Технологічні особливості зварювання інфрачервоним випромінюванням елементів інфузійних медичних систем на основі стирольних кополімерів СEБС

Технологічні особливості зварювання інфрачервоним випромінюванням елементів інфузійних медичних систем на основі стирольних кополімерів СEБС = Technological features of welding infrared emissions of infusion medical systems on the styrene copolymers SEBS / В. В. Таланюк, А. О. Шадрін, М. Г. Кораб, М. В. Юрженко // Зб. наук. пр. НУК. – Миколаїв : НУК, 2020. – № 2 (480). – С. 34–41.Анотація. Термопластичні еластомери (ТПЕ) – це матеріали, що мають пружні властивості, які подібні до гуми, однак здатні до плавлення, та яким притаманні всі характерні властивості термопластів. За хімічним складом розрізняють декілька видів термопластичних еластомерів: поліамідні, поліетерові, поліуретанові та стиренові кополімери. Разом із кополімерами широко застосовуються також блок-кополімери, для яких характерна наявність у структурі їхніх макромолекул ланок різних полімерів. До таких полімерів, наприклад, належить стирол-етилен-бутилен-стирол блок-кополімер (СЕБС) – новий біосумісний полімерний матеріал, який знаходить широке застосування в різноманітних галузях промисловості, наприклад, у будівництві, автомобіле- та приладобудування тощо. Стирол-етилен-бутилен-стирол блок-кополімер належить до стирольних блок-кополімерів другого покоління, вироби з яких мають високі фізико-механічні властивості, а його біосумісність також дозволяє використовувати його в медичній галузі. У роботі наведені основні характеристики та проведено аналіз переваг термопластичних еластомерів на прикладі стирол-етилен-бутилен-стирол блок-кополімеру в порівнянні із традиційними для окремих галузей промисловості полімерними матеріалами. Стирол-етилен-бутилен-стирол блок-кополімер – це конструкційний термопластичний полімерний матеріал, який за властивостями подібний до синтетичних каучуків, еластичний або жорсткий залежно від хімічної будови, досить термостійкий, стійкий до впливу різноманітного середовища, зокрема й озону, ультрафіолетового випромінювання й інших атмосферних явищ. Він не має вираженого смаку та запаху, може контактувати з різноманітними харчовими продуктами та біологічними тканинами. Уважається, що стирол-етилен-бутилен-стирол блок-кополімер відносно важко піддається переробці під час розплавлення, тому його іноді змішують із блок-кополімерами, які підвищують його здатність до переробки та формування виробів. Унікальне поєднання теплофізичних, хімічних, діелектричних властивостей, здатність до повторної переробки зумовили широке використання стирол-етилен-бутилен-стирол блок-кополімеру як конструкційного матеріалу та компонента різних компаундів у багатьох галузях промисловості: в автомобілебудуванні – еластичні деталі салону, килимки, пильники, покриття для педалей, ущільнювачі; у побутовій і оргтехніці – гнучкі та теплостійкі деталі, сидіння для велосипедів, еластичні деталі мобільних телефонів, корпуси пультів дистанційного керування, елементи комп’ютерних клавіатур та мишок, гнучкі деталі авторучок, корпуси дитячих іграшок, зубних щіток, елементи аксесуарів для купання – підводних костюмів, ласт, масок; у виробництві інструментів – рукоятки для ручних і електроінструментів, рукоятки ножів, елементи будівельних інструментів – пензлів, кельм тощо; у виробництві взуття – підошви й інші еластичні деталі побутового, спортивного та спеціального взуття; у електротехніці – гнучкі роз’єми, ізоляція дротів тощо; у сантехніці – ущільнення, гофровані гнучкі шланги тощо; у медичній промисловості – гнучкі та жорсткі ємності, медичні трубки, інфузійні та трансфузійні системи, елементи лабораторного обладнання. Насамперед у медичній галузі стирол-етилен-бутилен-стирол блок-кополімер активно застосовується як заміна традиційних полімерних матеріалів, які багато років використовуються та мають багато недоліків.Abstract. Thermoplastic elastomers (TPE) are materials that have elastic properties, which are similar to rubber, but able to melt and have all the characteristic properties of thermoplastics. Several types of thermoplastic elastomers are determined by chemical composition: polyamide, polyether, polyurethane and styrene copolymers. Together with copolymers, block copolymers are also widely used, for which the presence of various polymers in their macromolecules is characteristic. Such polymers, for example, include styrene-ethylene-butylene-styrene block copolymer (SEBS), a new biocompatible polymeric material that is widely used in a variety of industries, for example, construction, automotive and instrumentation, etc. SEBS refers to styrene block copolymers of the second generation, the products of which have high physical and mechanical properties, and its biocompatibility also allows it to be used in the medical field. The main characteristics and analysis of advantages of the TPE based on SEBS compared with traditional polymeric materials for certain industries are presented in this work. SEBS is a structural thermoplastic polymeric material, which has properties similar to synthetic rubbers, elastic or rigid, depending on its chemical structure, is sufficiently heat-resistant, resistant to various environments, including ozone, ultraviolet radiation and other atmospheres. It has no pronounced taste and odor, can contact with a variety of food and biological tissues. SEBS is relatively difficult to process when melted, so it is sometimes mixed with block copolymers that enhance its processing ability and formation of products. The unique combination of thermophysical, chemical, dielectric properties, recyclability has led to the widespread use of SEBS as a structural material and component of various compounds in many industries: – automotive – elastic cabin parts, mats, mud guards, saws, pedal coatings, seals; – household and office equipment – flexible and heat-resistant parts, bicycle seats, elastic parts of mobile phones, cases of remote controls, elements of computer keyboards and mice, flexible parts of pens, cases of toys, toothbrushes, elements of bathing accessories – underwater suits , fins, mask; – tool making – hand and power tool handles, knife handles, construction tools – brushes, trowels, etc; – production of footwear – soles and other elastic details of household, sports and special footwear; – electrical engineering – flexible connectors, wire insulation, etc; – plumbing – seals, corrugated flexible hoses, etc.; – medical industry – flexible and rigid containers, medical tubes, infusion and transfusion systems, elements of laboratory equipment. In the medical field SEBS is actively used as a substitute for traditional polymeric materials, which have been used during many years and have many disadvantages

Лазерне зварювання поліетиленових плівок

В даний час постійно розширюються сфери застосування лазерного зварювання, зокрема для з’єднання полімерних плівок різних типів. Цей спосіб зварювання успішно конкурує з традиційними способами, такими, як зварювання нагрітим інструментом та ультразвуком при проведенні робіт у легкій, медичній, харчовій промисловості, пакуванні. Переваги лазерного зварювання – відсутність безпосереднього контакту між джерелом енергії та поверхнями, що нагріваються, та можливість у широких межах змінювати інтенсивність нагрівання регулюючи температуру випромінювача та відстань до нього. Найпоширенішою в даний час технологією лазерного зварювання є трансмісійний (проникний) метод для напускних з’єднань, що використовує ефект прозорості деяких полімерних матеріалів для лазерного променя. У роботі проведено трансмісійне зварювання малопотужним короткофокусним лазером поліетиленових плівок різних типів. Зварювання внапуск проведено за допомогою діодного лазера потужністю 1 Вт з довжиною хвилі випромінювання 532 нм (зелений колір світлового видимого діапазону). Лазер на притискній платформі переміщали вздовж лінії з’єднання за допомогою механічного візка. Під час зварування відбувалося формування шва шириною 0,8–1 мм та невеликою опуклістю назовні за рахунок розширення розплавленого полімерного матеріалу. Проведено експериментальні дослідження впливу основних параметрів процесу лазерного зварювання внапуск на морфологію з’єднань поліетиленових плівок марок Т та Н. Показано, що для зварювання плівок у діапазоні товщин 0,015–0,1 мм не потрібне вартісне лазерне обладнання, а для утворення якісного з’єднання достатньо лазера потужністю не більше 1 Вт. Якість напускних зварних з’єднань плівок оцінювали візуальним оглядом, вивченням під мікроскопом та випробовуваннями на відрив. Проведені дослідження експериментальних зварних швів показали їх міцність на рівні основного матеріалу.Currently, the scope of application of laser welding is constantly expanding, in particular for the connection of polymer films of different types. This method of welding successfully competes with traditional methods, such as welding with heated tools and ultrasound in the light, medical, food and packaging industries. Advantages of laser welding are the absence of direct contact between the energy source and the heated surfaces and the ability to vary the intensity of heating by adjusting the temperature of the radiator and the distance to it. Currently, the most common laser welding technology is the transmission (permeable) method for overhead joints, which uses the effect of transparency of some polymeric materials for the laser beam. The transmission welding of low-power short-focus laser of polyethylene films of different types is carried out in the work. Knee welding was performed using a diode laser with a power of 1 W with a wavelength of 532 nm (green color of the visible light range). The laser on the clamping platform was moved along the connection line by means of a mechanical trolley. During welding, a 0.8–1 mm wide seam was formed and a slight convexity to the outside due to the expansion of the molten polymer material. Experimental studies of the influence of the main parameters of the laser welding process on the morphology of joints of polyethylene films of grades T and H. It is shown that welding laser films in the range of 0.015–0.1 mm does not require expensive laser equipment. A laser with a power of no more than 1 watt is enough to make a good connection. The quality of the welded joints of the films was evaluated by visual inspection, examination under a microscope and tear tests. Studies of experimental welds have shown their strength at the level of the base material

Порівняльний аналіз якості виробів з пластмас, сформованих за технологіями DLP та FDM 3D друку

3D друк є інноваційною технологією, яка отримала широке розповсюдження в усіх розвинених країнах світу і відкриває значні можливості для її застосування у різних сферах життєдіяльності людини. 3D друк – це процес створення виробів на основі даних тривимірної комп’ютерної моделі шляхом послідовного додавання шар за шаром вихідного матеріалу на майбутній виріб. Технологію 3D друку також називають адитивним виробництвом (англ. Additive Manufacturing, що походить від англійського дієслова «to add» – «додавати»). Упродовж останнього часу ринок тривимірного друку стрімко зростає і поповнюється новими моделями унікального виробничого обладнання , яке дозволяє створювати об’ємні моделі при використанні практично будь-яких вихідних матеріалів. Друкувати можна полімерами, інженерними пластиками, композитними порошками, різними типами металів, керамікою, піском, бетоном, деревом, а в останній час навіть їжею і біологічними речовинами. Однак найрозповсюдженішим на сьогодні є 3D-друк різними типами пластику за рахунок доступності та практичності. В даній роботі розглянуто особливості створення 3D об’єктів з полімерних матеріалів при використанні двох найпоширеніших технологій адитивного виробництва – формування виробів методом пошарового наплавлення (FDM) і варіант стереолітографії (SLA) – цифрова світлодіодна проекція (DLP). При застосуванні даних технологій сформовано зразки на різних режимах 3D друку із використанням як витратного матеріалу біополімеру полілактиду (PLA) та проведені дослідження їх геометрії, структури та механічних властивостей (міжшарової міцності та відносного видовження до розриву матеріалів). Виходячи з отриманих результатів, досліджено вплив заданих параметрів друку, а саме, крайніх допустимих значень товщини шарів 3D виробів для FDM та DLP технології на якість сформованих зразків.3D printing is the innovative technology widely used in all developed countries of the world and opens up significant potential for its application in various areas of human activity. The features of 3D objects creation using two the most commonly used additive manufacturing technologies – fused deposition modeling (FDM) and stereolithography version (SLA) - Digital Light Processing (DLP) are considered in this paper. By these technologies application the samples at various 3D printing modes using polylactide biopolymer (PLA) as consumable material are created and investigations of their geometry, structure, and mechanical properties (interlayer strength and elongation up to material rupture) are carried out. On the basis of the obtained results the influence of the specified print parameters, such as the extreme admissible values of 3D products layers thickness for FDM and DLP technologies, on the formed samples quality is investigated

Зварювання полімерів інфрачервоним лазерним випромінюванням

Трансмісійне лазерне зварювання пластмас зазвичай використовують для з’єднання верхньої прозорої деталі та нижньої непрозорої полімерної деталі, яка розігрівається за рахунок поглинання енергії променя оптичного діапазону. Однак значна кількість полімерних матеріалів є напівпрозорими для інфрачервоного випромінювання, що дозволяє зварювати оптично непрозорі деталі за рахунок проникнення випромінювання вглиб матеріалу. Технологічні можливості трансмісійного лазерного зварювання пластмас значно розширили розроблення та масовий промисловий випуск твердотільних інфрачервоних волоконних лазерів, резонатори яких виготовлені з оптичного волокна, легованого рідкоземельними елементами. В роботі досліджено можливості трансмісійного зварювання полімерних листів та плівок малопотужним (20 Вт) інфрачервоним лазером із довжиною хвилі випромінювання 1,062 мкм. Для визначання необхідних режимів опромінення проводили експерименти з проплавлення оптично непрозорого листа полібутену товщиною 1 мм. Показано, що в глибині матеріалу формується проплавлення гострої клинової форми, характерне для зварювання концентрованими джерелами енергії. Залежно від питомої енергії лазерного променя змінюється гострота клину проплавлення та ширина шва. За даної потужності випромінювання для листів полібутену досягнуто максимальну глибину проплавлення 0,5 мм. Також здійснено експериментальні зварювання непрозорої поліетиленової плівки блакитного кольору товщиною 0,05 мм промислових марок ПВД-108 та ПВД-158. Показано, що лазером даної потужності при підборі відповідної швидкості зварювання можливе з’єднання від двох до восьми шарів поліетиленової плівки. Для запобігання перегрівання тонкої плівки зменшували концентрацію енергії лазеру, промінь розфокусовували до діаметра 1,5–2,0 мм на поверхні матеріалу. В результаті отримано досить рівномірний зварний шов з гарним зовнішнім виглядом. Отже, трансмісійне лазерне зварювання може слугувати альтернативою традиційному з’єднанню поліетиленових плівок за допомогою нагрітого інструменту.A number of polymeric materials are translucent for infrared radiation. The use of low-power infrared lasers makes it possible to weld polymer sheets due to the penetration of radiation into the material depth. The possibilities of transmission welding of polybutene sheets, as well as several layers of polyethylene film are investigated. Epilog Fiber Mark 20 installation equipped with 20-W fiber infrared laser with 1.062 μm radiation wavelength is used. According to the investigation results, the maximum penetration depth of polybutene sheets at thea given radiation power is determined. The ability of welding up to eight layers of colored polyethylene film of PVD-108 and PVD-158 grade is shown

Технологічні особливості зварювання пластиків на основі полігідроксибутирату

Природні полімери або біополімери, були вперше розроблені ще в 1940-х роках. Генрі Форд використовував ці біополімери у будівництві автомобілів. Але з відкриттям нафтохімічних полімерів їх низька вартість замінила натуральні матеріали. Основним недоліком використання пластмас ще й досі лишається екологічний фактор. Дослідження біополімерів не обмежується використанням пакування продуктів. Дані полімери можуть використовуватися в інших областях промисловості. Слід очікувати використання біополімерів у пакуванні, медицині, будівництві, майже в кожній галузі промисловості так само, як синтетичні пластмаси в даний момент. Нафтохімічна промисловість, на основі полімерних технологій, створила багато переваг для їх використання. Найважливішими факторами, що визначають швидке зростання використання пластмас у пакувальній промисловості є зручність, безпека, низька ціна і достатні ергономічні властивості. Але ці полімери отримали з викопних ресурсів, їх споживали і відходи утилізували в навколишнє середовище. Збільшення нерозкладних відходів значно забруднює навколишнє середовище. Біополімер, що займає значне місце у промисловому виробництві – полігідроксибутират (ПГБ) – біополімер, який за фізичними властивостями подібний полістиролу. ПГБ швидко руйнується грунтовими мікроорганізмами. Можливі області застосування ПГБ – це виготовлення біорозкладаних пакувальних матеріалів та формованих товарів, одноразових серветок, предметів особистої гігієни, плівок і волокон, водовідштовхуючого покриття для паперу й картону. Перше промислове виробництво кополімерів PHB-PHV організувала в 1980 році англійська компанія «ICA» під торговою маркою «Biopol». Цей полімер характеризується відносною термостабільністю, пропуском кисню, стійкістю до агресивних хімікатів і має міцність порівнянно з поліпропіленом. Біополімер, що займає значне місце у промисловому виробництві – полігідроксибутират (ПГБ) – біополімер, який за фізичними властивостями, подібний полістиролу. ПГБ швидко руйнується ґрунтовими мікроорганізмами. Зварюваність та властивості зварних з’єднань полігідроксібутирату досліджували на пластинчастих зразках, що виготовляли тепловим пресуванням із полімерної сировини порошкоподібної форми. Експериментально встановлено, що при збільшенні температури форми у пресованих зразках виникали залишкові напруження, які призводили до утворення тріщин. При понижених температурах форми порошок не розплавлявся повністю, відповідно, при пресуванні у зразках формувалася негомогенна ослаблена мікроструктура. При випробуванні на розтяг оптимальні зварні шви руйнуються по основному матеріалу поблизу зони термічного впливу. На поверхнях виявлено крихкий характер руйнування матеріалу. Спостерігали відокремлення окремих фрагментів та шарів матеріалу зразків. Таким чином, полімерний матеріал ПГБ, хоча і має низькі пружні властивості, добре зварюється за допомогою нагрітого інструменту. Під час випробування на розривній машині FP-10 зі швидкістю 50 мм/хв шви руйнувалися по основному матеріалу поблизу зони термічного впливу. Механічні дослідження зварних з’єднань показали наступні механічні характеристики зварних швів зразків ПГБ: міцність при одновісному розтягу – 42 МПа; відносне подовження при розриві – 10%.In particular polymers and biopolymers are increasingly used in various sectors of the economy and more recently biopolymers have been replacing traditional polymers in many applications. The problem of recycling polymeric materials can also be solved by designing products that will facilitate their further processing. In fact, biodegradation is the consistent breaking of chemical bonds of a polymer molecular chain under the action of microorganisms. Destroying a polymer, bacteria, fungi or algae uses the remnants of its molecules as a source of vital organic compounds as well as energy. Usually biodegradation occurs in an aqueous or humid environment during the process of composting. Bioplastics` wastes, like fallen leaves or other organic wastes, are stacked on soil and gradually converted into environmentally friendly material. The ability of a polymer to biodegrade mainly depends on the chemical composition of its molecule. One of the urgent tasks of research and implementation of biopolymers is the connection, in particular welding. Traditionally, plastic welding is widely used in the chemical, food, and other industries, for film packaging and packaging