不同化学试剂对TPU导管工艺性能影响的试验研究

程玲玲，赵明学，莫盼盼，郭楠，牛富超，陈鹏涛

(河南驼人医疗器械集团有限公司，河南省医用高分子材料技术与应用重点实验室，河南新乡 453000)

热塑性聚氨酯弹性体(TPU)又称热塑性聚氨酯橡胶，TPU材料因不含邻苯二甲酸酯等化学有害物质，具有良好生物相容性和力学性能，目前已在各种医疗产品中得到应用研究[1–4]，如医用导管、医用气囊、医用薄膜、人造血管、人造皮等。庄煜等[5]采用TPU粉末为主料，研究并制备了一种可用于激光选区烧结技术的复合材料，其烧结制件具有较高的强度及成形精度，可用于制作仿血管等柔性医疗模型。靳国宝等[6]以TPU为试验材料，研究了模具温度、螺杆转速和牵引速度对单腔微管挤出成型的影响，结果表明模具温度对微管尺寸影响不大，而螺杆转速和牵引速度对微管尺寸影响呈非线性变化。

TPU挤出后管体表面黏性大，在牵引裁切和传送段常常附着在设备上，难以收集，且收集后难以保持平直状态，给生产带来很大的麻烦。笔者以TPU为试验材料，采用化学试剂表面处理法[7–10]，研究不同化学试剂对中静管延长管工艺性能的影响，使TPU挤出发黏问题得到很好解决。

1 实验部分

1.1 主要原材料

TPU粒料：58277，医用级，路博润特种化工(上海)有限公司；

医用乙醇：乙醇含量为75%，河南洁森消毒制品有限公司；

乙二醇：分析纯，郑州派尼化学试剂厂；

聚乙二醇：化学纯，郑州派尼化学试剂厂。

1.2 主要设备及仪器

真空干燥箱：28-111型，深圳市标王工业设备有限公司；

挤出机：HRJ-30/28型，海瑞嘉精密挤出机械有限公司；

扫描电子显微镜(SEM)：EVO18型，卡尔蔡司(上海)管理有限公司；

拉力机：AI-3000型，高铁仪器检测有限公司；

接触角测量仪：AS-TE3013型，艾德斯(中国)有限公司；

傅里叶变换红外光谱(FTIR)仪：Vector-22型，德国布鲁克仪器有限公司。

1.3 挤出生产线结构组成

挤出生产线的结构组成如图1所示。笔者所用挤出生产线，在测量系统与牵引裁切机之间增加表面处理装置，用于对中静管延长管表面增加化学试剂，降低表面黏性。

图1 挤出生产线结构组成

1.4 TPU导管制备

水分可以使TPU熔体产生降解，影响其加工性能以及产品的力学性能和外观，因此TPU粒料在挤出前必须进行烘干处理。干燥温度因硬度不同而异，一般在80～110℃之间，时间3～6 h左右。在真空干燥箱中设置TPU粒料烘干温度为90℃，烘料时间5 h，确保TPU粒料中的水分含量在0.02%以下。

TPU熔体黏度和黏性很大，为了保证TPU熔体能够充分塑化，同时又能最大限度的降低产品表面的黏性，所以从进料段到熔体泵采用从低到高的温度分布，而熔体泵到机头模具采用下降的温度分布。较低的模口温度还有利于提高熔体强度。挤出机的温度设置参数见表1。

表1 中静管延长管的挤出参数 ℃

将烘好的TPU粒料加入料斗中，TPU粒料依次经过机筒一区、机筒二区、机筒三区、法兰、熔体泵、机头模具，完成充分熔融塑化成型，再经真空冷却定型水槽冷却定型和测量装置检测尺寸后，进入表面处理装置使管体表面沾有化学试剂，最后裁切成11.8 cm，在传送机履带的传动下落入接料箱中，制得TPU导管。

1.5 性能测试

(1)外观测试。

首先对挤出过程中的中静管延长管外观进行目测，观察表面是否有质量缺陷，然后对放置15 d后的中静管延长管使用SEM进行观察测试，放大倍数为50倍。

(2)分离力测试。

挤出的中静管延长管放置15 d后，使用拉力机对粘连的两根管进行分离力测试，标距为10 mm，分离速度为200 mm/min，每种条件下的管体测试20个，取平均值。

(3)断裂力测试。

挤出的中静管延长管放置15 d后，按照YY 0285.1–2017附录B规定的方法进行测试，标距为25 mm，拉伸速度为500 mm/min，每种条件下的管体测试20个，取平均值。

(4)接触角测试。

挤出的中静管延长管放置15 d后，使用滴水角测试仪对TPU导管进行测试，每种条件下的管体测试20个，取平均值。

(5) FTIR测试。

挤出的中静管延长管放置15 d后，通过溴化钾压片法制得样片，使用FTIR仪对样片进行测试，扫描数为32次，分辨率为4 cm-1。

2 结果与讨论

2.1 不同化学试剂对中静管延长管外观的影响

对不同试验条件的中静管延长管的外观进行目测，结果见表2。由表2可看出，使用医用乙醇、乙二醇、聚乙二醇处理的产品与未处理的产品相比，粘连现象明显降低，不同化学试剂的处理效果为：医用乙醇＞乙二醇＞聚乙二醇。

表2 中静管延长管的外观

对放置15 d后的产品进行SEM测试，结果如图2所示。由图2可以看出，医用乙醇对产品表面有腐蚀作用，乙二醇、聚乙二醇的处理效果较好。

图2 中静管延长管SEM图(×50)

2.2 不同化学试剂对中静管延长管分离力的影响

为了定性表征中静管延长管的粘连特性，特进行分离力测试。对不同试验条件的中静管延长管的分离力进行测试，结果见表3。医用乙醇和聚乙二醇处理后的中静管延长管，分离力较低，未检出；乙二醇处理的中静管延长管，分离力为0.1 N；未处理的中静管延长管，分离力为0.50 N。与未处理的中静管延长管相比，三种化学试剂处理的中静管延长管的分离力都较低，不同化学试剂的处理效果为：医用乙醇=聚乙二醇＞乙二醇。

表3 中静管延长管的分离力

2.3 不同化学试剂对中静管延长管断裂力的影响

在医疗导管中，断裂力是非常重要的物理性能，如果断裂力达不到要求，产品在使用中容易发生断裂而引发医疗事故[11–14]。对不同试验条件的中静管延长管进行断裂力测试，结果如图3所示。与未处理的产品相比，乙二醇能显著提高产品的断裂力，医用乙醇和聚乙二醇处理后产品的断裂力略有下降，但仍能满足产品使用要求。

图3 中静管延长管的断裂力

2.4 不同化学试剂对中静管延长管接触角的影响

液体在固体材料表面上的接触角，是衡量该液体对材料表面润湿性能的重要参数[15–16]。材料表面的润湿性能好就意味着易于粘接，胶水的选择范围宽，在生产过程中有很重要的实践意义。对不同试验条件的中静管延长管进行接触角测试，结果如图4所示。由图4可看出，不同试验条件下，产品的接触角大小表现为：未处理＞医用乙醇＞乙二醇＞聚乙二醇，说明聚乙二醇处理的产品表面润湿性能最好，乙二醇其次，医用乙醇的处理效果不明显。

图4 中静管延长管的接触角

2.5 FTIR分析

FTIR仪是利用物质对不同波长的红外辐射的吸收特性，进行分子结构和化学组成分析的仪器，可用于推断化合物的结构，FTIR的适用性广泛，已在制药、环保、食品、化工等领域得到很好应用[17–20]。对不同试验条件的中静管延长管进行FTIR测试，结果如图5所示。从图5可看出，不同试验条件的产品的FTIR峰值和数目非常接近，表明物质的官能团种类没有发生变化，即医用乙醇、乙二醇和聚乙二醇与TPU没有发生化学反应。但对比各个FTIR吸收峰的强度可知，不同条件下官能团的相对含量存在差异，说明物质所处环境不同其性能存在差异。

图5 中静管延长管的FTIR谱图

3 结论

采用TPU粒料制备了中静管延长管，从产品外观、分离力、断裂力和接触角方面研究分析了医用乙醇、乙二醇、聚乙二醇三种化学试剂对TPU材质的中静管延长管工艺性能的影响，发现与未处理的产品相比，医用乙醇、乙二醇、聚乙二醇均能在产品的分离力、断裂力和接触角方面有较好的处理效果，但在外观方面，医用乙醇有轻微腐蚀作用，而乙二醇和聚乙二醇表现良好。另外通过FTIR测试，证明医用乙醇、乙二醇和聚乙二醇与TPU没有发生化学反应。该研究结果表明，在TPU导管的挤出过程中可通过乙二醇或聚乙二醇的表面处理方式来改善TPU挤出发粘现象。