液態(tài)硅膠注射成型

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上液態(tài)硅膠注射成型 選擇合適的材料對(duì)于器械注塑加工來(lái)說(shuō)十分關(guān)鍵。對(duì)液體注射而言，高度專(zhuān)業(yè)的硅樹(shù)脂彈性體已經(jīng)成為醫(yī)療器械行業(yè)一種首選材料。但OEM廠商必須確保其供應(yīng)商能夠滿足自己的需求，并且協(xié)助其器械上市。讓材料供應(yīng)商在項(xiàng)目初始階段就參與進(jìn)來(lái)將有助于醫(yī)療器械的生產(chǎn)和上市。此處所示正在從容器中取出的液體硅樹(shù)脂橡膠添加了二氧化硅進(jìn)行強(qiáng)化。1872年，John Wesley Hyatt發(fā)明的首款注塑機(jī)取得專(zhuān)利時(shí)使用了一種名為賽璐珞的粗制塑料材料。在此后的50年間，制造商們開(kāi)始利用液體注射(LIM)工藝加工一些簡(jiǎn)單的產(chǎn)品，例如：紐扣和便攜式梳子。二戰(zhàn)期間，由于需要生產(chǎn)大量廉價(jià)的產(chǎn)

2、品，LIM技術(shù)迅速得到廣泛應(yīng)用。今天，制造商們利用LIM技術(shù)生產(chǎn)各種醫(yī)療部件和產(chǎn)品，例如：腦積水分流器、嬰兒奶嘴、球囊、墊圈、O型環(huán)和多種植入式醫(yī)療器械。現(xiàn)在，為注塑器械選擇合適的材料顯得比以往任何時(shí)候都更為關(guān)鍵了?，F(xiàn)在，制造商通過(guò)注塑工藝加工其醫(yī)療器械時(shí)，越來(lái)越多地選擇高度專(zhuān)業(yè)的硅樹(shù)脂彈性體。本文將向您介紹硅樹(shù)脂成為重要醫(yī)用材料的原因、如何考量備選材料以及如何選擇最佳的材料供應(yīng)商。硅樹(shù)脂彈性體由于硅樹(shù)脂具有良好的生物惰性和生物相容性、極低濃度的小分子量成分、以及理想的物理性質(zhì)，并且可在聚合物水平進(jìn)行改性，因而往往成為制造商選擇醫(yī)療器械材料時(shí)的首選目標(biāo)。20世紀(jì)40年代，硅樹(shù)脂廣泛應(yīng)用于航空業(yè)

3、，50年代時(shí)進(jìn)入醫(yī)療保健行業(yè)。1954年，研究人員將多種對(duì)外來(lái)物質(zhì)極為敏感的動(dòng)物組織培養(yǎng)物與液體、半固體和橡膠狀硅樹(shù)脂產(chǎn)品接觸，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該培養(yǎng)物的生長(zhǎng)狀況與平時(shí)無(wú)異。1根據(jù)這一測(cè)試結(jié)果，人們認(rèn)定硅樹(shù)脂具有生物學(xué)和毒理學(xué)惰性。2在此后的20年間，大量研究工作表明，液體硅樹(shù)脂和交聯(lián)硅樹(shù)脂體系與人體皮下組織、皮內(nèi)組織和肌肉組織接觸后，并未顯示出其他材料可能引發(fā)的不良后果。因此，目前硅樹(shù)脂已廣泛應(yīng)用于各種醫(yī)療產(chǎn)品中，例如：植入式醫(yī)療器械、給藥裝置和一次性醫(yī)療器械。硅樹(shù)脂彈性體是理想的注塑材料，因?yàn)樗膳c所用的加工工藝完美配合：它既能在較低的溫度下固化，又能承受注塑時(shí)的高溫。醫(yī)療器械制造商為其產(chǎn)品選擇最

4、佳的硅樹(shù)脂彈性體時(shí)，首先必須明確要使用高粘稠度橡膠(HCR)還是液體硅樹(shù)脂橡膠(LSR)。硅樹(shù)脂彈性體剛剛問(wèn)世時(shí)，由于其他材料的性質(zhì)缺陷，只有HCR高粘稠度橡膠具有良好的市場(chǎng)銷(xiāo)量。HCR由高分子量聚合物和二氧化硅組成，可經(jīng)注塑、擠出或壓延，加工成有用的部件。HCR粘度與粘土類(lèi)似，預(yù)先配制成單組份或雙組份體系（分別使用過(guò)氧化物催化劑和鉑催化劑）。一位技師正準(zhǔn)備切下一塊高粘度橡膠，以便稱(chēng)重后碾磨。鉑催化固化系統(tǒng)問(wèn)世后LSR液體硅樹(shù)脂橡膠才開(kāi)始得到應(yīng)用，這種固化系統(tǒng)使硅樹(shù)脂材料能夠被泵入到注塑設(shè)備中。人們利用二氧化硅對(duì)LSR進(jìn)行加強(qiáng)，并且通常采用中分子量聚合物。液體硅樹(shù)脂橡膠無(wú)重力流動(dòng)性，粘度與凡士

5、林油類(lèi)似，易于泵入注塑機(jī)內(nèi)，用于注塑部件的加工。通常，LSR均按1:1的混合比例配制成雙組份體系，便于用戶進(jìn)行液體注射加工。最終選擇HCR還是LSR取決于部件加工時(shí)所使用的最為經(jīng)濟(jì)高效的注塑方法。注塑方法注塑方法有三種，分別為：壓縮注塑、轉(zhuǎn)移注塑和液體注射。壓縮注塑和轉(zhuǎn)移注塑均適合小規(guī)模生產(chǎn)，通常均使用HCR材料。與液體注射相比，壓縮注塑或轉(zhuǎn)移注塑的循環(huán)時(shí)間較長(zhǎng)（大約為3分鐘）。但是，這兩種加工方法的最初生產(chǎn)成本相對(duì)較低，因?yàn)樗鼈兙墒褂幂^為廉價(jià)的設(shè)備，而且只需較少的模具設(shè)計(jì)和原型制造工作。如果需要較大的年產(chǎn)量，則可采用液體注射方法，獲得較短的循環(huán)時(shí)間（一般在1秒以內(nèi)）、極少的廢料損失、一致的

6、部件品質(zhì)以及極低的污染風(fēng)險(xiǎn)。該方法由于無(wú)需預(yù)先對(duì)材料進(jìn)行處理，所需清洗工作也極少，因此還可降低勞動(dòng)力成本。但是，由于使用更為復(fù)雜的模具，而且需要在循環(huán)時(shí)間和腔數(shù)之間取得平衡，液體注射方法也有一些缺陷，即：原型制造過(guò)程中要進(jìn)行大量的模具設(shè)計(jì)，高昂的設(shè)備投資以及大量的前期模具開(kāi)支。傳統(tǒng)的液體注射設(shè)備需要使用粘度較低的LSR材料。而新型液體注射設(shè)備則可對(duì)高粘度LSR甚至HCR進(jìn)行加工。在LSR和HCR之間進(jìn)行選擇時(shí)，醫(yī)療器械制造商必須考慮材料的固化前和固化后物理性質(zhì)。固化后性質(zhì)表 I. (點(diǎn)擊放大) 各種材料及其性質(zhì)列表。材料的固化后物理性質(zhì)決定了醫(yī)療器械的強(qiáng)度、耐久性、觸感和外觀。首先必須確定合適

7、的硬度。LSR的Shore A硬度一般在580之間，或者說(shuō)既可以很柔軟也可以較為堅(jiān)硬?？箯埿再|(zhì)也很重要，包括：伸展率、抗張強(qiáng)度和應(yīng)變應(yīng)力（模量）。伸展率是指材料破裂時(shí)應(yīng)變百分率，LSR的伸展率通常為801200%?？箯垙?qiáng)度是指彈性體破裂時(shí)的最大應(yīng)力（psi或kappa），LSR的抗張強(qiáng)度通常為5001300 psi (35009000 kappa)。應(yīng)變應(yīng)力或者稱(chēng)為模量，是指材料發(fā)生一定程度伸展時(shí)的應(yīng)力。硅樹(shù)脂的應(yīng)力-應(yīng)變性質(zhì)取決于材料的分子結(jié)構(gòu)。最后，制造商還必須考慮材料的撕裂強(qiáng)度，也就是將經(jīng)過(guò)切割的標(biāo)準(zhǔn)形狀樣品撕開(kāi)所需的能量。表I列舉了一些材料的物理性質(zhì)。制造商通過(guò)分析材料固化前和固化后性

8、質(zhì)選出最佳的材料后，下一步就要找到將材料從固化前狀態(tài)轉(zhuǎn)化為固化后狀態(tài)的方法。選擇具有很長(zhǎng)適用期（或稱(chēng)釜中壽命）的材料十分關(guān)鍵。適用期是指硅樹(shù)脂經(jīng)催化后在發(fā)生交聯(lián)而無(wú)法使用之前在室溫環(huán)境下適于加工的時(shí)間。 對(duì)于LSR材料，適用期的測(cè)定方法是將兩個(gè)組份混合在一起，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后插入一把刮鏟，然后緩慢抽出，將材料拉長(zhǎng)。當(dāng)LSR材料最低拉長(zhǎng)不到1英寸即斷裂時(shí)，即可認(rèn)為已超過(guò)其適用期。大多數(shù)鉑固化LSR材料的適用期通常可達(dá)72小時(shí)，因此加工靈活。制造商可以先混合材料，裝載液體注射設(shè)備，然后使用多個(gè)班次，甚至可以持續(xù)一個(gè)周末。這不僅縮短了每個(gè)班次重新裝載材料所需的工作時(shí)間，而且減少了為避免材料在設(shè)備內(nèi)固化

9、而必須進(jìn)行的設(shè)備清洗工作。固化曲線對(duì)于液體注射而言，最重要的一個(gè)性質(zhì)就是備選硅樹(shù)脂的固化曲線。利用振蕩盤(pán)式流變計(jì)(ODR)檢測(cè)混合后的材料能夠獲得準(zhǔn)確材料固化曲線。進(jìn)行ODR測(cè)試時(shí)，將硅樹(shù)脂樣品置于兩個(gè)加熱滾筒間的振蕩盤(pán)內(nèi)。該測(cè)試通常在固定的溫度下進(jìn)行，ODR可記錄硅樹(shù)脂開(kāi)始固化時(shí)扭矩響應(yīng)的增加。該固化曲線可詳細(xì)顯示材料在應(yīng)力作用下受熱時(shí)的流變學(xué)性質(zhì)和固化速度。需要重點(diǎn)觀察的測(cè)定值包括：最小扭矩，即：材料固化前最初保持的扭矩值；最大扭矩，即：材料固化后保持的最大扭矩值；焦化時(shí)間，即：材料扭矩比特定溫度下最小扭矩高出1磅(Ts1)的時(shí)間；以及T90，即：材料扭矩達(dá)到特定溫度下最大扭矩90%的時(shí)間

10、。圖 1. (點(diǎn)擊放大) 理想的液體注射流變測(cè)量曲線。深色陰影部分代表固化變量（，即：材料達(dá)到焦化時(shí)間后達(dá)到T90扭矩所需的時(shí)間）小于1分鐘。進(jìn)行液體注射時(shí)，通常要將液體硅樹(shù)脂泵入加熱模具中，因此選擇液體注射材料時(shí)最重要的參數(shù)值可能就要數(shù)固化變量()了。固化變量是指材料達(dá)到焦化時(shí)間后達(dá)到T90扭矩所需的時(shí)間。固化變量在一分鐘以內(nèi)（最好不到30秒鐘）可避免部分固化或者固化砂眼等注塑問(wèn)題，而且對(duì)于產(chǎn)品外觀和孔性也很重要。圖1顯示了理想的液體注射流變測(cè)量曲線。與其他材料的相互作用OEM制造商應(yīng)仔細(xì)分析每種材料與硅樹(shù)脂和注塑工藝間的化學(xué)和機(jī)械作用。例如：有些制造商可能希望向硅樹(shù)脂中添加某種藥物活性成分

11、(API)。然后將硅樹(shù)脂注塑加工成給藥裝置，使其緩慢釋放該藥物活性成分。但是，如果該藥物活性成分對(duì)溫度敏感，也即是說(shuō)在高溫下會(huì)降解，那么制造商就不能使用高溫注塑技術(shù)。此時(shí)，制造商必須選擇低溫或者室溫固化材料。固化抑制是醫(yī)療器械制造商在進(jìn)行設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移時(shí)另一個(gè)必須格外注意的問(wèn)題。一些硅樹(shù)脂材料的固化機(jī)制會(huì)被永久性地抑制或者破壞，當(dāng)鄰近的基質(zhì)或氣體減緩或者抑制交聯(lián)反應(yīng)時(shí)就會(huì)導(dǎo)致這種情況。這種不良作用也為這些物質(zhì)贏來(lái)了毒物這一業(yè)內(nèi)稱(chēng)謂。這些物質(zhì)會(huì)導(dǎo)致加工過(guò)程發(fā)生明顯的波動(dòng)，從而影響最終的產(chǎn)品。許多種化學(xué)元素和化合物都會(huì)對(duì)醫(yī)療器械中硅樹(shù)脂固化常用的鉑催化劑固化系統(tǒng)產(chǎn)生抑制作用。常見(jiàn)的一些有抑制作用的

12、物質(zhì)包括：胺、酰胺、紫外線固化粘合劑；某些彈性體如：乳膠和天然橡膠；某些氯化塑料；某些含錫或硫的化合物；以及許多有機(jī)物如：木材、皮革和粘土。在最初的設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移階段，制造商應(yīng)該對(duì)加工過(guò)程中可能與硅樹(shù)脂接觸的備選材料進(jìn)行測(cè)試。鉑固化系統(tǒng)一名工人正在手工混合液體硅樹(shù)脂橡膠。加工含有硅樹(shù)脂的醫(yī)療器械時(shí)往往使用鉑固化系統(tǒng)，因?yàn)樵撓到y(tǒng)適合多種生產(chǎn)環(huán)境，而且固化過(guò)程中不產(chǎn)生副產(chǎn)品。這些系統(tǒng)多為雙組份式，每個(gè)組份含有不同的功能成分，兩個(gè)組份混合后立即發(fā)生固化。通常，一個(gè)組份含有乙烯基功能硅樹(shù)脂和鉑催化劑，另一組份含有乙烯基功能聚合物、氫化物功能(Si-H)交聯(lián)劑和固化抑制劑。這種固化抑制劑可調(diào)節(jié)系統(tǒng)的固化

13、速度，與我們此前介紹的固化毒物并不相同。固化化學(xué)反應(yīng)步驟為Si-H功能交聯(lián)劑直接加成到乙烯基功能聚合物上，形成乙烯橋式交聯(lián)。材料固化后粘度對(duì)最終交聯(lián)密度極為敏感。嚴(yán)重固化抑制會(huì)導(dǎo)致完全無(wú)法固化，中度固化抑制會(huì)導(dǎo)致最終硬度較低（即：材料硬度低于預(yù)期水平）。即使輕度的固化抑制也會(huì)導(dǎo)致硅樹(shù)脂材料的基質(zhì)表面呈現(xiàn)潮濕的狀態(tài)。最終用途制造商選擇材料時(shí)最后一個(gè)需要考慮的關(guān)鍵問(wèn)題是醫(yī)療器械的最終用途. 醫(yī)療器械的最終用途通常分為三種：長(zhǎng)期使用、短期使用和一次性使用。長(zhǎng)期使用（無(wú)時(shí)間限制）材料用于將要長(zhǎng)期植入人體（>29天）的器械。短期使用（有時(shí)間限制）材料用于暫時(shí)植入人體（29天）的器械。有些材料則可用

14、于一次性醫(yī)療器械。產(chǎn)品最終用途關(guān)系到材料成本、材料特性以及材料供應(yīng)商提供的法規(guī)支持。選擇供應(yīng)商制造商確定材料后，接下來(lái)就要選擇供應(yīng)商。器械制造商應(yīng)選擇那些理解醫(yī)療器械OEM廠商特殊需求并且有經(jīng)驗(yàn)也承諾與主管部門(mén)合作的材料供應(yīng)商。供應(yīng)商應(yīng)具備以下品質(zhì)：? 通過(guò)ISO 9001:2000認(rèn)證的健全的質(zhì)量體系。? 處理FDA器械主文件的經(jīng)驗(yàn)。? 符合美國(guó)藥典、歐洲藥典和CGMP規(guī)范。長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，醫(yī)療器械制造商應(yīng)該與那些不僅符合聯(lián)邦法典第21章第820部分要求而且能夠協(xié)助器械上市的合作伙伴。與主管部門(mén)有長(zhǎng)期合作關(guān)系的材料供應(yīng)商將是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)過(guò)程中十分有用的資源。OEM廠商應(yīng)選擇愿意與客戶合作、建立伙伴關(guān)系并且愿意分享項(xiàng)目所有權(quán)的材料供應(yīng)商。制造商還應(yīng)確認(rèn)供應(yīng)商愿意簽署保密協(xié)議，并且允許客戶進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)訪問(wèn)和公司審核。另外，材料供應(yīng)商還應(yīng)具有有效的設(shè)計(jì)控制程序，以便確定材料加工所用的工藝。供應(yīng)商還應(yīng)具有成熟的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移程序，可將產(chǎn)品從設(shè)計(jì)階段轉(zhuǎn)入大規(guī)模生產(chǎn)階段。細(xì)致高效的設(shè)計(jì)控制和設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移程序可預(yù)測(cè)、發(fā)現(xiàn)和避免硅樹(shù)脂材料加工時(shí)潛在的問(wèn)題。對(duì)于硅樹(shù)脂專(zhuān)業(yè)加工而言，制造商還應(yīng)評(píng)估材料供應(yīng)商的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的裝備。例如：使用液體注射設(shè)備時(shí)，原型制造過(guò)程中可使