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弹性体材料在医疗器械上的设计及使用

2020-01-17王哲恒

探索科学(学术版) 2019年4期
关键词:热塑性弹性体医疗器械

王哲恒

捷普/耐普罗公司(上海) 上海 200233

引言

聚氨酯弹性体(TPU)基于聚酯,聚醚,特殊共聚物和聚氨酯的共混物和聚碳酸酯,展现广泛的,适合许多不同的性能范围不同的应用。本文以较有代表性的弹性体(Texin 和Desmopan)牌号材料及其重点技术参数为基础,研究探讨该弹性体材料从材料选择,产品结构设计到制造过程中的一些重要技术要点。

1 材料特性及医疗器械产品的应用

热塑性弹性体具备有以下突出特点:

高拉伸强度和撕裂强度。

·优异的耐磨性

·优异的耐燃料和耐油脂性能

·抗臭氧和氧气氧化

·高弹性

·高承重

·低容量和硬度。

·耐水解和抗微生物

医疗器械产品各式各样,不同种类的医疗器械也有着各不相同的使用场景。如一些医用的绷带锁扣结构,在使用中常需要器械表面既能拥有一定的强度,又能提供相应的柔性特质,这就可以利用到热塑弹性体的高拉伸强度和弹性特征。如很多医疗器械需要到达防水防尘的设计,因此热塑性弹性体可以发挥其优秀的耐水解和弹性特点,实现对壳体的密封效果。又如很多医疗手术器械,为了实现更好的触感体验,增加操作的稳定性,会需要在器械表面人机界面上实现部分包覆软胶,以达到良好的触感。

正是基于热塑性弹性体的种种特点和医疗器械上的诸多具体要求,越来越多的医疗器械产品设计中都不断采用热塑弹性体材料,使得产品得到更好的使用体验。

2 产品结构设计及材料选型

正如上面举例,不同的医疗产品有着各自不同的使用,以达到不同的使用效果,在热塑性材料选择过程,有以下三个重点要特别注意.

2.1 材料的硬度要求,热塑性弹性体能提供从60HA 到90HA 的硬度范围要求,如果在特殊使用中的材料硬度需求超出了这个范围,需要对材料做进一步的材料配方改性。

2.2 材料的颜色要求,在很多的产品设计中,热塑弹性体一般都位于产品的外侧表面,因此从产品的外观设计考虑,要求弹性体材料能达到指定的颜色要求。就材料本身而言,可以配合不同的产品的外观要求,通过染色的方法达到要求的颜色效果。

2.3 材料和不同基材的结合特性,通常情况下,热塑性弹性体都是配合一下其它的非弹性材料一起使用,通过复合成型工艺制成需要的产品壳体。因此壳体基础材料的选择也会影响到弹性体材料与其的结合性能。通过各种实验,得出弹性体(TPU)与各种材料的结合特性。

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2.4 在选定材料的基础上,相互结合包容的材料的具体结构设计也将是另一个影响到结合性能的关键,以下就举例说明

3 热塑性弹性体零件的模具设计

热塑性弹性体的零件模具设计是涉及到众多方面技术知识的一个系统,这里挑选一些基础和重点加以说明,“不积跬步,无以至千里”一个好的模具设计一定都是由点点滴滴的细节的累积以实现最终的成功。

3.1 模具材料选择 通常可以用于热塑性弹性体成型的模具钢材包括如AISI P-20,S-7,和H-13,考虑到小量或者短周期的产品,也可以考虑使用铝材 如(6061 T-6型)作为模具材料。

3.2 模具型腔表面处理 因为TPU 树脂容易吸附在高度抛光的表面,因此相对粗糙的模具表面光洁度会对弹性体零件的成型脱模取出有一定帮助。如SPI D-2表面处理,同时要特别注意,相应的表面处理最好应延伸到浇口衬套,流道等位置,以帮助确保整个产品的顺利脱模

3.3 产品模具的缩水率 对于普通简单形状的产品,经过测试,热塑性弹性体的缩水率如下

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当然针对一些形状特别复杂的产品,可以在模具设计中材料模流分析的手段对产品进行具体分析,以取得更加准确的缩水率。

3.4 产品成型尺寸及公差 对于弹性体的尺寸测试及公差范围的规定一直会是结构设计者和模具设计及成型品管控制遇到的比较棘手的困难,因为弹性体的成型,测试等一系列环节都会影响到最终的测试结果。本文基于选定的弹性体材料(Texin 和Desmopan)以及简单的成品造型结构做了以下研究,结果如下供参考

4 成型设备和工艺

完成了好的材料选型,结构设计,和好的模具设计,如果没有正确的零件加工手段和工艺,仍然不能取得最终的好的零件,因此加工成型将是关键的临门一脚。结合具体的材料及日常的工作积累,总结了一些重点技术。

4.1 成型机器选择 TPU(Texin和Desmopan)树脂可以使用直线往复运动的螺旋式注塑机和柱塞注塑机,螺旋式注塑机是比较好的选择,因为它产生更均匀的材料和更均匀的熔体温度,同时它还支持在较低的温度下的射出成型。

一般而言,需要调整机器的温度到475°F(246°C)左右,注射压力高达15,000 psi(103兆帕),模具夹紧力需要达到3-5 t/in.2(40-70 k Pa)的投影面积。

4.2 射出机螺杆的尺寸也会影响到成型的效率和成品品质,以(Texin和Desmopan)为例

选择螺杆长径比(L/D)为至少20:1为较优选择。压缩比为2:0-1至3.0:1为理想参数。因此通常情况下使用2.5:1的压缩率。压缩比过大,造成融化温度升高,容易产生材料降解,进而影响到产品性能。建议使用镀铬的射出机螺杆,这样便于清洁,同时达到耐磨特性,

4.3 材料的干燥 弹性材料和大多数的塑胶材料一样,从塑胶粒子的生产产出开始就一直吸收空气中的水蒸气,如下图的材料曝露时间和吸水性对应表格,材料曝露在空气中超过5分钟,其吸水率就超过射出要求的0.03%

材料的含水量的控制一直是整个射出过程中要重点关注的。TPU 材料成型前需要特别干燥处理,通常要求在射出成型之前,材料需要连续在(93°-104°C)环境下干燥2小时以上。

5 结语与讨论

随着产品设计的不断进步,越来越多的方便可靠的医疗产品走入人们的视野,各种各样的材料选择和使用也进一步丰富和完善了产品的功能。作为一个医疗器械的设计和生产公司,保持对新科技,新材料的敏锐和好奇,同时注重每个细节,是不断创造完美产品的坚实基石。

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