医用塑料品种的特性分析

来源:嘉峪检测网    作者:测库头条君    2018-01-26 10:18:18

与玻璃和金属材料相比,塑料的主要特点:

1、成本较低,可以不必消毒重复使用,适合用作一次性医疗器械的生产原料;

2、加工简单,利用其塑性可以加工成各种各样有用的结构,而金属和玻璃很难制 造成复杂结构的制品;

3、坚韧,富有弹性,不象玻璃那样易破碎;

4、具有良好的化学惰性和生物安全性。 这些性能优势使塑料在医疗器材中具有广泛应用,主要包括聚氯乙烯(PVC),聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)、ABS、聚氨酯、聚酰胺、热塑性弹性体、聚砜和聚醚醚酮等。共混可以改善塑料的性能,使不同树脂的最佳性能体 现出来,如聚碳酸酯/ABS、聚丙烯/弹性体等共混改性。

 

一般的塑料合成以后,从大石化厂的合成塔出来,都是面粉状的粉末,不能用来直 接生产产品,这就是人们常说的从树汁中提取出脂的成份是一样的,也称为树脂,也叫 粉料,这是一种纯净的塑料,它流动性差,热稳定性低,易老化分解,不耐环境老化。 人们为了改善以上缺陷,在树脂粉中加入热稳定剂、抗老化剂、抗紫外光剂、增塑剂等, 经过造粒改性,增加它的流动性,生产出适应各种加工工艺的、有特殊性能的、不同牌 号的塑料品种。所以,同一种塑料品种有很多牌号,按照加工方法来分,有注塑级的, 有挤出级的,有吹膜级的;按照性能来分,有高刚性的,有增韧的,等等。医疗器械厂 家普遍使用的塑料材料都是经过改性可以直接使用的塑料颗粒。对于市场中没有的具有 特殊性能的产品,器械厂可以引进造粒生产线,通过不同的配方设计,加工生产塑料颗粒。

 

由于要与药液接触或与人体接触,医用塑料的基本要求是具有化学稳定性和生物安 全性。简单来说,塑料材料中的组成成分不能析出进入药液或人体,不会引起组织器官 的毒性和损伤,对人体是无毒无害的。为了确保医用塑料的生物安全性,通常在市面销 售的医用塑料都是通过医疗权威部门的认证和检测,并且明确告知使用者哪些牌号是医疗级的。

 

美国的医用塑料通常会通过FDA认证和USPVI生物检测,我国医疗级的塑料通常经 过山东医疗器械检测中心的检测。目前国内还有相当一部分医用塑料材料未经严格意义 上的生物安全认证,但随着法规的逐渐健全,这些情况会越来越改善。

 

根据器械制品的结构和强度要求,我们来选择合适的塑料类型和恰当的牌号,并确 定材料的加工工艺。这些性能包括加工性能、力学强度、使用成本、装配方式、可灭菌 性等。现将常用的几种医用塑料加工性能和物理化学性能进行介绍。

1. 聚氯乙烯PVC

2. 聚乙烯PE

3. 聚丙烯PP

4. 聚苯乙烯(PS)和K树脂

5. ABS

6. 聚碳酸酯PC

7. 聚四氟乙烯PTFE

医用塑料

1.聚氯乙烯(PVC, Polyvinyl chloride)

PVC是世界上产量最大的塑料品种之一。PVC树脂为白色或浅黄色粉末,纯PVC属无规立构,硬 而脆,很少应用。根据不同的用途可以加入不同的添加剂,使PVC塑件呈现不同的物理性能和力学 性能。在PVC树脂中加入适量的增塑剂,就可制成多种硬质、软质和透明制品。

PVC不含或含有少量的增塑剂,有较好的抗拉、抗弯、抗压和抗冲击性能,可单独用作结构 材料。软PVC含有较多的增塑剂,它的柔软性、断裂伸长率、耐寒性增加,但脆性、硬度、抗拉强 度降低。纯PVC的密度为1.4g/cm3,加入了增塑剂和填料等的PVC塑件的密度一般在1.15~2.00g/cm3 范围内。

据市场估计,医用塑料产品大约25%是PVC。主要是由于该树脂的成本较低、应用范围广阔、及 其易加工。医学应用的PVC产品有:血液透析管路、呼吸面罩、吸氧管等。

 

典型应用:输液器用管路和血液透析用管路(软质PVC,挤出加工)、输液器用三通(硬质PVC, 注塑)。

 

加工工艺条件:

可以注塑、挤出、吹膜、压延。

通常不需要干燥处理。

熔化温度:170-200oC,模具温度:20-50oC

注射压力:可大到1500bar,保压压力:可大到1000bar。

注射速度:为避免材料降解,一般要用相当低的注射速度。 主要性能特点:

PVC材料是一种非结晶性材料,能溶于环已酮和四氢呋喃等有机溶剂。所以通常使用环己酮来 粘接PVC部件。

PVC材料在实际使用中经常加入稳定剂、润滑剂、染色剂等添加剂。

铅钡添加物是PVC最有效的热稳定剂,但禁止用在医疗上,钙锌添加物常常作为医用级PVC的稳定剂。

邻苯二甲酸盐(DEHP)作为医用PVC的增塑剂,这种增塑剂的析出会对人体造成毒害,已引起 欧洲和北美卫生组织的关注,我国药监部门也开始注意这个问题。

PVC热稳定性较差,长时间加热会导致分解,放出氯化氢气体,使PVC变色。

应用温度范围较窄,一般在-15-5oC之间。

PVC的收缩率较低,一般为0.2-0.6%。

PVC为极性材料,容易与一些极性药物发生吸附。

软质PVC膜可使用高频焊接加工成袋子,如袋式输液器、尿袋。

 

2.聚乙烯(PE,Polyethylene) 

聚乙烯塑料是塑料工业中产量最大的品种,乳白色,无味、无臭和无毒的光泽性蜡状颗粒。其特 点是价格便宜,性能较好,可广泛地应用于工业、农业、包装及日常工业中,在塑料工业中占有举足 轻重的地位。

PE主要包括低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)以及超高分子量的聚乙烯(UHDPE) 等品种。HDPE的高分子链上支链较少,相对分子质量、结晶度和密度较高,硬度和强度较大,不透 明性差,熔点较高,常用于注塑件。LDPE带有许多支链,因而相对分子质量较小,结晶度和密度较 低,具有较好的柔软性、耐冲击及透明性,常用于吹膜,是目前广泛使用的PVC可选的替代品。也可 以根据使用性能要求将HDPE和LDPE两种材料混合使用。UHDPE具有较高的冲击强度、低摩擦性、耐 应力开裂性和较好的吸能特性,使之成为人造臀、膝盖和肩部连接器的理想材料。

典型应用:针帽、注射器推杆、输液器流量调节器、输液器和注射器的包装袋等。

 

加工工艺条件:

干燥:吸水性小,一般不需要干燥,熔化温度170-260oC,模具温度20-40oC

注射压力:最大可到1500bar,保压压力:最大可到750bar,注射速度:建议使用快速注射速 度。

流道和浇口:可以使用各种类型的流道和浇口。LDPE特别适合于使用热流道模具。 主要性能特点:

PE制件最显著的特点是成型收缩率大,易产生缩水和变形。

PE的加工温度范围很宽,不易分解(分解温度约为300℃),其加工温度为180~220℃较好,若 注射压力大,制品密度则高,收缩率较小。

PE流动性中等,保压时间需较长,并保持模温的恒定(40~70℃)。PE的结晶程度和成型工艺条 件有关,它有较高的凝固温度模温低,结晶度就低。

成型过程中,料温和模温偏高一些为宜,注射压力在保证制件质量的前提下应尽量偏低。

PP相同,PE为非极性材料,不易粘合,药物吸附量小,不能采用高频焊接加工成袋,要使 用热合工艺进行焊接。

 

3.聚丙烯(PP,polypropylene) 

聚丙烯无色、无味、无毒。外观似聚乙烯,但比聚乙烯更透明、更轻。PP是一种性能优良的热 塑性塑料,具有比重小(0.9g/cm3)、无毒、易加工、抗冲击、抗挠曲性等优点。在日常生活中具有 广泛的应用,包括编织袋、薄膜、周转箱、电线蔽护材料、玩具、汽车保险杆、纤维、洗衣机等

医用PP具有较高的透明度、较好阻隔性和耐辐射性,使其在医疗设备和包装业上具有广泛的应 用。以PP为主体的Non-PVC材料是目前广泛使用的PVC材料的替代品。

 

典型应用:注射器针筒,Non-PVC 输液袋和输液器。

 

加工工艺条件:

可以注塑、挤出、吹塑或者制成薄膜

干燥处理:吸水性低,不需要干燥处理。

熔化温度:220-270oC,注意不要超过275oC。模具温度:40-80oC,建议使用50oC。

注射压力:可大到1800bar,注射速度:使用高速注塑可以使内部压力减小到最小。如果制品 表面出现了缺陷,那么应使用较高温度下的低速注塑。

流道和浇口:对于冷流道,典型的流道直径范围是4-7mm。建议使用通体为圆形的注入口和流 道。所有类型的浇口都可以使用。典型的浇口直径范围是1~1.5mm,但也可以使用小到0.7mm 的浇口。对于边缘浇口,最小的浇口深度应为壁厚的一半;最小的浇口宽度应至少为壁厚的两 倍。PP材料完全可以使用热流道系统。

 

主要性能特点:

PP是一种半结晶性材料,熔点高,耐热性好、能在100°C以上的温度下进行消毒灭菌。

屈服强度、抗拉强度、抗压强度、硬度及弹性比聚乙烯(PE)要高。

均聚PP的脆性较大,与乙烯合成的无规则共聚PP具有较好的韧性和更强的抗冲击强度。通常 在低温条件下使用的产品,要尽量选用共聚PP,或加入热塑性橡胶的方法对PP进行改性,增 加其柔韧性和低温耐冲击性能。Non-PVC大输液袋就是共聚PP和弹性体共混改性材料制成。

在氧、热、光的作用下极易解聚、老化,所以必须加入防老化剂。

PP制品不易粘合,在粘接前需要处理,并要使用特别的粘接剂,器械厂使用的环己酮不能满 足要求。

着色性差,收缩率大(一般为1.6-2.5%),耐烧性差,容易着火

PP为非极性材料,对药物的吸附量较低。

PP膜通常采用热合方法焊接成袋,其加工工艺要比高频焊接PVC袋的工艺复杂。Non-PVC大输 液袋是使用全自动设备来生产的,确保工艺稳定和质量可靠。

 

4.聚苯乙烯(Polystyrene,PS)和K树脂

PS是仅次于聚氯乙烯和聚乙烯的第三大塑料品种,通常作单组分塑料进行加工和应用,主要 特点是质轻、透明、易染色,成型加工性能良好,所以广泛应用于日用塑料、电器零件、光学仪器及 文教用品。质地硬而脆,有较高的热膨胀系数,因此,限制了它在工程上的应用。近几十年来,发展 了改性聚苯乙烯和以苯乙烯为基体的共聚物,在一定程度上克服了聚苯乙烯的缺点。K树脂就是其中 的一种。

K树脂是由苯乙烯与丁二烯共聚而成,它是无定型聚合物,透明、无味、无毒、密度为1.01g/cm3 左右(比PS、AS的低),耐冲击性能比PS高,透明性(80~90%)好,热变形温度为77℃,K料中含有 丁二烯成分的多少,其硬度亦不同,由于K料的流动性好,加工温度范围较宽,所以其加工性能良好。

在日常生活中的主要用途包括杯子、盖子、瓶、化妆品包装、衣架、玩具、PVC的代用料制品、 食品包装及医药包装用品等。

 

典型应用:扩阴器和留置针的三通。

 

加工工艺特点:

通过采用注塑加工,一般不进行挤管、吹膜

K料的吸水性低,加工前可不用干燥,如果K料长时间在湿度大的环境中敞开式存放,则需干 燥(65 oC以下)

流动性好,易于加工,其加工温度范围较宽,一般为170~250 oC之间。

K料在高于260oC时,若熔料在料筒中停留时间长(20分钟以上),会引致热降解,影响其透明 度,甚至会变色变脆.宜用“低压、中速、中温”的条件成型,模具温度宜在20~60 oC之间

较厚的制品,取出后可放入水中冷却,以得到均匀冷却,避免出现空洞现象. 主要性能特点:

极高的透明性和表面光泽性

收缩率低(0.4~0.7%)

K树脂,与普通PS相比,具有优越的韧性。对于一些厚度较大的样品,K树脂仍会存在引力 开裂的问题,使用前需要仔细选择牌号。

但耐热性低,热变形温度一般在70 -98°C,只能在不高的温度下使用。 耐化学性较差,易受油、酸、碱及活性强的有机溶剂侵蚀.

 

5.ABS,丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(Acrylonitrile ButadieneStyrenecopolymers)

 

ABS具有一定的刚性、硬度、耐冲击和耐化学性能、耐辐射和耐环氧乙烷消毒。ABS在医疗上 的应用主要用作外科工具、滚筒夹子、塑料针、工具盒、诊断器件和助听器外壳,特别是一些大型医 疗设备的外壳。

 

典型应用:塑料针。

 

加工工艺条件:

在医疗方面,ABS通常采用注塑方法加工,很少有吹膜和挤管应用。

干燥处理:ABS材料具有吸湿性,要求在加工之前进行干燥处理。建议干燥条件为80-90C 下最少干燥2小时。材料温度应保证小于0.1%。

熔化温度:210-280 oC ;建议温度:245 oC。

模具温度:25-70oC。(模具温度将影响塑件光洁度,温度较低则导致光洁度较低)。注射 压力:500-1000bar,注射速度:中高速度。

 

主要性能特点:

ABS是由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三种化学单体合成。这三种组分的各自特性,使得ABS具 有良好的综合力学性能。丙烯腈使ABS有良好的耐化学腐蚀性及表面硬度,丁二烯使ABS坚 韧,苯乙烯使它有良好的加工性和染色性能。

ABS的特性主要取决于三种单体的比率以及两相中的分子结构。这就可以在产品设计上具有 很大的灵活性,并且由此产生了市场上百种不同品质的ABS材料。

ABS材料具有超强的易加工性,良好的外观特性,低蠕变性和优异的尺寸稳定性。

各种ABS材料都易于接受常用的二次加工处理,如机加工、粘合、紧固、电镀、涂漆、超声 波焊接。

ABS有极好的抗冲击强度,且在低温下也不迅速下降。有良好的机械强度、硬度和一定的耐 磨性。

具有良好的耐寒性、耐油性、耐水性、化学稳定性,水、无机盐、碱、酸类对ABS几乎无影 响,在酮、醛、酯、氯代烃中会溶解或形成乳浊液,不溶于大部分醇类及烃类溶剂,但与烃 长期接触会软化溶胀。

 

6.聚碳酸酯(PC,Polycarbonate)

PC的典型特性是韧性、强度、刚性和耐热蒸汽消毒,这些特点使得PC优先选择成为血液渗析 过滤器、外科工具柄和氧气罐(当在外科心脏手术中,这种仪器可以去除血液中的二氧化碳,增加氧 气);PC在医学上的应用还包括无针注射体系、灌注仪器、血液离心机碗和活塞。利用其高透明性 能,通常的近视眼镜是PC做成的。

 

典型应用:血液透析器的外壳、输液袋上的加药接头。

 

加工工艺条件:

在医疗领域,PC多采用注塑,很少挤管和吹膜。

干燥处理:PC材料具有吸湿性,加工前的干燥很重要。建议干燥条件为100 oC。到160 oC, 3-4小时。加工前的湿度必须小于0.02%。熔化温度:260-340 oC。模具温度:70-120 oC。

注射压力:尽可能地使用高注射压力。

注射速度:对于较小的浇口使用低速注射,对其它类型的浇口使用高速注射。

 

主要性能特点:

PC是一种非结晶工程材料,具有特别好的抗冲击强度、热稳定性、透明性、光泽度、抑制细 菌特性、阻燃特性以及抗污染性。

PC的冲击强度非常高,并且收缩率较低,一般为0.4%~0.8%,尺寸稳定性好。

PC有很好的机械特性和耐高温性能。抗蠕变、耐磨、耐热、耐寒,脆化温度在-100℃以下, 长期工作温度达120℃。

成型零件可达到很好的尺寸精度,并在很宽的温度范围内保持其尺寸的稳定性。

但流动特性较差,加工温度高(300 oC以上),注塑过程较困难。

成本较高,其价格为PE、PP材料的2-3倍。

具有良好的耐气候性,耐室温下的水、稀酸、氧化剂、还原剂、盐、油、脂肪烃、但不耐碱、 胺、酮、脂、芳香烃。

其最大的缺点是塑件易开裂,耐疲劳强度较差。

 

7.PTFE(聚四氟乙烯,Polytetrafluoroethylene) 

聚四氟乙烯树脂为白色粉末,外观蜡状、光滑不粘,是最重要的一种塑料。PTFE具有卓越的性 能,非一般热塑性塑料所能比拟,因此有“塑料王”之称。其摩擦系数是塑料中最低的,具有良好的生 物相容性,可以制作成人工血管等直接植入人体的器械。

 

典型应用:留置针的套管。 成型性能:

加工难度大,一般将粉料冷压成坯料,然后再烧结或挤出成型。不建议器械厂家生产此产品, 量不大时直接采购较好。

流动性差,极易分解,分解时产生腐蚀气体。宜严格控制成型温度不要超过350oC,模具应加 热至100-150 oC。

透明粒料,注塑、挤出成型。成型温度300-330oC,350oC以上容易引起变色或发生气泡。宜 高速低压成型,并注意脱模会较困难。

比重:1.7g/cm3,成型收缩率:3.1-7.7%,成型温度:300-330 oC。

 

主要性能特点:

耐化学腐蚀性和化学稳定性是目前已知塑料中最优越的一种,它对强酸、强碱及各种氧化剂等 腐蚀性很强的介质,甚至是沸腾的“王水”,都完全稳定。

其抗蠕变性和压缩强度好,拉伸强度高,伸长率可达100-300%,耐辐射性能优异。

它有优良的耐热、耐寒性能,可在-195- 250 oC范围内长期使用而不发生性能变化。

聚四氟乙烯的缺点是热膨胀系数大,而耐磨性和机械强度差、刚性不足、成型困难。