获得均一导管的4个关键

作者:本网编辑 文章来源:Plastics Technology 发布时间:2012-05-04


图1 为了制得均一的导管,确保挤出机油泵尽可能稳定运行是第一步。对于分析导管系统的挤出稳定性来说,可以绘制压力读数的控制系统是非常有用的工具

为了获得满足医用需求的导管,生产商们必须精确控制每一个生产步骤,以免出现差错。针对影响医用导管耐受性,以及产生废品等因素,可从避免熔体破裂、稳定压力控制、取出凝胶和优化下游加工等4个方面入手加以解决。

医用导管应用的特殊性,使得生产商们几乎没有出现差错的余地。他们面临着与其他领域的挤出生产商相同的问题,但却不能忽略哪怕是最小的缺陷。可能会影响医用导管的耐受性,或是产生废品的一些较典型的问题包括熔体破裂、压力控制、凝胶和下游加工处理等4个方面。本文将详细讨论这些问题及其解决方法。

熔体破裂

熔体破裂会产生粗糙的表面(鲨鱼皮外观),这是某些聚合物采用较小的模头间隙加工时,常会出现的问题。在通常情况下,聚合物的黏度越高,且熔体温度越低,则发生熔体破裂的可能性越大。

当存在高剪切力时,沿着金属表面的流体的均匀性会被破坏,从而造成熔体破裂。一般来说,熔体破裂出现在最后通过模头间隙处,由聚合物的剪切速率所引起,而剪切速率实际上是模头间隙、熔体黏度和生产速度的综合函数。最容易发生熔体破裂的一些树脂包括HDPE、LLDPE、PC、含氟聚合物以及高黏度的热塑性聚氨酯。

高线速度意味着较高的生产量,但也增加了熔体破裂的可能性。降低速度是避免熔体破裂的一个效果明显的方法,但对生产商来说这是最后的选择。提高熔体温度可以减轻一些表面问题,但效果较差。有些模头为最终成型装配了单独的加热器,温度提高后会产生积极的作用。

避免熔体破裂最合理的方法是采用较大的模头间隙,在较大的拉伸率下生产导管。这种方法通常在加工熔体破裂非常明显的含氟聚合物时使用。一般,聚合物加工时采用2:1或4:1的成型拉伸率,而含氟聚合物的拉伸率为50:1或更大。而拉伸率越大,将导管保持在所需尺寸就变得越困难。

在吹膜等加工过程中,通过较小的模头间隙来挤出PE时,会使用特殊的含氟添加剂母粒。添加剂会包覆在金属表面,从而减轻或消除熔体破裂。医用导管生产商受相关法规限制,能使用的添加剂种类相当有限。如果可以选择更好的聚合物,那么低黏度(高熔融指数)的材料将有助于降低熔体破裂。

另外,螺杆设计对减少熔体破裂没有帮助。较浅的螺杆能加强对材料的作用并提高熔体温度,但对改善熔体破裂效果甚微。

压力控制

挤出机所用泵的稳定性是保持良好的导管公差的关键。尽早将聚合物加入挤出机,且螺杆设计能控制熔融过程,这样会使得挤出机末端得到适宜且稳定的泵作用,导管的尺寸也更加均一。

挤出机的稳定性可通过模头适配器中的压力稳定性来测量。如果挤出机难以获得恒定的喂料(尤其是螺杆直径为25mm或更小的挤出机),可考虑使用喂料嵌件(采用喂料区的切线几何结构或沟槽来设计形状)。另外,螺杆设计必须确保其长度方向的稳定性。当然,即使尽了最大的努力来控制喂料和熔化,在小型的挤出机上还是存在压力变化的问题。

生产商可通过为生产线添加齿轮泵来优化公差。或者,作为一个比较便宜的选择,可使用压力控制设置,使螺杆转速得到迅速控制,以减少模头适配器测量到的变化。能绘制压力读数的控制系统对于分析导管系统的基础稳定性来说,是非常有用的工具。

如图1所示,图标左侧(记录运行时间的前25min)显示了螺杆末端传感器(P-BP)和模头适配器(P-Adapter)的压力记录。通过P-BP位置(恰好在多孔板之前)的螺杆螺纹所产生的轨迹,显示了任意时间的压力变化。


图2 文式切割套管可产生真空,将导管吸进套管中。但仍然需要润滑来提高进料并润滑刀片,以此优化切割质量。切割长度的可重复性也可通过降低套管阻力来得到提高

高速记录仪将这些在螺杆旋转频率下发生的压力变化描绘成锯齿形的轨迹。适配器压力没有螺纹效应,在左侧显示了大约5%的压力变化。开启压力反馈控制器,并允许迅速降低螺杆转速,表明压力的稳定性得到了大幅提高。这一措施也显著改善了导管公差。小型挤出机十分符合这一特征,而大型挤出机则不然。

凝胶

自开始生产出挤出导管开始,便伴随着挤出导管内存在凝胶这一问题。凝胶被看作是导管表面的隆起物,它们的大小取决于其来源。管壁越薄,凝胶就越明显。一些聚合物极易凝胶,如柔性PVC、TPU和TPE等。

凝胶有各种来源,包括材料的不均一、降解、交联颗粒和污染。PVC树脂颗粒如果没有吸收足够的增塑剂,就会浮在熔体表面,从而产生凝胶。通常,它们不会沿着螺杆而破裂,也很难被筛网和过滤器挡住。如果粒子能穿过250~300目的筛网,则螺杆几乎无法将其打碎。有些单螺杆挤出机声称能除去凝胶,但尚有待验证。

硬度不均一的热塑性聚氨酯在进行挤出时会出现凝胶等问题,尤其是由不同硬度的原料所制成的材料。所造成的黏度差异可通过螺杆的搅拌剪切作用降低。其混合水平需要在给定的螺杆上进行测试,以查看在给定的生产速度下能否得到合格的导管。

通过研究凝胶,来找出它们的来源和消除的方法。对表面进行加热和温度控制,有时可以将凝胶熔化,通过原料还可以确定其熔点。当然,凝胶通常并不会完全熔化,这说明了凝胶问题的严重性。如果主原料产生了不同颜色的凝胶,则说明发生了降解或污染。

为了解决这个问题,首先可尝试设置了较高机筒温度的高剪切螺杆,观察凝胶量是否会随着剪切和高温作用而减少。如果减少量不明显(通常情况都是如此),那么螺杆并不能解决问题。

因此,可寻找另一种方法,用较细孔洞和大面积的筛网过滤掉凝胶,或是在挤出前除去凝胶。在大多数情况下,想获得低凝胶含量的聚合物是很困难的,因为材料供应商不愿花费额外的精力为医疗导管生产商提供较小批量的专用原料。

基于这种情况,一些医疗导管生产商通常会花费时间和费用对原料进行再造粒,以提供额外的热量,从而帮助熔化或分解凝胶,并得到更高的过滤级别。过滤必须相当精细(40~50μm或更细)才能有显著的效果;过滤面积更大,在由不当的高压引起的凝胶在滤网上积聚前,才能有足够的运行时间。罐式过滤器或大面积的断路器板(配有烧结金属过滤器)在这种高过滤级别的环境中是很常见的。

下游加工

当试图优化对医疗导管的切割和输送时,切刀套管常常被忽视,尽管在很多情况下,它们甚至比刀片本身更加重要。许多医疗导管都很小,且硬度较低,这使得它们难以被准确输送到切刀下进行切割。

PTFE镶嵌有助于减少套管内的阻力,但在导管进入套管内时,往往还需要FDA批准的润滑剂(如酒精或蒸馏水)滴在或喷在导管上,以进一步减少阻力。

使用所谓的“文氏”(吸入型)上游套管的做法也越来越普遍,如图2所示。这种装置可以产生真空,将导管吸进套管。大多数情况下,即使有这种空气吸入型套管,仍然需要润滑来帮助导管进入并润滑刀片,以此优化切割质量。切割长度的可重复性也可通过降低套管阻力来得到提高。

上游和下游套管的切割表面也应该保持锋利的边缘,同时下游的切割套管内径通常应比上游的大0.003~0.005in(0.0762~0.127mm),以抵消潜在的偏差。在导管退出套管时不能倾斜,因为这会使切割位置产生毛边。

套管表面应该定期保养,进行打磨和抛光,以免划伤切刀表面,而这反过来又可能使导管切割位置出现划痕。确保刀身背面没有毛刺,因为毛刺会造成导管切割表面的划痕。

在一般情况下,切割套管之间的间隙应该不超过切割刀片厚度的0.001~0.002in(0.0254~0.0508mm),因为差距过大会引起切割导管的毛边。此外,切刀的选择也很重要。对于特定的切割应用来说,切刀过厚会在切割导管上留下毛边。现在,新的切刀厚度已下降到0.004in(0.1016mm),优化的形状可得到最好的切割角度,并提高连续生产率。

当切刀非常薄时,将其固定在离实际切割位置最近的地方,以获得最佳的切刀支撑,这一点是非常重要的。值得注意的是,在所有情况下,都应该润滑刀片,以减少热量和微粒(毛发、绒毛)的生成。简单的切刀擦布、喷雾系统,或是储槽的使用,都获得了很大成功。

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