CC BY
223
УДК 677.494.742.3
А. В. Лисин, А. И. Ахмедова, А. Н. Федорчук, Р. Р. Спиридонова, Л. А. Зенитова
ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИПРОПИЛЕНОВЫХ НИТЕЙ
НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Ключевые слова: полипропиленовое волокно, шовный материал, экструзия, монинити.
Исследовановлияние технологических параметров, а также марок полипропилена на физико-механические свойства полипропиленовых волокон. Показано, что оптимальной температурой вытяжки полипропиленовых волокон является 2200С, температура охлаждающей ванны 300С, а кратность вытяжки составила 6,5 для нитей условного размера 4/0.
Keywords: polypropylene fiber, suture, extrusion, monofilament.
Influence of technological parameters and polypropylene brands on physical and mechanical properties ofpolypropylene fibers were investigated in this article. It was stated that optimal extraction temperature ofpolypropylene fibers is 2200С, temperature of bath is 300С, stretch ratio for filaments size 4/0 is 6,5.
Введение
Полипропилен - это синтетический термопластичный неполярный полимер из класса полиоле-финов. Благодаря широким возможностям применения, экологической чистоте продуктов полипропилен смог проникнуть во все доминирующие экономические отрасли: электротехнику, электронику, строительство, машиностроение и многие др.
С 1959 года фирмой "Montekatini" началось производство волокон на основе полипропилена. Полипропиленовые волокна имеют относительно низкую стоимость. В среднем из 1 кг полипропилена получается больше волокон, чем из 1 кг любого другого полимера [1].Благодаря особенностям химической структуры полипропилена, а именно линейности макромолекулы, полипропиленовые волокна обладают высокой прочностью, биологической инертностью и высокой стабильностью в тканях живого организма. Благодаря монолитной структуре, полностью исключающей адсорбцию, полипропилен не рассасывается и не подвергается биодеградации и ослаблению под действием тканевых ферментов. Поэтому особое применение полипропиленовое волокно нашло в области медицины в качестве шовного материала [2].
На сегодняшний день полипропиленовые нити являются одними из наиболее перспективных среди нерассасывающихся шовных материалов и рекомендуется к широкому применению в клиниках. Существует несколько производителей нитей медицинского назначения из полипропилена: Covidien (Швейцария), Johnson&Johnson (США), B/Braun (Германия).
В России нет производителей нерассасывающие-ся шовных материалов из полипропилена. Несмотря на то, что отечественные компании ведут работы в данном направлении, Россия существенно отстает от зарубежных компаний в области производства хирургических нитей из-за нехватки качественного сырья и финансирования. Отсутствие производства нерассасывающихся шовных нитей вынуждает отечественных производителей закупать большие объемы их за рубежом, комплектуя их с иглой, либо
закупать готовые комплекты, что увеличивает стоимость конечной продукции. Таким образом, разработка способов получения современных нерассасы-вающихся хирургических нитей и исследование их свойств является актуальной задачей [3].
Как уже было сказано, в России медицинские нити из полипропилена не производятся, однако в 2014 году в ФГБОУ ВО «КНИТУ» была закуплена линия по производству полимерных нитей медицинского назначения (фирма FET, Англия), которая позволяет получать моно- и бикомпонентные нити из полипропилена. Так же была разработана технология получения полипропиленовых мононитей с по-ливинилиденфторидным покрытием [4]. По прочностным характеристикам полученные нити не уступали зарубежным аналогам, однако имели низкую эластичность. Манипуляционные характеристики нитей можно повысить путем совершенствования технологического процесса, кроме того следует обратить внимание, что авторы исследовали одну марку полипропилена. Поэтому целью исследования являлось установления влияния режимов переработки различных марок полипропиленана конечные физико-механические свойства нитей.
Экспериментальная часть
Для производства полипропиленовых мононитей использовался расплавный способ, реализованный по непрерывной технологической схеме на уникальной комплектной технологической экструзионной линии (фирма FET, Англия) для производства полимерных мононитей медицинского назначения (рис. 1).
Рис. 1 - Схема получения полипропиленовых нитей расплавным методом
Схема получения нитей включает в себя следующие основные операции: 1) формование; 2)
вытягивание; 3) терморелаксация; 4) намотка на бобины [5].
Температура расплава в экструдере по зонам составляла 200-245оС. Температура вытягивания и терморелаксации варьировалась от 180оС до 220оС.
Для упрочнения сформованное полипропиленовое волокно подвергается вытягиванию в четыре ступени. Вытягивание нити происходит за счет разной скорости движения роликовых устройств в токе горячего воздуха.
Разрывная прочность в узле и относительное удлинение полученных нитей регламентированы и измеряются в соответствии с ГОСТ 31620-2012«Материалы хирургические шовные. Общие технические требования. Методы испытаний».
Испытания проводили на разрывной машине 1п-spectminiTR-3kN. Образцы готовят следующим образом: на середине отрезка шовного материала завязывают простой узел и плотно его затягивают в соответствии с рисунком 2.
Рис. 2 - Простой узел
При оценке разрывной нагрузке использовались следующие режимы: расстояние между зажимами составляло 200 мм, скорость перемещения подвижного зажима разрывной машины устанавливали 200 мм/мин[6].
Обсуждение результатов
По программе импортозамещения РФ для производства медицинских нитей должны быть использованы отечественные марки полипропилена.
Для получения полипропиленовых мононитей медицинского назначения к сырью предъявляются особые требования. Материалы должны соответствовать ГОСТ 31620-2012, быть химически чистыми, без примесей, иметь сертификаты качества, иметь возможность работы при контакте с кровью.
В связи с отсутствием отечественных марок полипропилена, допускаемых для применения в медицине в качестве материала контактирующего с человеческим организмом, поиск возможных марок ограничился пищевыми, используемыми для детской продукции.
Основным параметром, с точки зрения переработки, при выборе материала для получения нитей является ПТР, который должен быть в интервале 1,5-12 г/10мин.
Основываясь на выше приведенных требованиях, для исследования в работе были выбраны следующие отечественные марки полипропилена: РР 1500J (T30G) ПАО «НКНХ», 01130 «Бален» ОАО «Уфа-
оргсинтез», РР H030 GP ООО "Полиом". Все выбранные марки имели сертификаты качества, являлись пищевыми.
В начале работы изучались физико-механические свойства медицинских нитей зарубежного производства (Covidien, Johnson&Johnson, B/Braun). Полученные данные представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Характеристика зарубежных нитей условного размера 4/0
Наименование Ед. изм Пролен (Ethicon) Суржипро (CovidienAG) Премилен (B/BRAUN)
Разрывная нагрузка в узле Н 11,8 9,8 9,7
Относительное удлинение % 13 19 14
Основными параметрами, оказывающими влияние на свойства волокон, являются температура охлаждающей ванны, кратность вытяжки и температура ориентации и релаксации. Максимальная степень вытягивания при одной и той же температуре, а, следовательно, и максимальная прочность волокна зависит от структуры полипропилена. Полимеры с менее упорядоченной и менее совершенной структурой легче деформируются. Для волокон из такого полипропилена могут быть достигнуты более высокие степени вытягивании, а, следовательно, и более высокие физико-механические свойства, чем для волокон из полимера, обладающего более совершенной структурой. При этом для каждого размера (диаметра) нитей необходимо подбирать свои технологические режимы. В таблице 4 представлено влияние условий получения на свойства полученных нитей условного размера 4/0 (диаметр нити -0,149-0,190мм).
Температура вытягивания полипропиленовых нитей варьировалась в пределах от 180 до 220 0С. Это объясняется тем, что при температурах выше температуры плавления полимера скорость процесса перестройки структуры возрастает, что позволяет добиться более эффективного проведения ориента-ционного упрочнения. Так же при температурах ниже 1800С нить имеет низкую максимальную кратность вытяжки, а, следовательно, и низкие физико-механические свойства. При увеличении температуры вытяжки растет и максимальная кратность вытяжки, из таблиц видно, что максимально вытянутая нить при температуре 220 0С имеет прочность выше, чем нить максимально вытянутая при 180 0С. Хотя при той же кратности вытяжки, как и у 1800С прочностные показатели этой нити оказываются ниже вследствие увеличения доли пластической деформации, не дающей эффекта ориентации. Следовательно, для получения более прочного волокна необходимо повышать температуру вытягивания и кратность вытяжки одновременно. Близкие резуль-
таты были получены Петерлином для полиэтилено- нию поверхности нитей, а также к расслоению и
вых волокон [7]. Но дальнейшее увеличение темпе- хрупкости нити (переориентации).
ратуры вытяжки выше 220 0С приводит к ухудше-
Таблица 2 - Влияние условий получения нитей на физико-механические свойства нитей марокРР 1500J, РР Н030 GP, 01130 «Бален» (условный размер 4/0)
Условия получения нити Свойства нити
Температура вытягивания, 0с Кратность вытяжки Температура охлаждающей 0 ванны, С Разрывная нагрузка в узле, Н Относительное удлинение, %
РР 1500J (T30G) РР Н030 GP 01130 «Ба-лен» РР 1500J (T30G) РР Н030 GP 01130 «Бален»
180 3,4 25 6,3 7,3 6,4 9 11 21
4,5 6,7 7,9 6,9 9 10 19
4,8 7,3 9,3 7,8 8 10 19
180 3,4 30 6,5 7,5 6,5 9 11 18
4,5 7,2 8,3 7,4 8 10 19
4,8 8,3 9,6 8,3 8 10 16
200 4,8 25 8,2 9,5 8,2 8 12 21
5,5 8,6 9,9 8,7 8 11 19
5,7 8,8 10,6 9,3 8 10 16
200 4,8 30 8,3 9,5 8,3 8 11 15
5,5 8,7 10,4 8,8 8 10 19
5,7 8,8 10,8 9,6 8 10 18
220 5,0 25 7,9 9,7 7,9 9 11 20
5,8 8,3 10,8 9,4 8 10 19
6,0 9,0 11,1 9,9 8 10 18
220 5,0 30 8,0 10,4 8,1 9 12 21
5,8 9,2 11,7 10,1 8 11 19
6,5 9,4 11,9 10,2 8 10 19
В независимости от марки полимера оптимальная температура охлаждающей ванны составила 30 0С, так как именно при этой температуре были получены наилучшие результаты разрывной нагрузке в узле и относительного удлинения нити.
Сравнение физико-механических свойств трех марок показало, что нити из полипропилена марки «Бален» обладают хорошими эластическими свойствами, а нити из полипропилена марки РР Н030 GP «Полиом» высокими прочностными характеристиками. Нити из марки РР 1500J (T30G) показали низкое относительное удлинение и прочностные характеристики. Так же было обнаружено, что нити на основе полипропилена марки 01130 «Ба-лен», вследствие большей эластичности, меньше истираются вытяжными роликами. Что приводит к более равномерной и гладкой поверхности, лишенной сколов и заусениц. Как видно из таблиц все полученные нити трех отечественных марок полипропилена (РР 1500J (T30G), РР Н030 GP, 01130 «Ба-лен») позволяют получить нити удовлетворяющие
требованиям ГОСТ 31620-2012 и по прочностным свойствам сопоставимы с зарубежными аналогами.
Выводы
1. На основании требований предъявляемым к полимерам формируемым экструзионным методом и нитям медицинского назначения были выбраны три отечественные марки полипропилена производства ПАО «НКНХ», ООО «Полиом», ОАО «Уфаорг-синтез». Эти марки имеют сертификаты качества и являются пищевыми.
2. Оптимальный режим формирования нитей является температура вытяжки - 2200С, температура охлаждающей ванны 300С, а кратность вытяжки зависит от диаметра нити: для нитей условного размера 4/0 оптимальная кратность вытяжки составила 6,5. Нити, полученные из полипропилена марки РР 1500J (T30G), имеют низкие прочностные и эластические свойства, из полипропилена марки 01130 «Бален» получились нити с хорошими эла-
стическими свойствами - относительное удлинение нитей составило в среднем 16%, а нити из марки РР Н030 GP «Полиом» показали высокие прочностные характеристики - в среднем разрывная нагрузка в узле составила 11 Н.
Литература
1. Дж.Л. Уайт, Д.Д. Чой Полиэтилен, полипропилен и другие полиолефины / пер. с англ. яз. под. ред. Е.С. Цобкалло- СПб.: Профессия, 2006.-256 с.
2. Гриднева А.В., Разработка технологии получения и исследование свойств нерассасывающихся хирургических нитей на основе синтетических полимеров / авто-
реф. дисс. кандид. техн. наук: Санкт-Петербург.-2010.-16 с.
3. Егиев В.Н. Шовный материал (лекция) / Хирургия, 1998. №3. 34-384 с.
4. Заявка на патент РФ № 2015 108 685 13.03.2015.
5. Шварц О., Переработка пластмасс / Эбелинг Ф.В., Фурт Б.; под.общ. ред. А.Д. Паниматченко. - СПб.: Профессия, 2005. - 320 стр., ил
6. Физико-механические методы анализа. Под ред. У. Мзэоиа. М., Издат. 1962, т. 1, ч. А, 592 с; М., «Мир», 1969, т. 2, ч. Б, 420
7. Peterlin A., Meinel G., Structure and properties of oriented polymers / J. Polymer Sci., - 1965. - p. 783
© А. В. Лисин - студент КНИТУ, lisinantoxa@gmail.com; А. И. Ахмедова - студент КНИТУ, ahmedova28@yandex.ru; А. Н. Федорчук - аспирант КНИТУ, f.n.anna@mail.ru; Р. Р. Спиридонова - кандидат химических наук, доцент кафедры ТСК КНИТУ, regina.spiridonova@bk.ru; Л. А. Зенитова - доктор технических наук, профессор кафедры ТСК КНИТУ.
© А. V. Lisin - student of KNRTU, lisinantoxa@gmail.com; A. 1 Akhmedova - student of KNRTU, ahmedova28@yandex.ru; А. N. Fedorchuk - graduate student, KNRTU, f.n.anna@mail.ru; R. R. Spiridonova - PhD in Chemistry, associate professor of TSC, KNRTU, regina.spiridonova@bk.ru; L. А. Zenitova - Doctor of Technical Sciences, professor of TSC, KNRTU.
