розетки, патроны, выключатели, детали электромеди­цинских аппаратов, корпуса тонометров и сфигмоманометров, раз­личные ручки, маховички и другие детали.

Аминопласты изготовляют из мочевиноформальдегидных смол и целлюлозы (наполнитель), красителей и фосфата цинка. Из этих пластиков путем прессования получают детали, имеющие яркую окраску различных цветов. Эти пластики используют при изготовлении деталей аппаратуры и приборов (цветные кнопки в электрокардиографах, выключатели, переключатели и т. д.).

Некоторое применение в медицинских изделиях находят пласти­ки на основе эфиров целлюлозы, в частности целлулоид, ко­торый применяют для изготовления очковых оправ.