МОСКВА 2014г.

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Им. Н.Э.Баумана

ФАКУЛЬТЕТ «БИОМЕДИЦИНСКАЯ ТЕХНИКА»

_____КАФЕДРА «БИОМЕДИЦИНСКИЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ»_____________

«УТВЕРЖДАЮ»

Зав. кафедрой БМТ-1

Д.т.н., профессор

И.Н. Спиридонов

Г.

МЕТОДИЧЕСКИЕ Указания

К выполнению лабораторной работы

Изучение физико-механических свойств резины и каучука.

по дисциплине

«Конструкционные и биоматериалы»

МОСКВА 2014г.

Методические указания составил д.т.н., профессор: Г.В. Саврасов

Методические указания рассмотрены и одобрены

методической комиссией кафедры БМТ1

Председатель методической комиссии: _____________________ В.А. Карпухин “_____”_____________ 2014 г.

Цель работы: экспериментальное определение прочностных и деформативных свойств эластомеров при различных видах нагружения.

Задачи работы: экспериментальная оценка механических свойств резины и каучука при растяжении и раздире.

Краткие теоретические сведения:

Резина в настоящее время широко применяется в медицинской промышленности. Это объясняется наличием у резины таких свойств, как высокая эластичность (ее удлинение при растяжении достигает 700-800 %), высокая химическая стойкость к действию кислот и щелочей и достаточная механическая прочность (сопротивление разрыву достигает 20…25 МПа) [1]. Резиновые изделия изготовляют путем вулканизации каучука, служащего эластичной основой, с серой и наполнителями (сажа, мел, каолин), мягчителями (смолы, углеводороды) и красителями. Для выработки резиновых изделий сначала из каучука получают резиновую смесь (сырая резина), из которой формируют изделия, проходящие затем процесс вулканизации с последующей отделкой. Для приготовления сырой резины каучук разрезают на куски и вместе с другими составляющими пропускают через специальные смесители. В результате образуется однородная пластическая масса, которой легко придается желаемая форма путем прессования или литья под давлением.

Отформованные из сырой резины изделия проходят процесс вулканизации, заключающийся в нагреве полуфабрикатов до температуры около 140 °С.При этом резина из пластичной массы становится эластичной и прочной. Степень эластичности резины зависит от количества серы, введенной в смесь. При введении от 1 до 4 % серы получается мягкая резина, 10 % -полумягкая. При содержании 40…45 % серы получают твердую резину -эбонит, подобную твердым пластмассам [1].

Натуральный каучук. Каучук бывает натуральный и синтетический. Натуральный каучук изготовляется из млечного сока каучуконосных растений, в котором каучука содержится до 30 %. Используется он в виде латекса или высокоэластичного материала, физическое состояние которого принято именовать как каучукоподобное. Натуральный каучук представляет собой стереорегулярный полимер строго линейной структуры, отличающийся высокой средней молекулярной массой, которая колеблется в пределах от 200 тыс. до 300 тыс. Структура молекулярного звена натурального каучука выглядит следующим образом:

Регулярность структуры макромолекул натурального каучука способствует его кристаллизации, степень которой зависит от температуры. В интервале от 0 до - 25 °С степень кристалличности натурального каучука достигает максимального значения, что соответствует содержанию 75…79 % кристаллической фазы в полимере. Диапазон значений температуры хрупкости натурального каучука составляет -60…-65°С, что свидетельствует о высокой морозостойкости этого полимера [1].

Натуральный каучук хорошо растворяется в толуоле, ксилоле, бензине, 4-хлористом эфире, в меньшей степени растворим в сложных эфирах. В полярных органических жидкостях (спиртах, ацетоне, феноле и др.) натуральный каучук нерастворим. Так как в качестве вулканизирующего агента обычно используют серу, которая присоединяется к макромолекулам по двойным связям, то вулканизированный натуральный каучук утрачивает способность к пластической деформации. Некоторые физические свойства натурального каучука [3]:

Общие требования, предъявляемые к натуральному каучуку -стойкость к свету, теплу, кислороду воздуха - выполняются за счет специальных наполнителей, пластификаторов, противостарителей. Кроме того, исходный натуральный каучук признан нетоксичным. Поэтому внимательный подбор ингредиентов его смесей позволяет получать нетоксичные изделия, стойкие к воздействию окружающей среды.

Приведем примеры применения натурального каучука в медицинских изделиях, не контактирующих с биологической средой (в скобках указаны шифры используемой резины) [1, 2].

Во-первых, это изделия фармацевтической промышленности: укупорка флаконов со стерильными и со всеми видами нестерильных лекарственных форм внутреннего и наружного употребления и т.д. (ИР-51-1, И-51-2, 1000-11, 8033/13а, б, 73-180-2, 7554).

Во-вторых, это комплектующие детали медицинской аппаратуры: прибора pH-зонд, АИП (аппарата «искусственная почка»), аппарата ручной ИВЛ (искусственной вентиляции легких), трубки соединительные и гофрированные к наркозным аппаратам, мембраны, клапаны, амортизаторы, прокладки, прорезиненная ткань, баллоны резиновые медицинские (ИР-1, ИР-7/В, ИР53/3, ИР8/2А, ИР-7А-10, ИРП-1029-11, 1839-XI, ИР-25, ИР-8/1пр., 1841-XXYI, 111069, 970-УШ, 52-1128, Я-1002-12, Я-1002-13Г, Я-1697-4Т, Я-1697-ЗА).

Общие сведения о синтетическом каучуке. Синтетический каучук по составу близок к натуральному. Его получают путем синтеза из простых органических веществ. Химической промышленностью выпускается несколько десятков сортов синтетического каучука, отличающихся исходным сырьем, составом и способом производства. Сначала получают каучукогены (бутадиен, стирол, хлоропрен, изобутилен и др.), а затем в процессе полимеризациисинтетический каучук [1]. Такой каучук является высокомолекулярным соединением.

Бутилкаучук. Бутилкаучук получают при совместной полимеризации изобутилена и небольшого количества изопрена. Молекулярная масса промышленного бутилкаучука находится в пределах от 300 тыс. до 700 тыс. Структура молекулярного звена бутилкаучука имеет следующий вид:

В широком диапазоне температур бутилкаучук аморфен. Кристаллизация его происходит при большом растяжении (свыше 500%) [3].

Приведем для примера свойства резин ИР - 119 и ИР - 119/А [1]:

Бутилкаучук не растворяется в спиртах, простых и сложных эфирах, а также в растворителях, содержащих амино- и нитрогруппы. Бутилкаучук отличается наиболее низкой газопроницаемостью по сравнению со всеми известными каучука ми, за исключением тиокола. По диэлектрическим свойствам бутилкаучук превосходит все каучуки других типов. Бутилкаучук стоек к действию воды, кислот, некоторых растительных масел и кислорода. По стойкости к действию озона бутилкаучук превосходит натуральный, бутадиен-стирольный и бутадиен-нитрильный каучуки. В то же время бутилкаучук характеризуется очень низкой стойкостью к действию ионизирующих излучений. Бутилкаучук хорошо совмещается с полиэтиленом, полиизобутиленом, сополимерами изобутилена и стирола; на основе этих смесей получают вулканизаты, которые характеризуются биологической инертностью. Применение бутилкаучука весьма ограничено. Он может использоваться, например, для упаковки и укупорки лекарственных препаратов -пробки, флаконы и т.д. (ИР - 119, ИР - 119А, 52599).

Силоксановые (кремнийорганические) каучуки. Силоксановые каучуки - кремнийорганические полимеры, обладающие каучукоподобными свойствами. Промышленные кремнийорганические каучуки отечественных марок СКТВ, СКТФ, СКТДФ, СКТВВ, СКТФТ относятся к классу полиорганосилоксанов. Наибольшее распространение в медицине получили полидиметилсилоксановый (СКГ) и полидеметилвинилсилоксановый (СКТВ) каучуки [4]. Силоксановые каучуки представляют собой прозрачную, бесцветную, легкорастекающуюсяжелеподобную массу без запаха и вкуса. Молекулярная масса этих каучуков составляет от 300 тыс. до 800 тыс. Ниже приведена структура молекулярного звена силоксановых каучуков:

где R и R^I- алкил, алкинил или арил; R^II -водород, алкил или триоганосил.

Вследствие специфической химической природы силоксановые каучуки плохо совмещаются с другими полимерами. Резиновые смеси на основе кремнийорганического каучука обычно содержат наполнители и вулканизирующие агенты -перекиси. Пластификаторы в эти смеси, как правило, не входят, так как их пластичность достаточна для удовлетворительной переработки [1, 3].

Каучуки СКТ, СКТВ хорошо растворяются в углеводородах, в сложных и простых эфирах, не растворяются в спиртах, кетонах, нитрометане, перфторбензоле. Резины из силоксанового каучука превосходят резины из всех других каучуков по морозостойкости (эластичность сохраняется до-100°С) и характеризуются высокой атмосферостойкостью. Они обладают также уникальными диэлектрическими свойствами, которые не изменяются после выдерживания резин в воде в течение 7 суток.

Изготовленные из этих каучуков резины отличаются наибольшей биологической инертностью, газопроницаемостью и селективностью по газопроницаемости, но имеют более низкие прочностные показатели, чем резины на основе натурального каучука и бутилкаучука.

Для изделий, контактирующих с лекарственными препаратами, в деталях безыгольныхинъекторов применяются такие марки резины на основе силоксановых каучуков, как

52-430, ИР-36а. Для изготовления комплектующих элементов к медицинским изделиям, резиновых трубок используется резина марок 11-И-86/1, 342-3 [1].

Смеси на основе латексов. Для изготовления латексных изделий медицинского назначения применяется натуральный латекс - водная 60 %-ная дисперсия изопренового каучука в виде коллоидных глобул, которые разделены белковыми поверхностноактивными веществами. Натуральный латекс может быть невулканизированный (типа квалитес) либо вулканизированный (марок «LR» и «MR») [1]. Приведем некоторые показатели латексных смесей (52-450К, 52-451, ИР-74, ИР-74А,

ИР-42А):

Несмотря на то, что латексные изделия медицинского назначения имеют полимерную основу, они существенно отличаются от резиновых изделий, полученных из твердого каучука. Это обусловлено совершенно иной технологией их изготовления. Все методы производства изделий из латексов примерно одинаковы и состоят в основном из следующих операций: формование сырого геля на поверхности формы, повторяющей будущее изделие, промывка сухого геля от некаучуковых составляющих, его высушивание до получения сухой пленки (удаляется 25…35 % воды), вулканизация на форме и съем готового изделия. Изделия из латексов обладают значительно меньшей толщиной стенки и часто более сложной конфигурацией, чем изделия из резиновой смеси. Кроме того, они характеризуются высокой эластичностью и прочностью, обусловленными отсутствием наполнителей и высокой молекулярной массой непластифицированного полимера в латексе [3].

Для комплектующих изделий к медицинским аппаратам (эластичные крышки к аспираторам, мешки дыхательные к аппаратам ИВЛ, мехи гофрированные к наркозодыхательным аппаратам и т.д.) применяются такие марки резины, как 52-450К,

52-451, ИР-74, ИР-74А, ИР-42А.