Варка стекла и выработка стеклоизделий

Стекло изготовляют из материалов, в избытке имеющихся в природе: кварцевого речного песка, гидрокарбоната натрия, мела и пр. Стекло варят в специальных печах при температуре 1350— 1600°С. Чем больше в составе стекла кварцевого песка (окись кремния), тем выше тугоплавкость и термостойкость полученного стекла.

Наибольшей термостойкостью обладает кварцевое стекло, со­стоящее более чем на 90% из окиси кремния. Оно варится при температуре до 2000 °С и используется для изготовления термо­стойкой кварцевой лабораторной посуды, а также горелок к ульт­рафиолетовым облучателям; отсюда их название — «кварцевые» горелки.

От того, как ведется процесс варки стекла, зависит его качество. Стекло необходимо хорошо проварить, из него должны быть уда­лены воздушные пузыри, инородные тела, включения, попадающие в стекло от огнеупорной футеровки (облицовки) ванной печи и т. д. В оптическом стекле наиболее важно отсутствие дефектов, которые ухудшают качество оптики в приборах и в очковой опти­ке. Поэтому лучшие сорта оптического стекла чаще всего варят в печах небольшого объема (горшковых), где стекло хорошо про­варивается.

Изделия из стекла вырабатывают на том же предприятии, где его получают (варят). При варке стекла протекают сложные физи­ко-химические процессы, в результате которых из механической смеси сырьевых материалов (шихта) получают однородную гомо­генную стекломассу. В процессе варки при высоких температурах стекло проходит ряд стадий: силикатообразование (получение спекшейся массы), стеклообразование (взаимное растворение си­ликатов и кремнезема), осветление (освобождение стекла от види­мых пузырей), гомогенизация (приведение к однородности) и ох­лаждение (на 200—300 °С для получения вязкости, необходимой для формообразования стекла).

Изготовление изделий из стекла возможно несколькими спосо­бами: отливка в формы, подобно чугуну, штамповка, прокатка, вытягивание в листы, трубки (дрот) и нити. Стекло можно сва­ривать, спекать и производить его механическую обработку (раз­резание, шлифование). Ниже рассмотрены важнейшие методы по­лучения стеклоизделий.

Вытягивание дрота. Из дрота (стеклянная трубка) вырабатыва­ют многие изделия для медицинских целей: флаконы для антибио­тиков и других лекарственных препаратов, ампулы, цилиндры для шприцев и др. На рис. 3 показана принципиальная схема получе­ния дрота. Стекломасса непрерывной тонкой струей льется на сер­дечник—мундштук, сделанный изогнеупора (шамота) и имеющий внутри канал для подачи воздуха. Сердечник непрерывно враща­ется, наматывая на себя стекломассу. Стекломасса постепенно сползает с сердечника в виде бесконечной трубки, оттягиваемой специальной машиной, которая одновременно нарезает трубку на куски определенной длины. Нужный диаметр дрота и толщину его стенок получают путем изменения условий вытяжки. Следует от­метить, что методом непрерывного вытягивания получают и листо­вое стекло.

Выработка изделий формованием. Под формованием понима­ют процессы, в результате которых бесформенная стекломасса становится изделием определенной формы. К способам формова­ния относят прессование (ручное и машинное) и выдувание (руч­ное и машинное). На рис. 4 дана принципиальная схема прессо­вания. В матрицу набирают определенную порцию стекла, которая при движении пуансона вниз перемещается и заполняет про­странство между пуансоном и матрицей. Формовое кольцо помо­гает создать ровную поверхность верхнего края изделия. Матри­цу делают разъемной, что позволяет легко извлечь изделие из формы.

Выдувание — один из самых древних и широко распространен­ных способов выработки стеклоизделий, позволяющих получать стеклянные сосуды разнообразных форм и размеров. Для изготов­ления крупных сосудов этот способ единственно возможный.

Технология выдувания может быть ручной и механизированной. В настоящее время ручное выдувание ииспользуют для выработки художественных изделий. Для производства банок, бутылей и дру­гой массовой продукции применяют механизированное выдувание с помощью полуавтоматов или пресс-выдувание.

Схема пресс-выдувания приведена на рис. 5. Процесс получе­ния изделия делится на две основные стадии: предварительное прессование черновой заготовки (I) и выдувание из нее изде­лия (II). Процесс происходит на одной машине сначала в черно­вой пресс-форме (1), затем в чистовой (2). Черновая форма цельная (не разъемная), чистовая—разъемная. Заготовку из черновой формы переносят в чистовую с помощью так называемых горловых щипцов (3), которые представляют собой часть формы, так как в них формируется горловая часть изделия, в данном случае — баночки.

В начале процесса (позиция а) в черновую форму вводят пор­цию стекла. Сверху формы накладывают в сомкнутом состоянии горловые щипцы. Пуансон (4) поднят вверх. Затем его опускают и производят черновое формование (позиция б). После этого пу­ансон уходит вверх и заготовку в горловых щипцах переносят в чистовую форму (позиция в); здесь сверху опускается дутьевая го­ловка (5), плотно перекрывающая горловые щипцы, и в полость заготовки подается сжатый воздух, заставляющий ее принять форму внутренней полости чистовой формы (позиция г). После того как дутьевая головка и горловые щипцы удалены, половинки чистовой формы расходятся и изделие готово. Оно легко снимается с донной части формы (6). Методом пресс-выдувания изготовля­ют банки и бутылки с широким горлом.

Для производства ампул разной вместимости применяют выду­вание вакуумным питанием на специальных машинах-автоматах.

Механическая обработка стекла. Ампулы, бутыли, аптекарская и лабораторная посуда не проходят дополнительной механической обработки после формования, за исключением банок с притертой пробкой, у которых горло и пробку шлифуют и притирают с по­мощью абразивного порошка.

Для очковых линз шлифование и полирование служит основой производства, поскольку точность геометрических размеров и чи­стота поверхности линзы не могут быть достигнуты при получе­нии прессованием заготовки из стекломассы.

Термическая обработка стекла. Изделия из стекла при охлаждении на воздухе оказываются непрочными из-за внутренних напряжений, возникающих между слоями стекла вследствие их не равномерного охлаждения. Для исключения внутренних напряжний изделия медленно охлаждают в специальных тоннельных пе­чах (лерах), на входе которых температура максимальная, а на выходе—минимальная.

№13.

Пластические массы

Пластическими массами называют полимерные материалы и их композиции с органическими и неорганическими веществами, спо­собные при определенных условиях переходить в пластическое со­стояние и принимать заданную форму. Некоторые полимерные материалы, составляющие основу пластмасс, обладают такими свойствами, которые делают их незаменимыми для производства медицинских изделий (нетоксичность, инертность по отношению к биологическим средам, способность противостоять действию стери­лизующих и дезинфицирующих агентов). В последние годы появи­лись специальные пластики, модифицированные для медико-тех­нических целей (рентгеноконтрастные пластики). С другой стороны, детали медицинского оборудования и аппаратуры, не вступаю­щие в контакт с тканями организма, изготовляют из обычных тех­нических пластиков, применяющихся в машиностроении или при­боростроении. Из обширной номенклатуры полимеров и пластмасс здесь будут рассмотрены только те, которые находят применение при изготовлении медицинских изделий.

Основным веществом, образующим пластмассу, служит синте­тическая смола. Для производства пластмасс применяют два ти­па смол: термопластичные и термореактивные. Смолы, сохраняю­щие способность плавиться при повторном нагревании и затвер­девающие при охлаждении, называют термопластичными. Термореактивные смолы затвердевают при повышенной температуре и переходят в неплавкое и нерастворимое состояние, т. е. не допускают повторного прессования, являясь, таким обра­зом, необратимыми.

Синтетические смолы, служащие основой пластмасс, можно при­менять в чистом виде; при этом чаще всего получают прозрачные пластмассы, называемые ненаполненными, например, органическое стекло (плексиглас), состоящее из чистой полимеризационной смолы — полиметилметакрилата. Во многих пластмассах синте­тическая смола служит лишь для связывания наполнителя (ор­ганического или неорганического). Наполнители вводят в пласт­массу для увеличения механической прочности и удешевления из­делий. Наряду со смолой и наполнителем в пластмассу вводят различные добавки с целью придания ей новых свойств (для по­вышения прочности, водостойкости или сообщения пластмассе электропроводности). Добавки стеарина и стеарата кальция спо­собствуют предотвращению прилипания пластмассы к пресс-форме и повышают текучесть пластмасс. В некоторые смолы вводят пла­стификатор для придания им большей пластичности, так как эти смолы без пластификатора излишне тверды и плохо поддаются переработке. В смолу иногда добавляют красители или минераль­ные пигменты для окраски пластмассы в нужный цвет. Все син­тетические материалы и композиции в связи с наличием в их со­ставе многих компонентов применяют для изготовления медицин­ских изделий только после обстоятельных токсикологических ис­пытаний и получения разрешения на применение материалов стро­го определенной рецептуры от Министерства здравоохранения СССР.

Термопластичные материалы. Наиболее широкое применение для изготовления медицинских изделий нашел продукт полимери­зации винилхлорида—поливинилхлорид (ПВХ), размягча­ющийся при нагревании и затвердевающий при охлаждении. Он не токсичен, стоек к действию щелочей, кислот, многих органиче­ских растворителей (спирт, бензин и масла). Химическая промыш­ленность выпускает листы из поливинилхлоридного пластиката (винипласт), которые используют как подкладочную (толщина 0,2—0,4 мм) или компрессную (толщина 0,05—0,15 мм) клеенку. Широко используют в медицинской практике трубки и трубчатые изделия (катетеры, воздуховоды, дренажи и др.) из этого мате­риала.

Перерабатывают в медицинские изделия и ряд других термопла­стов. Широкое распространение в медицине получил капрон— продукт полимеризации капролактама. Капрон физиологически нейтрален, обладает большой прочностью, стоек к действию ще­лочей, жиров, масел. Помимо капроновых нитей, применяемых в качестве шовного материала, из него изготовляют методом литья под давлением различные детали медицинской аппаратуры (втул­ки, подшипники, шестерни и др.).

Полистирол—продукт полимеризации стирола с участием пластификаторов или без них. Обладает весьма высокой водо­стойкостью, твердостью, устойчивостью к действию кислот и ще­лочей; служит прекрасным электроизоляционным материалом. К недостаткам полистирола относится его низкая термическая ус­тойчивость и склонность к растрескиванию. Однако недостаток прочности полистирола устранен в так называемом ударопроч­ном полистироле, получаемом сополимеризацией стирола с раз­личными каучуками. Детали из полистирола изготовляют методом литья под давлением. Это различные детали электромедицин­ской аппаратуры, посуда и потребительская тара (коробки), а также изделия одноразового пользования (шприцы).

Полиэтилен—продукт полимеризации этилена, напоминаю­щий по внешнему виду парафин. Обладает высокой химической устойчивостью и служит прекрасным диэлектриком. Различают полиэтилен высокого давления (ПЭВД) и полиэтилен низкого давления (ПЭНД). ПЭВД—один из самых легких полимеров (плотность 0,93 г/см³). Он прочен и в то же время обладает боль­шой эластичностью (гибкостью), сохраняя свои свойства при низких (до —70°С) и при довольно высоких температурах (вы­держивает дезинфекцию кипячением). ПЭВД устойчив к воздей­ствию кислот, щелочей, спиртов и других растворителей, почти не адсорбирует влаги. Стабилизированный полиэтилен применяют для изготовления шприц-тюбиков. ПЭНД более прочен и менее эластичен, чем ПЭВД. Этот пластик является одним из самых де­шевых и допускает переработку в изделие любым способом (литье, прессование, экструзия, штамповка). Для уменьшения старения (деструкции) ПЭНД стабилизируют. Он хорошо окра­шивается в массе. Применяется для изготовления предметов ухо­да за больными и упаковки медикаментов.

Полипропилен—продукт полимеризации пропилена, твер­дый прозрачный полимер. Превосходит полиэтилен по химической стойкости, механическим свойствам и теплостойкости (рабочая температура до 130°С). Применяется при изготовлении элементов для соединения трубок и шлангов газовой аппаратуры (коннекто­ров), деталей и узлов аппаратов искусственного кровообращения, а также упаковочной пленки.

Пентапласт—простой хлорированный полиэфир. Более ус­тойчив к нагреванию по сравнению с ПВХ: может выдерживать до 400 циклов паровой стерилизации, стоек к химическим стерилизационным растворам. Пентапласт нашел пока ограниченное применение для изготовления шприцев, чашек Петри, колб, пипе­ток, но имеет хорошие перспективы для более широкого использо­вания.

Полиэтилентрефталат (лавсан)—сложный эфир трефталевой кислоты и этиленгликоля. Теплостойкий полимер, по прочности превосходящий многие полимеры (предел прочности около 1700 кгс/см²). Ареактивен по отношению к тканям организ­ма. Применяется в качестве шовного материала.

Поликарбонат (дифлон)—сложный полиэфир угольной кислоты. Стоек в воде, кислотах и щелочах. Изделия из него можно многократно (до 100 раз) стерилизовать паром. Прозрачен и прочен. Применяется для изготовления изделий высокой точно­сти (шприцы, мерные цилиндры и др.).

Полиуретан—продукт взаимодействия диизоцианатов с многоатомными спиртами. Устойчив к действию кислот и щелочей, не темнеет при нагревании. Изделия, полученные из этого продук­та литьем под давлением, отличаются высокой механической проч­ностью, хорошо выдерживают дезинфекцию кипячением.

Фторопласты по праву могут быть названы благородными пластиками, так как по устойчивости к действию агрессивных сред они превосходят даже благородные металлы—золото и платину. Фторопласты являются также самыми тяжелыми пластиками — представляют собой полимеры производных этилена, в которых атомы водорода заменены фтором. В практике производства медицинских изделий нашел применение фторопласт-4, который ис­пользуют для протезирования клапанов сердца и деталей слухо­вого аппарата. Из него изготовляют ряд ответственных деталей медицинской аппаратуры. Он может подвергаться стерилизации при 190—200 °С и выдерживает такого же порядка низкие темпе­ратуры. Изделия из фторопласта изготовляют механической обра­боткой.

Термореактивные пластмассы. Из термореактивных пластмасс в изготовлении изделий медицинской техники нашли применение фенопласты и аминопласты. Термореактивные пластмассы допуска­ют только влажную обработку.

Фенопласты изготовляют на основе фенольно- и креозольно-формальдегидных смол. Изделия из этих смол обладают сравни­тельно высокой теплостойкостью и водостойкостью, высокой меха­нической прочностью, хорошими изолирующими свойствами, стой­ки к растворам кислот и щелочей. Из фенопластов изготовляют штепсели, розетки, патроны, выключатели, детали электромеди­цинских аппаратов, корпуса тонометров и сфигмоманометров, раз­личные ручки, маховички и другие детали.

Аминопласты изготовляют из мочевиноформальдегидных смол и целлюлозы (наполнитель), красителей и фосфата цинка. Из этих пластиков путем прессования получают детали, имеющие яркую окраску различных цветов. Эти пластики используют при изготовлении деталей аппаратуры и приборов (цветные кнопки в электрокардиографах, выключатели, переключатели и т. д.).

Некоторое применение в медицинских изделиях находят пласти­ки на основе эфиров целлюлозы, в частности целлулоид, ко­торый применяют для изготовления очковых оправ.