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 選擇合適的材料對于器械注塑加工來說十分關(guān)鍵。對液體注射而言，高度專業(yè)的硅樹脂彈性體已經(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)商在項目初始階段就參與進來將有助于醫(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脂橡膠添加了二氧化硅進行強化。1872年，John Wesley Hyatt發(fā)明的首款注塑機取得專利時使用了一種名為賽璐珞的粗制塑料材料。在此后的50年間，制造商們開始利用液體注射(LIM)工藝加工一些簡單的產(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?，F(xiàn)在，為注塑器械選擇合適的材料顯得比以往任何時候都更為關(guān)鍵了。現(xiàn)在，制造商通過注塑工藝加工其醫(yī)療器械時，越來越多地選擇高度專業(yè)的硅樹脂彈性體。本文將向您介紹硅樹脂成為重要醫(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。硅樹脂彈性體由于硅樹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行改性，因而往往成為制造商選擇醫(yī)療器械材料時的首選目標(biāo)。20世紀40年代，硅樹脂廣泛應(yīng)用于航空業(yè)

3、，50年代時進入醫(yī)療保健行業(yè)。1954年，研究人員將多種對外來物質(zhì)極為敏感的動物組織培養(yǎng)物與液體、半固體和橡膠狀硅樹脂產(chǎn)品接觸，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該培養(yǎng)物的生長狀況與平時無異。1根據(jù)這一測試結(jié)果，人們認定硅樹脂具有生物學(xué)和毒理學(xué)惰性。2在此后的20年間，大量研究工作表明，液體硅樹脂和交聯(lián)硅樹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。硅樹脂彈性體是理想的注塑材料，因為它可與所用的加工工藝完美配合：它既能在較低的溫度下固化，又能承受注塑時的高溫。醫(yī)療器械制造商為其產(chǎn)品選擇最

4、佳的硅樹脂彈性體時，首先必須明確要使用高粘稠度橡膠(HCR)還是液體硅樹脂橡膠(LSR)。硅樹脂彈性體剛剛問世時，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銷量。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粘度與粘土類似，預(yù)先配制成單組份或雙組份體系（分別使用過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，以便稱重后碾磨。鉑催化固化系統(tǒng)問世后LSR液體硅樹脂橡膠才開始得到應(yīng)用，這種固化系統(tǒng)使硅樹脂材料能夠被泵入到注塑設(shè)備中。人們利用二氧化硅對LSR進行加強，并且通常采用中分子量聚合物。液體硅樹脂橡膠無重力流動性，粘度與凡士

5、林油類似，易于泵入注塑機內(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，便于用戶進行液體注射加工。最終選擇HCR還是LSR取決于部件加工時所使用的最為經(jīng)濟高效的注塑方法。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)時間較長（大約為3分鐘）。但是，這兩種加工方法的最初生產(chǎn)成本相對較低，因為它們均可使用較為廉價的設(shè)備，而且只需較少的模具設(shè)計和原型制造工作。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。該方法由于無需預(yù)先對材料進行處理，所需清洗工作也極少，因此還可降低勞動力成本。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：原型制造過程中要進行大量的模具設(shè)計，高昂的設(shè)備投資以及大量的前期模具開支。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)備則可對高粘度LSR甚至HCR進行加工。在LSR和HCR之間進行選擇時，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，或者說既可以很柔軟也可以較為堅硬?？箯埿再|(zhì)也很重要，包括：伸展率、抗張強度和應(yīng)變應(yīng)力（模量）。伸展率是指材料破裂時應(yīng)變百分率，LSR的伸展率通常為801200%?？箯垙姸仁侵笍椥泽w破裂時的最大應(yīng)力（psi或kappa），LSR的抗張強度通常為5001300 psi (35009000 kappa)。應(yīng)變應(yīng)力或者稱為模量，是指材料發(fā)生一定程度伸展時的應(yīng)力。硅樹脂的應(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度，也就是將經(jīng)過切割的標(biāo)準(zhǔn)形狀樣品撕開所需的能量。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。選擇具有很長適用期（或稱釜中壽命）的材料十分關(guān)鍵。適用期是指硅樹脂經(jīng)催化后在發(fā)生交聯(lián)而無法使用之前在室溫環(huán)境下適于加工的時間。 對于LSR材料，適用期的測定方法是將兩個組份混合在一起，經(jīng)過一定時間后插入一把刮鏟，然后緩慢抽出，將材料拉長。當(dāng)LSR材料最低拉長不到1英寸即斷裂時，即可認為已超過其適用期。大多數(shù)鉑固化LSR材料的適用期通常可達72小時，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，然后使用多個班次，甚至可以持續(xù)一個周末。這不僅縮短了每個班次重新裝載材料所需的工作時間，而且減少了為避免材料在設(shè)備內(nèi)固化

9、而必須進行的設(shè)備清洗工作。固化曲線對于液體注射而言，最重要的一個性質(zhì)就是備選硅樹脂的固化曲線。利用振蕩盤式流變計(ODR)檢測混合后的材料能夠獲得準(zhǔn)確材料固化曲線。進行ODR測試時，將硅樹脂樣品置于兩個加熱滾筒間的振蕩盤內(nèi)。該測試通常在固定的溫度下進行，ODR可記錄硅樹脂開始固化時扭矩響應(yīng)的增加。該固化曲線可詳細顯示材料在應(yīng)力作用下受熱時的流變學(xué)性質(zhì)和固化速度。需要重點觀察的測定值包括：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；焦化時間，即：材料扭矩比特定溫度下最小扭矩高出1磅(Ts1)的時間；以及T90，即：材料扭矩達到特定溫度下最大扭矩90%的時間

10、。圖 1. (點擊放大) 理想的液體注射流變測量曲線。深色陰影部分代表固化變量（，即：材料達到焦化時間后達到T90扭矩所需的時間）小于1分鐘。進行液體注射時，通常要將液體硅樹脂泵入加熱模具中，因此選擇液體注射材料時最重要的參數(shù)值可能就要數(shù)固化變量()了。固化變量是指材料達到焦化時間后達到T90扭矩所需的時間。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題，而且對于產(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量曲線。與其他材料的相互作用OEM制造商應(yīng)仔細分析每種材料與硅樹脂和注塑工藝間的化學(xué)和機械作用。例如：有些制造商可能希望向硅樹脂中添加某種藥物活性成分

11、(API)。然后將硅樹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溫度敏感，也即是說在高溫下會降解，那么制造商就不能使用高溫注塑技術(shù)。此時，制造商必須選擇低溫或者室溫固化材料。固化抑制是醫(yī)療器械制造商在進行設(shè)計和設(shè)計轉(zhuǎn)移時另一個必須格外注意的問題。一些硅樹脂材料的固化機制會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)時就會導(dǎo)致這種情況。這種不良作用也為這些物質(zhì)贏來了毒物這一業(yè)內(nèi)稱謂。這些物質(zhì)會導(dǎo)致加工過程發(fā)生明顯的波動，從而影響最終的產(chǎn)品。許多種化學(xué)元素和化合物都會對醫(yī)療器械中硅樹脂固化常用的鉑催化劑固化系統(tǒng)產(chǎn)生抑制作用。常見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；以及許多有機物如：木材、皮革和粘土。在最初的設(shè)計和設(shè)計轉(zhuǎn)移階段，制造商應(yīng)該對加工過程中可能與硅樹脂接觸的備選材料進行測試。鉑固化系統(tǒng)一名工人正在手工混合液體硅樹脂橡膠。加工含有硅樹脂的醫(yī)療器械時往往使用鉑固化系統(tǒng)，因為該系統(tǒng)適合多種生產(chǎn)環(huán)境，而且固化過程中不產(chǎn)生副產(chǎn)品。這些系統(tǒng)多為雙組份式，每個組份含有不同的功能成分，兩個組份混合后立即發(fā)生固化。通常，一個組份含有乙烯基功能硅樹脂和鉑催化劑，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)。材料固化后粘度對最終交聯(lián)密度極為敏感。嚴重固化抑制會導(dǎo)致完全無法固化，中度固化抑制會導(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導(dǎo)致硅樹脂材料的基質(zhì)表面呈現(xiàn)潮濕的狀態(tài)。最終用途制造商選擇材料時最后一個需要考慮的關(guān)鍵問題是醫(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：長期使用、短期使用和一次性使用。長期使用（無時間限制）材料用于將要長期植入人體（>29天）的器械。短期使用（有時間限制）材料用于暫時植入人體（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)驗也承諾與主管部門合作的材料供應(yīng)商。供應(yīng)商應(yīng)具備以下品質(zhì)：? 通過ISO 9001:2000認證的健全的質(zhì)量體系。? 處理FDA器械主文件的經(jīng)驗。? 符合美國藥典、歐洲藥典和CGMP規(guī)范。長遠來看，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。與主管部門有長期合作關(guān)系的材料供應(yīng)商將是實現(xiàn)這一目標(biāo)過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)系并且愿意分享項目所有權(quán)的材料供應(yīng)商。制造商還應(yīng)確認供應(yīng)商愿意簽署保密協(xié)議，并且允許客戶進行現(xiàn)場訪問和公司審核。另外，材料供應(yīng)商還應(yīng)具有有效的設(shè)計控制程序，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)計轉(zhuǎn)移程序，可將產(chǎn)品從設(shè)計階段轉(zhuǎn)入大規(guī)模生產(chǎn)階段。細致高效的設(shè)計控制和設(shè)計轉(zhuǎn)移程序可預(yù)測、發(fā)現(xiàn)和避免硅樹脂材料加工時潛在的問題。對于硅樹脂專業(yè)加工而言，制造商還應(yīng)評估材料供應(yīng)商的生產(chǎn)現(xiàn)場的裝備。例如：使用液體注射設(shè)備時，原型制造過程中可使