尼龙12球囊管材常见缺陷分析与对策

2014-05-31王明福周剑钗李亚军

塑料制造 2014年10期

王明福，周剑钗，李亚军

（业聚医疗器械有限公司，深圳， 518038）

1.概述

球囊导管作为腔内介入治疗的主要器械之一，是临床使用最多的导管之一，被广泛的应用于各种医疗领域。血管成形术（PTCA）中使用的球囊产品，需要通过极长且狭窄的血管到达病变部位，并通过充气将狭窄处打开，要求球囊需要具有很小的壁厚及较大的强度。尼龙12具有优良的特性，非常适合通过精密挤出工艺制备PTCA球囊管材。球囊是将挤出成型的球囊管材冷却一定时间后，截断成一定的长度，放入球囊成型模腔中，将管材的一端封闭，另一端接注气装置；当模具内的温度达到一定程度时，注气吹胀成型球囊。

由于尼龙12球囊管材的生产包括原料选型、工艺、设备、模具等要素，所以制品难免出现各种各样的问题和缺陷，要快速有效地排除各种缺陷，就要从影响因素入手，科学合理地制定处理方案。

2 尼龙12球囊管材的质量要求

一般而言，尼龙12球囊管材的质量要求包括外观质量、规格与公差以及物理力学性能。

外观质量：管材内外壁表面应透明、光滑，不允许有气泡、明显的划伤、划痕、凹陷、杂质、颜色不均等缺陷。

规格与公差及物理力学性能：某一规格的尼龙12球囊管材，其外径、内径壁厚和不圆度、拉伸强度、伸长率等要符合CB／T13663—2000标准，

3.影响尼龙12球囊管材的成型质量的因素

3.1 原材料及处理

原材料：选用瑞士EMS公司的尼龙12L25。

由于球囊功能有爆破压力与疲劳强度等方面的要求，因此必须小心准备挤出用颗粒，任意一点灰尘或异质材料都会在管材挤出时嵌入管材中。为了解决这个问题，颗粒通常用除尘器来除尘。除尘器通过一个空气净化和防静电措施相结合的装置起作用，既除去了灰尘又降低了其吸附灰尘的特性。

尼龙12极性较强，具有很强的吸水性，而且吸湿速度很快，挤出时潮气遇高温而挥发，导致产品表面出现毛孔、气泡及外径粗细不均等现象，严重影响管材的质量和力学性能。在挤出生产过程中．出现质量不稳定，大多都是因为预先干燥不足，材料含有水分所致。为保证挤出质量，首先原料应避免长期暴露在空气中，其次材料的预先干燥是一个必不可少的手段。而且干燥时必须在适当的温度下保证足够的干燥时同，干燥条件为：75~80℃，干燥4~8小时，采用除湿干燥机，水分控制在0.06%内。

3.2 管材挤出设备

选择优良的挤出机是尼龙12球囊管材挤出的关键。大型挤出机会增大热性能和机械性能下降的风险。微型挤出机（1/2英寸或者更小）由于尺寸较小，可降低几乎所有材料性能下降的风险，最终可明显提高产率。微型挤出也更容易实现高分子链随机定位，减少轴向调整，这有利于球囊成形过程。

重复性也是成功挤出的一个关键因素。微型挤出机可实现更严格的公差，这使得各批次产品间的偏差较低。螺杆料筒系统是挤出系统中最为重要的一个方面。它不仅负责生成熔融高分子材料并将其运送到挤出模具，还必须使高分子材料保持同质状态。任何偏差都会导致产品质量低劣以及材料特性发生变化。如上所述，剪切力会打破聚合物链。流动不良的区域和漩涡会使得材料聚集在一起，这将导致材料过热并燃烧。

主机部分（包括控制系统、上料系统、驱动系统、机筒、螺杆、模头）；定型及冷却部分（包括定径套、真空槽、水槽）；牵引部分和切割部分。

国内大多公司都选用美国戴维斯标准（Davis－Standard）公司的精密挤出机。

3.3 熔体泵

为了能实现稳定挤出，提高尼龙12球囊管材的尺寸精度、降低废品率，需要在挤出机与机头之间安装熔体泵。因为在挤出工艺过程中，物料加料量的不均匀、机筒和机头温度的波动、螺杆转速的脉动等现象的发生是很难避免的，安装熔体泵后可大幅度减弱上游的波动，起到稳压作用。

熔体泵工作时，当泵的出口出现诸如滤网、滤板或某一成型模具产生的阻力时，泵中的齿轮就像一个缸桶内的活塞，对排料区的熔体实施挤压作用，以实现泵的增压功能。同时，泵中的齿轮又相当于一个转动着的屏障，可以有效的阻隔进料区的压力波动和流量波动对排料区的影响。当泵的入口压力因各种因素的波动而在一个很大的范围内变化时，泵的出口压力波动完全可以被控制在极小的变动范围。由于这种泵特有的输送机理及压力隔离作用，在泵的排料区，影响其压力与流量波动的因素被显著减少且易于控制，从而使熔体泵输出的流量稳定、精确。

3.4 挤出机头

在挤出过程中，决定管材尺寸的模具机头口模（Tip）与芯棒（Die）的尺寸和牵伸是一个重要的因素。不同的挤出机头和牵伸组合可以生成相同尺寸的管材。例如，0.15英寸的模具机头可生产出外径0.1英寸的管材，这要求牵伸比为1.5。如果模具机头是0.175英寸，那么牵伸比将是1.75。然而，牵伸会引起高分子链沿纵向取向，而纵向取向程度则取决于牵伸范围。换句话说，这种纵向取向或高分子链减少随机取向会影响机械性能，例如拉伸强度和吹塑过程中球囊的拉伸程度等。球囊生产中，机械性能的一致性至关重要。

颗粒经过除尘、干燥后，放入挤出机料斗中，颗粒经送料口落入机筒中。一根旋转螺杆利用机械摩擦热和加热器提供的热量生成高粘度熔融的高分子材料。螺杆沿着滚筒输送材料并将其穿过挤出模具机头。挤出后的管材接触到空气并进入一个水浴槽中，接着冷却、凝固。管件的尺寸取决于模具机头和挤出物上拉力造成的牵伸。

表1 球囊管材的挤出温度

表2 缺陷分析及对策

3.5 挤出工艺参数

3.5.1 熔体温度

首先应该注意进入挤出机的料温。由于挤出机的设计越来越多地考虑产量因素，大量使用带有沟槽的强制进料段，这就要求进入挤出机的料温不要太高。机筒和模头的工艺温度必须能够连续、准确；这就要求控制系统具有精确的控制能力和较强的稳定性。进口设备多采用控制精度较高的陶瓷带式加热器，机筒和模头分为多个加热区，每个区都可以通过控制面板进行单独控制。

挤出管材过程中温度的控制对成型过程及管材的质量有明显的影响。提高挤出机的加热温度，可降低熔体的黏度，改善熔体的流动性；可适当提高螺杆的转速，而不影响物料的混炼效果；有利于最终改善制品的强度和光亮度；有利于最终改善制品的透明度。但是熔体温度过高，不仅使冷却时间延长，加大制品的收缩率，还会使挤出的管坯产生白重下垂现象，引起型坯径向壁厚不均。若温度太低，物料塑化不好，管坯外表面粗糙不光亮，内应力增加，易造成制品在使用时破裂。

因此，应遵循以下的原则来设定挤出机的加热温度：在保证挤出的型坯表面光泽性好、塑化均匀，具有较高的熔体强度，且不会使传动系统过载的前提下，应尽可能采用较低的加热温度。经实验测定，尼龙12的合适的挤出温度如表1所示。

3.5.2 熔体泵转速

熔体泵转速也是影响管材质量的一个重要因素，熔体泵转速高，挤出螺杆转速也高，挤出速度快，可以提高挤出机的产量，同时减少型坯的下垂，但是会使型坯表面质量下降。尤其是剪切速率增大会出现熔体破裂现象，若螺杆转速低，型坯的黏度低，挤出速度慢，由于塑料的自重作用而引起型坯的下垂，将会造成壁厚相差悬殊，甚至无法成型。因此须遵循的原则是：在既能够挤出光滑而均匀的型坯，又不会使挤出系统超出负荷的前提下，尽可能采用较快的熔体泵转速。实验测定，挤出尼龙12球囊管材时的合适的熔体泵转速为3 r/min。

3.5.3 水槽温度

冷却水槽里的循环水从水箱的末端注入，使水流方向与管材运动方向相反，以利于冷却，减少管材的内应力。球囊管材在经过冷却水槽完全冷却后，经过测径装置进入履带式牵引机。

在球囊管材的冷却定型过程中，冷却速度和拉伸速度对管材的精度也有大的影响。水槽温度低则冷却速度快，对于尼龙12等结晶聚合物来说，冷却速度影响结晶速度。较高的水槽温度使晶体结构更完善，形成的晶体较大，较少；较低的成型温度则形成较多、较小的晶体，过低的温度会使晶体结构不完善。晶体结构的不同影响管材的性能，因此要控制水槽温度。

3.5.4 注气压力

由于球囊管材截面尺寸较小且尺寸精度要求高，仅仅靠口模、芯棒来保持截面形状是很困难的，因此设计安装了注气装置，通过调节注气压力来控制内径尺寸。一般情况下增大注气压力，管材的内径变大；相反降低注气压力，管材的内径变小。

3.5.5 牵引速度

熔体从口模出来后，为防止熔体在重力作用下变形，需要在牵引机牵引拉伸下完成定型，由于球囊管材直径较小，物料从机头挤出后直接水平进入冷却水槽。尼龙管材的牵引装置就选用与管材接触面积较大的履带式牵引机。为保证管材匀速挤出并获得较好外观质量，通常根据产品外径及厚度来控制牵引速度。经实验，尼龙12球囊管材的牵引速度在60~100mm/s内较为合适。上述各个环节和因素并非孤立的，它们有着密切的联系。塑料制品的质量好坏是一个综合作用的结果，不能孤立分割看待。只有注意到各方面的因果关系才能够有的放矢，生产出性能稳定、质量优良的塑料制品。