醫用氧艙有機玻璃銀紋產生機理及預防措施

2012-11-27 03:08:52胡衛朋

中國醫療設備 2012年12期

胡衛朋

桂林市特種設備監督檢驗所廣西桂林 541004

0 前言

有機玻璃即聚甲基丙烯酸甲酯[1]，是一種輕型的透明材料，強度較高，抗拉伸和抗沖擊的能力比普通玻璃高7～18倍[2]，是飛機、醫用氧艙等常用的一種有機透明型材料。有機玻璃表面銀紋的產生和擴展不僅降低了其光學透明度，更重要的是它會迅速降低材料的強度[3]，由于銀紋局部應力的產生[4]，可能引起醫用氧艙有機玻璃的損傷破裂或爆炸，造成惡性事故。關于醫用氧艙有機玻璃失效的成因，很多人認為是疲勞引起的[5]，所以在制定檢驗標準時都限定了醫用氧艙有機玻璃的使用年限和升、降壓次數[6]。筆者根據多年進行醫用氧艙定期檢驗的經歷發現，許多醫用氧艙有機玻璃在循環次數極低或使用時間很短時就有銀紋出現，尤其是嬰兒氧艙有機玻璃艙體情況更嚴重，由此產生的后果，一個是使用單位不得不頻繁更換有機玻璃，這給氧艙使用單位增添了不少麻煩，另一個后果是引起有機玻璃破裂爆炸，造成惡性事故。

1 銀紋產生機理

有機玻璃銀紋與金屬的應力腐蝕裂紋形成機理一致，在此將其叫做環境—應力腐蝕銀紋。金屬壓力、容器應力腐蝕開裂最重要的兩個因素是：一定的拉應力和特定的腐蝕介質[7]。對于醫用氧艙有機玻璃來說，其在使用中本身承受艙體內介質的內壓力，同時還可能承受因裝配不均產生的局部附加應力，這是其產生環境—應力腐蝕銀紋的一個必要條件；另一個必要條件是環境因素，醫用氧艙有機玻璃工作的環境因素主要包括紫外光、水—溶劑（如水或醇類等）。紫外線主要是由于太陽光輻照或進行紫外線消毒時保護不力造成；水主要是由于平時擦拭有機玻璃時抹布過于潮濕，或是艙內人員呼吸時產生的水汽（這種情況嬰兒氧艙比較突出）；溶劑主要是操艙或維護人員消毒時所用的材料（如各種有機溶劑等）。這些環境因素單一存在時對有機玻璃有一定的影響，但實際工作中這些因素可能同時存在，而且造成的危害往往出乎意料。

1.1 拉應力對有機玻璃銀紋產生的影響

醫用氧艙在工作時由于本身受內壓，會在有機玻璃上產生拉應力，同時，有機玻璃可能還存在雜質、氣泡、表面劃傷以及螺栓孔等引起的應力集中，以及裝配不均等因素產生的局部附加應力，局部附加應力與內壓產生的拉應力疊加產生復合拉應力，應力集中或者復合拉應力值可能是內壓產生拉應力的數倍。有機玻璃本身有一定的脆性，當應力集中或復合拉應力值超過有機玻璃銀紋臨界應力時，就會產生有機玻璃銀紋。

1.2 水—溶劑對有機玻璃銀紋產生的影響

水對于有機玻璃來說是一種應力敏感介質，是形成銀紋的重要因素。有機玻璃吸水后使材料增塑，氫鍵斷裂，對有機玻璃銀紋的產生有加速作用，它還能明顯降低有機玻璃銀紋臨界應力，史建立[8]等人做過吸水率與有機玻璃銀紋臨界應力的試驗，其試驗結果，見圖1。隨著吸水率的增加，有機玻璃銀紋臨界應力逐漸下降，當吸水率達到0.3%時，值降低40%，可見水對有機玻璃塑化的明顯程度。有機玻璃對有機溶劑的敏感性更強，由于有機溶劑能在有機玻璃中出現溶脹現象，所以有機溶劑對有機玻璃的溶解能力越強，溶劑就越容易滲入最薄弱區，并引起局部高聚物的溶脹，導致其臨界應力成倍地降低。

圖1 臨界應力σc隨吸水率的變化

1.3 紫外線對有機玻璃銀紋產生的影響

紫外線對有機玻璃的影響主要是能引起分子鏈斷裂，使分子量下降，加速有機玻璃的老化。紫外線對有機玻璃的老化機理是光化學反應[9]，即該波長范圍的紫外線所具有的能量正好是組成有機玻璃材料分子之間的鍵能，有機玻璃吸收紫外線能量后，分子鏈斷裂造成材料老化。紫外線波長通常在300～400 nm之間，而醫用氧艙有機玻璃(聚甲基丙烯酸甲脂)的敏感波長正好為290～315 nm，也就是說，使有機玻璃分子鏈斷開所需要的能量正好與紫外線波的能量相等，其破壞效果不言而喻。史建立[8]等人做了紫外線與有機玻璃銀紋臨界應力的試驗，試驗結果，見圖2。從圖上很容易看出，隨紫外線照射時間的增加而逐漸下降，特別在最初的20 min內，迅速降低，但逐漸趨于平衡值，這種現象可能是分子的支化和輕度交聯引起的。

1.4 水—溶劑、紫外線、應力循環作用對有機玻璃的影響

醫用氧艙有機玻璃工作時，水—溶劑、紫外光、應力等諸多因素同時存在，并且不斷地進行升、降壓循環，這些因素綜合作用，對銀紋的產生速度是單一因素作用時的幾倍到幾十倍，很多氧艙投用不足半年，就出現了大面積的有機玻璃銀紋。有機玻璃吸水后表層被塑化，銀紋臨界應力降低，吸水后的有機玻璃表面水分揮發快，里層水分揮發慢，表面水分揮發時，溫度降低，引起體積收縮，而里層組織限制這種收縮，因而使表面處于張應力狀態，其與正常工作時的拉應力疊加產生一個更大的拉應力，在受到紫外線輻照時，高分子鏈極容易斷裂，分子量降低，抗環境—應力腐蝕銀紋的能力進一步下降，并且在氧艙不斷的升、降壓循環中，原先形成的細小銀紋還會不斷擴展，使形成的銀紋尺寸不斷增大，深度也逐步增加，不僅如此，有機玻璃表層已形成的銀紋在虹吸作用下，更容易吸水，里層組織進一步塑化，很快就會出現宏觀可見的亮白色的銀紋，或者發生破裂爆炸，導致惡性事故的發生。

圖2 臨界應力σc紫外線光照時間的變化

2 預防措施

有機玻璃銀紋的產生，是由水—溶劑、紫外光、應力共同作用的結果，再加上不斷的升、降壓循環，細小銀紋或組織缺陷就會不斷擴展，最終導致有機玻璃的迅速失效，若能延緩有機玻璃銀紋的產生和擴展速度，在銀紋擴展釀成事故之前發現它，就能提高醫用氧艙運行的安全系數，降低氧艙的運行維護成本。考慮到有機玻璃發生環境一應力腐蝕時銀紋的產生和擴展的速度，只要破壞其發生環境—應力腐蝕的條件，就能控制或延緩有機玻璃銀紋的產生和擴展。由此提出以下預防措施：

（1）盡量避免有機玻璃直接受太陽光照射，在對氧艙進行紫外線消毒時，做好有機玻璃的遮擋防護。

（2）消毒時用的消毒液盡量采用不含有機溶劑的藥劑。

（3）擦拭有機玻璃時用干抹布，每次升壓前，注意通風或采用其他措施將有機玻璃上的水汽除去。

（4）防止有機玻璃表面劃傷，發現表面有劃傷痕跡時，采用研磨等方法去除。

（5）裝配有機玻璃時，盡量均勻用力，避免由于裝配應力過大而使有機玻璃過早失效。