Разработка технологии получения композиционных материалов на основе фторопласта и фторсодержащей резины для сердечнососудистой хирургии

Технологический процесс нанесения тонкопленочных покрытий в вакууме включает 3 основных этапа:

- генерация потока частиц осаждаемого вещества;

- переноса частиц в разреженном пространстве от источника до подложки;

- осаждения частиц при достижении подложки.

2.2 Методы нанесения вакуумных покрытий

Существуют 2 метода нанесения вакуумных покрытий, различающихся по механизму генерации потока осаждаемых частиц: термическое напыление и распыление материалов ионной бомбардировкой. Испаренные и распыленные частицы переносятся на подложку через вакуумную среду (или атмосферу реактивных газов, вступая при этом в плазмохимические реакции). Для повышения степени ионизации потока осаждаемого вещества в вакуумную камеру могут быть введены специальные источники заряженных частиц (например, термокатод) или электромагнитного излучения. Дополнительное ускорение движения ионов к обрабатываемой поверхности может достигаться за счет приложения к ней отрицательного напряжения. Общими требованиями, предъявляемыми к каждому из этих методов, является воспроизводимость свойств и параметров получаемых пленок и обеспечения надежного сцепления (адгезии) пленок с подложками и другими пленками.

Было проведено опробование модернизированной установки, описывающее ниже.

Термическое нанесение алюминия осуществлялось на установке вакуумного напыления УРМ 3.279.028. Данная установка оснащена системой нагрева испаряемого материала за счет бомбардировки тигля с веществом электронами эмитируемым вольфрамовым катодом. Такая схема нагрева обеспечивает высокую равномерность температуры расплава металла и плавность регулировки скорости распыления. В механической части камеры для распыления металлов предусмотрена заслонка. В момент нагрева тигля до температуры плавления металла заслонка находится в закрытом состоянии, что предотвращает попадание легкоплавких примесей, загрязнении и окислов, содержащихся на поверхности металла, на подложку. Толщина металлического слоя нанесенного на резиновую основу составляет порядка 0,35 мкм.рост слоя металла на подложке происходит при осаждении отдельных атомов металла, что способствует хорошей заполняемости пористой поверхности резинового основания. Кроме этого атомы металла, испаряемые из тигля, обладают существенной кинетической энергией, обусловленной высокой температурой расплава и разрежением в рабочем объеме установки, обеспечивающем большую длину свободного пробега. Остаточное давление газов в рабочем объеме установки при напылении порядка 5Ч10-3 Па. Высокая энергия частиц металла осаждаемого на резиновую основу может способствовать процессам адсорбции и активации химических взаимодействий основы и напыляемого покрытия.

Атомы вещества поступают на подложку с энергией кТ (к=8,63Ч10-5 эВ/K- постоянная Больцмана; K- абсолютная температура) и скоростями порядка 1000 м/с. Часть энергии при этом передаётся поверхностным атомам подложки, а остаточная энергия позволяет им некоторое время мигрировать в поверхностном потенциальном поле. Доля остаточной энергии тем выше, чем выше температура подложки. В процессе миграции атом может либо покинуть подложку (на потенциальном бугре поля), либо частично погасить энергию, вступив во взаимодействие с другим мигрирующим атомом. Полностью потерять способность мигрировать и закрепиться на нагретой подложке (конденсироваться) может лишь многоатомная группа, которая становится одним из центров кристаллизации. При невысокой плотности потока атомов, т.е. умеренной температуре на испарителе, число центров кристаллизации на единицу площади невелико и к моменту образования сплошной плёнки вокруг них успевают вырасти крупные кристаллы.

Снижение температуры подложки и повышение плотности потока приводит к более раннему образованию центров кристаллизации, увеличению их числа на единицу площади и формированию мелкокристаллической структуры. В процессе эксплуатации электронной аппаратуры, когда она подвергается периодическим циклам нагрева и медленного охлаждения мелкокристаллическая структура постепенно рекристаллизуется в крупнокристаллическую. Электрофизические свойства при этом необратимо изменяются, происходит "старение" плёнки. В резистивных плёнках, например, наблюдается со временем уменьшение удельного сопротивления. Для формирования тонких плёнок, стабильных в процессе эксплуатации, необходимо подложку нагревать и не форсировать процесс напыления за счёт повышения температуры на испарителе.

В производстве тонкоплёночных структур, как и вслучае полупроводниковых, используются групповые подложки. Групповые подложки имеют прямоугольную форму с размерами 60х48 мм или 120х96 мм, изготовлены из изолирующего материала (ситалл, поликор, стекло) и рассчитаны на одновременное изготовление до нескольких десятков идентичных модулей. Таким образом, свойства напыленной плёнки должны быть одинаковы на всей площади групповой подложки.

В первом приближении поток атомов от испарителя к подложке представляет собой расходящийся пучок и поэтому плотность потока в плоскости подложки не равномерна: в центре подложки она максимальна и убывает от центра к периферии. Это означает, что при напылении плёнки на неподвижную подложку в центральной области подложки образуется более толстая плёнка, нежели на краях подложки. Например, резисторы, сформированные в центральных модулях, будут иметь заниженные сопротивления по сравнению с аналогичными резисторами периферийных модулей.

С учётом изложенного производственные установки термовакуумного напыления снабжены вращающимися устройствами (дисками, барабанами), несущими несколько подложек. Подложки последовательно и многократно проходят над неподвижным испарителем , постепенно набирая необходимую толщину плёнки. В результате центральный "холм", который мог бы образоваться, на неподвижной подложке, размывается в хребет, вытянутый в направлении движения подложки. Для выравнивания толщины плёнки в поперечном направлении применяют корректирующую диафрагму, устанавливаемую между испарителем и подложкой в непосредственной близости от нее. Профиль диафрагмы рассчитывается на основании исследования рельефов плёнки, получаемых при напылении на неподвижную и движущуюся подложки. В результате различия времени облучения центральной и периферийной зон подложки равномерность толщины плёнки на всей площади групповой подложки повышается и находится в пределах ±2% (для подложек 60х48 мм).

Основными достоинствами этого метода генерации являются:

- возможность нанесения пленок металлов (в том числе тугоплавких), сплавов, полупроводниковых соединений и диэлектрических пленок;

- простота реализации;

- высокая скорость испарения веществ и возможность регулирования ее в широких пределах за счет изменения подводимой к испарителю мощности;

- стерильность процесса, позволяющая при наличии высокого (а при необходимости сверхвысокого) вакуума получать покрытия практически свободные от загрязнений.

Все испарители различаются между собой по способу нагрева испаряемого вещества. По этому признаку способы нагрева классифицируются следующим образом: резистивный, индукционный, электронно-лучевой, лазерный и электродуговой.

Метод металлизации путём напыления проволоки позволяет напылять покрытие разной толщины на большие участки изделий.

Виды покрытий, которые перечислены в таблице №2, обеспечивают полную защиту стальных панелей с низким содержанием углерода.

Таблица 2 - Виды покрытий

Тип воздействия	Металлизированный алюминий (a)	Металлизированный цинк (b)
Воздействие морской воды (c)	0.18 мм, с уплотнит, материалом 0.15 мм, с и без упл материала	0.30 мм, без уплотнит. материала
Воздействие морской атмосферы (d)	0.08 мм-0.15 мм с и без уплотнительного материала	0.12 мм без уплотнит матер. 0.08 мм с уплотнит.матер.
Промышленная атмосфера	0.08 мм-0.15 мм с и без уплотнительного материала	0.24 мм без уплотнит матер. 0.08 мм с уплотнит.матер.

Термически напыляемые металлические покрытия становятся чрезвычайно важными для длительной защиты стальных изделий, особенно в офшорной (морской) промышленности, в которой очень важно учитывать требования к техническому обслуживанию при конструировании новых платформ.

2.3 Этапы термического напыления в вакууме

Процесс термического напыления в вакууме разбивается на три этапа

1. Испарение вещества.

2 распространение паров испаряемого вещества.

3. Конденсация паров испаряемого вещества на подложке и образование пленочной структуры.

Испарение вещества. Испарение вещества происходит при его нагревании. При нагревании вещества кинетическая энергия его атомов и молекул возрастает и становится достаточной для того, чтобы они оторвались от поверхности и распространились в окружающем пространстве. С повышением температуры энергия увеличивается и количество молекул, отрывающихся от поверхности, возрастает.

Твердые вещества обычно при нагревании расплавляются, а затем переходят в газообразное состояние. Некоторые вещества переходят в газообразное состояние, минуя жидкую фазу. Такой процесс называется сублимацией.Температуру, при которой давление паров вещества над его поверхностью составляет 10-2 мм рт. ст., называют температурой испарения вещества.

В таблице 3 приведены значения температуры плавления, кипения и испарения, а также давления паров и скорости испарения некоторых материалов.

Таблица 3 - Физика - химические параметры металлов

Материал	Обозначения	Температура плавления, 0С	Температура кипения, 0С	Давление паров при температуре плавления, ммрт. ст.	Температура испарения при давлении паров 10-2 мм рт. ст.	Скорость испарения 10-4, г/ (см2*сек)
Алюминий Медь Никель Олово Серебро Хром	А1 Сu Ni Sn Ag Cr	660 1083 1455 232 961 1900	2060 2590 2730 2400 2210 2200	1,2 10-6 3 10-4 4,4 10-3 0 1,7 10-3 6,4 10-4	996 1273 1510 1189 1047 1205	0,85 1,18 1,06 1,56 1,67 1,1

Конденсация паров на подложке и образование пленочной структуры.

Конденсацией называется процесс перехода материала из газообразной фазы в твердую. При конденсации на подложке образуется пленка сконденсированного материала.

Конденсация пленки на подложке зависит от температуры подложки. Существует такая температура подложки, называемая критической Ткр при превышении которой все атомы отражаются от подложки и пленка не образуется.

Исследования конденсации и роста пленки в начальный момент времени ее образования крайне важны, так как свойства пленки во многом определяются на этом этапе.

На процесс образования пленки влияет состояние поверхности подложки. Большое влияние оказывают также молекулы остаточных газов, которые нарушают условия конденсации и структуру образующейся пленки.

Молекулы остаточного газа находятся в беспорядочном тепловом движении и ударяются о любой участок поверхности, в том числе и о подложку. Степень загрязненности конденсируемой пленки определяется отношением числа молекул остаточного газа, ударяющихся о подложку, к числу молекул испаряемого вещества.

Молекулы остаточного газа, а в основном они являются молекулами воды Н2О, реагируя с напыленным металлом, окисляют его. Тонкий окисный слой, образующийся у поверхности подложки, улучшает адгезию напыляемой пленки к подложке. Поэтому пленки, которые окисляются лучше (хром, железо), имеют лучшую адгезию. Металлы, которые плохо поддаются окислению (золото, серебро), имеют плохую адгезию, и они обычно напыляются с подслоем другого металла, имеющую лучшую адгезию к подложке.

3. Конструкторская часть

3.1 Конструкция прототипа клапана сердца

На основании патента RU 239531 С1 была разработана конструкция прототипа, представленная на рисунок 7.

Рисунок 7 - Прототип клапана сердца

Конструкция состоит из следующих элементов: сшивное кольцо из фтоопласта марки PVDF(ф-2) ; корпуса, первая створка, вторая створка из нержавеющей стали марки 13Х11Н2В2МФ; ось из титана ВТ1-00; основа из пироуглерода.

Принцип действия искусственного клапана сердца. Недостаток их заключается в том, что они подвержены наличию регургитации, то есть обратного тока крови и поэтому не могут считаться идеальными, хотя и имеют ряд преимуществ перед другими. Двустворчатые клапаны, в отличие от шариковых и дисковых, обеспечивают более естественный ток крови, благодаря чему хорошо переносятся пациентами, так как позволяют снизить дозу антикоагулянтов[7].

3.2 Разработанная конструкция клапана сердца

С учетом приведенных недостатков, конструкция искусственного клапана сердца была оптимизирована.

Рисунок 8 - Измененный клапан сердца

Конструкция состоит из следующих элементов: первая, вторая створки ось из пироуглерда марки 1КО202 нанесенного на титан ВТ1-00; основа из титана ВТ1-00; сшивное кольцо из пируглерода[8].

3.3 Конструкция прототипа установки УРМ3.0279.028

Общий вид прототипа установки УРМ3.279.028

Рисунок 9 - Общий вид установки УРМ3.279.028

Процесс проведения операции вакуумного напыления включает в себя выполнение следующих действий. В верхнем положении колпака с подложкодержателя снимают обработанные подложки и устанавливают новые. Колпак опускают и включают систему вакуумных насосов (вначале для предварительного разрежения, затем высоковакуумный). Для ускорения десорбции воздуха с внутренних поверхностей и сокращения времени откачки в трубопровод подают горячую проточную воду. По достижении давления внутри камеры порядка 10-4 Па (контроль по манометру) включают нагреватели испарителя и подложек. По достижении рабочих температур (контроль с помощью термопар) заслонку отводят в сторону и пары вещества достигают подложки, где происходит их конденсация и рост плёнки. Система автоматического контроля заростом плёнки фиксирует либо толщину плёнки (для диэлектрика плёночных конденсаторов), либо поверхностное сопротивление (для резисторов), либо время напыления (проводники и контакты, защитные покрытия). Вырабатываемый при этом сигнал об окончании напыления после усиления воздействует на соленоид заслонки, перекрывая ею поток пара. Далее отключают нагреватели испарителя и подложек, выключают систему откачки, а в трубопровод подают холодную проточную воду. После остывания подколпачных устройств через натекатель плавно впускают атмосферный воздух. Выравнивание давлений внутри и вне колпака даёт возможность поднять его и начать следующий цикл обработки.

Процесс термического вакуумного напыления характеризуется температурой на испарителе t°ис, давлением воздуха в рабочей камере P0, температурой нагрева подложек t°п. Температура нагрева вещества в испарителе (t°ис) должна обеспечивать достаточно высокую интенсивность испарения, чтобы время напыления пленки не превышало 1-2 минут. В то же время чрезмерно высокая интенсивность приводит к образованию мелкозернистой неустойчивой структуры в плёнке, о чём будет сказано ниже.

Интенсивность испарения удобно характеризовать упругостью пара (давлением пара в состоянии насыщения) PS. Упругость пара для данного вещества зависит только от температуры.

Низкое давление воздуха р0 в рабочей камере необходимо для:

- обеспечения свободной диффузии атомов вещества испарителя в объём рабочей камеры;

- прямолинейного движения атомов вещества без столкновения с молекулами остаточного воздуха и бесполезного рассеивания материала в объёме камеры;

- исключения химического взаимодействия напыляемого вещества с молекулами воздуха.

Перечисленные условия обеспечиваются при остаточном давлении р0Ј10-4Па. Такой вакуум сравнительно легко достигается с помощью форвакуумного механического и высоковакуумного диффузионного насосов, включённых последовательно.

Температура подложки в процессе осаждения оказывает существенное влияние на структуру плёнки, а, следовательно, и на стабильность её электрофизических свойств в процессе эксплуатации.

Схема вакуумная пневмоприводная представлена на рисунке 10.

Рисунок 10 - Схема вакуумная пневмоприводная

1- соленоид,2 - верхняя полость пневмоцилиндра,3 - нижняя полость пневмоцилиндра,4 - дроссели,5 - обратный клапан,

6 - ресиверный бак.

3.4 Функциональная схема модернизированной установки

Рисунок 11- Функциональная схема

1- рабочая вакуумная камера, 2-кран напуска воздуха, 3-датчик температуры, 4- датчик измерения вакуума, 5- кольцевая резиновая прокладка, 6 - базавая плита, 7- натекатель для напуска воздуха в камеру, 8 -байпасный клапан, 9 -водянная ловушка, 10- натекатель ,11-силикагелевый филтр, 12- механический насос,13- форвакуумный клапан, 14-клапан ЦФ,15- нагреватель ,16- насос паромаслянный, 17-азотная лавушка ,18- затвор, 19- источник потока наносимых частиц, 20 -поток частиц, 21- подложка, 22- подложкодержатель

3.5 Разработка системы контроля температуры

Модернизация конструкции установки для вакуумного термического напыления представлена на рисунке 12.

Рисунок 12 - Модернизация конструкции установки для вакуумного термического напыления

Процесс проведения операции вакуумного напыления происходить аналогично прототипу установки УРМ3. 279.028, но в этой установке есть недостаток, который заключается в том что, нет контроля температуры на поверхности обрабатываемой детали. Для устранения этого недостатка было внесено изменение конструкции - установлен кронштейн с пирометром, который позволяет измерять температуру на расстоянии непосредственно внутри объеме вакуумной камеры. Введенный контроль позволять регулировать температуру.

4. Расчет части конструкции протеза на прочность

Под надежностью искусственных клапанов сердца понимают вероятность их безотказной работы в организме пациента. Если считать отказом искусственных клапанов сердца любое клапанно - зависимое осложнение, то можно выделить следующие виды отказов: нарушение структуры клапана (износ, разрушение, миграция запирающего элемента, кальциноз, разрыв створки, деформация каркаса); нарушение функции клапана (заклинивание тромбом, паннусом, окружающими тканями или шовным материалом, параклапанная фистула, неправильный выборразмера или ориентации, недостаточность или стеноз); тромбоз; эндокардит; антикоагулянтные кровотечения.

Среди рисков клапанно-зависимых осложнений риск нарушения структуры клапана занимает особое место. По сравнению, например, с тромбоэмболическими осложнениями, последствия нарушения механической функции искусственных клапанов сердца не поддаются медикаментозному лечению и требуют экстренного хирургического вмешательства. Поэтому для разработчиков проблема обеспечения структурной надежности и долговечности протезов клапанов всегда является важнейшей.

Долговечность или ресурс работы искусственных клапанов сердца определяется как время и количество рабочих циклов, при которых клапан безотказно будет выполнять свои функции. В среднем, клапан сердца совершает ежегодно около 4*10^7 рабочих циклов. При этом на элементы протеза клапана сердца воздействуют нагрузки увеличенной в несколько килограмм. С другой стороны, требования гидродинамической эффективности и тромборезистентности накладывают жесткие ограничения на геометрические размеры элементов, определяющих прочность протеза клапана. Кроме того, кровь является достаточно химически активной средой, которая может вызывать коррозию или деградацию материалов протеза. За 50 лет развитие искусственных клапанов сердца разработчики достигли впечатляющих успехов в достижении эффективных компромиссных решений, обеспечивающих долговечность клапанных протезов. Фирмы - производители современных механических клапанов прогнозируют их долговечность, превышающую время жизни человека - более 100 лет.

Для механических искусственных клапанов сердца стандартами установлено требования к ресурсу в количестве (3,8 - 4,0)*10^8 рабочих циклов.

Для двустворчатых клапанов применяется сложная методика испытаний. На клапан - образец, являющейся копией испытуемого клапана, наклеиваются тензометрические датчики для регистрации нагрузок, действующих на него. Клапан - образец помещается в пульсдупликатор, на котором моделируются физиологические условия работы клапана в организме. При работе клапана- образца на пульсдупликаторерегистрируют возникшие нагрузки. Затем клапан - образец устанавливается в устройство для ускоренных испытаний на ресурс и устанавливается режим, при котором на клапане образце создаются нагрузки, адекватные нагрузкам, действующим при испытании его на пульсдупликаторе. При этом регистрируются возникшие перепады давления на клапане - образце.



Рисунок 13 - Принципиальная схема стенда для гидравлических испытаний искусственных клапанов сердца

1 - напорная емкость; 2,3 - испытательные канала; 4 - испытательная камера митрального клапана; 5 - испытательная камера аортариального клапана; 6 - пневмогидроаккумулятор ;7 - аортальный демпфер; 8,9 - мерные трубки обратного перетока; 10 - пульт пневмопривода, 11 - регулятор сопротивления обратной связь

Прочность конструкции

В соответствии с требованиями стандарта ISO 12006-1:1999 протезы клапанов сердца должны проходить следующие прочностные испытания: испытания на отрыв и вырывание пришивной манжеты; испытание крутящего момента для поворачиваемых клапанов; испытания статическим давлением; испытание на деформацию.

Прочностным испытаниям подвергаются не менее трех протезов клапанов сердца с наибольшим, средним и наименьшим посадочными диаметрами и не менее одного клапана каждого промежуточного размера. Стандарт не регламентирует ни точной методики испытаний, ни количественных значений. Выборрежимов испытаний и определение допустимых величин измеряемых параметров производится изготовителем с учетом мирового опыта производства протезов клапанов сердца.

Проведение прочностных испытаний особенно важно для механических протезов клапанов сердца, изготавливаемых из изотропного пиролитического углерода. Этот материал обладает отличной износостойкостью и биологической инертностью, однако при этом характеризуется хрупкостью. В связи с этим,предъявляются особые требования к проектированию, изготовлению и контролю клапанов из пиролитического углерода.

Предел прочности изотропного пиролитического углерода является случайной величиной с нормальным законом распределения.

Рисунок 14 -распределение предела прочности на изгиб изотропного пиролитического углерода

Коэффициент вариации предела прочности составляет около 20% при среднем значении предела прочности 337 МПа.

Кроме давления крови, на клапан также действуют нагрузки в диаметральном направлении окружающими тканями. Под их воздействием происходит деформация корпуса клапана, что может привести к заклиниванию и вылету створок. В связи с этим, для механических клапанов необходимо проводить испытания на величину деформации. При этом к протезу клапана сердца в диаметральном положении прикладывается нагрузка, равная 10 Н, и замеряется диаметральная деформация корпуса. Величина деформации не должна допускать заклинивание или вылет створок. Величину деформации можно уменьшить за счет изменения параметров упрочняющего металлического кольца вокруг корпуса.

Примерный расчет на запас прочности

Запас прочности клапана определяется как соотношениевеличины нагрузки, при которой происходит разрушение, к максимально возможной прилагаемой нагрузке в реальных условия. В частности, при моделировании работы клапана в организме человека максимально возможная нагрузка определяется как максимальная физиологическая нагрузка с учетом динамического фактора.рассчитать максимально возможную нагрузку на закрытый клапан можно по следующей формуле:

Fn=133,3*?P*S*Ko, (1)

где ?P - максимально возможный градиент давления на закрытом клапане (200 мм.рт.ст.)

S- площадь поверхности запирающих элементов, обращенной к обратному потоку крови (0,0004 м^2)

Ко - динамический фактор, который определяется экспериментально для каждой модели клапана.

Подставим свои значения в формулу (1):

Fn=133,3*200*0,0004*2= 21,328

Определить, наступает или нет разрушение при заданных нагрузках, можно на основании какого-либо критерия разрушения, такого как критерий максимальных деформаций, критерий максимальных напряжений, критерий Мизиса. Для изотропного пиролитического углерода часто применяется критерий максимальных главных напряжений.

Величина критерия разрушения во многих случаях прямо пропорциональна величине прикладываемых нагрузок. Выбираем критерий разрушения равный 1. эта величина используется при определении теоретического запаса прочности изделия, который вычисляется по формуле:

К = Fразр/Fн, (2)

где Fразр - нагрузка, при которой критерий разрушения равен 1;

Fн - максимально возможная физиологическая нагрузка на клапане

Подставим свои значения в формулу (2):

К =30/21,328=1,4

Из теоретических расчетов видно, что клапан является достаточно прочным, и может прослужить длительный срок[8].

5. Разработка маршрутной технологии

Изготовления искусственного клапана сердца приведен на рисунке 15.

Рисунок 15 - Основа

Разработана маршрутная технология изготовления основы искусственного клапана сердцакоторая представлена в таблице 4.

Таблица 4.Маршрутная технология изготовления

№ операции	Название	Оборудование
00	Заготовительная
01	резка заготовок	Гильотина, отрезной станок
02	Сверлильная	Сверлильный станок мод.2Н135
03	Нагрев заготовок	Печь вакуумная
04	Штамповочная	Штамповочный пресс с двухрамной станиной
05	Термическая	Печь вакумная
06	Химическое полирование в электролите	оборудование для химической полировки
07	Промывочная	УЗ ванна
08	Напыление	Плазматрон
09	упаковка
08	Контроль качества покрытий

разработана операция технология на операцию 08 напыление.

Деталь полируется, удаляются ярко выраженные неровности поверхности. Схема обработки представлена на рисунке 16.

Рисунок 16 - Схема электрополировки деталей

Электролит:

режимы обработки:

1. Температура 70 - 90С ;

2. Плотность тока 7 - 25 А/дм2;

3. Напряжение 12 - 30 В ;

4. Продолжительность 5 минут.

Определяем время операционное:

Где:

1. То - время собственно обработки, ;

2. Твсп- время вспомогательное на операцию ( снятие и установка деталей, сушка), Твсп= 3 мин.

Оборудование: плазматрон .

Состав электролита: на основе водного раствора нитрата натрия, хлористого натрия и бромистого водорода дополнительно введена добавка моющего средства "Грин Юниклин 1223-01" при следующем соотношении компонентов, мас.%:Азотнокислый натрий - 15.Хлористый натрий - 2,5-3,0.Бромистый калий - 1,0-2,0.Моющее средство"ГринЮниклин 1223-01" - 0,1-0,5Вода - Остальное.

Рабочие переходы:

1.Установить(снять) деталь в ванну с электролитом-2минуты

2.Полировка -10минут

Топер = Твсп+Тосн

Топер = 2+10=12мин[9].

6. Экспериментальная часть

6.1 Прочность при расслоении фторсодержащей резины и политетрафторэтилена

В разделе предлагается способ повышения адгезионной прочности при расслоении фторсодержащей резины и политетрафторэтилена.

Уникальный комплекс свойств фторполимеров определяет их широкое использование в технике и медицине. Из них получают агрессивостойкие и биоинертные шланги, артерии, уплотнители, протезы. Изделия из фторполимеров обладают значительным комплексом свойств по твердости, плотности, прочности, эластичности, каркасности, изгибоустойчивости. Изделия из фторполимеров используют как комплектующие детали, т.к. они обладают низкой набухаемостью в растительных маслах, углеводородах, спиртах, кислотах. В сборных конструкциях из эластичной резины и каркасного термопласта обычно используются фторсодержащие сополимеры на основе ТФЭ (тетрафторэтилен), ГФП (гексафторпропилен) и ВФ (винилиденфторид), а также композиты на их основе [1…3].

Целью настоящего исследования является определение адгезионной прочности при расслоении фторсодержащей резины и политетрафторэтилена.

В качестве объектов исследования использовались фторсодержащая резина 420-264B/5 на основе СКФ-264B/5 перекисной вулканизации и Ф4С25 на основе ПТФЭ, содержащий 25 масс. % стекловолокна. Данное сочетание материалов обычно используется в уплотнителях вращающихся валов.

ПТФЭ вследствие особенностей химического строения инертен, имеет высокую термостабильность, однако обладает низкой адгезией к большинству материалов. Для повышения адгезии ПТФЭ к фторсодержащей резине используются химические и физические методы обработки поверхности ПТФЭ. Химическую модификацию поверхности Ф4С25 осуществляли, погружая образцы в натрий-нафталиновый комплекс в тетрагидрофуране. В качестве дополнительного модификатора стекловолокна использовали 3-аминопропилтриэтоксисилан (АГМ-9). Для фторсодержащей резины в качестве физических методов модификации поверхности применялась обработка резины ИК-лазером и нанесение тонкой пленки алюминия магнетронным и термическим нанесением в вакууме.

Термическое нанесение алюминия осуществлялось на установке вакуумного напыления УрМ 3.279.028. Данная установка оснащена системой нагрева испаряемого материала за счет бомбардировки тигля с веществом электронами эмитируемым вольфрамовым катодом. Такая схема нагрева обеспечивает высокую равномерность температуры расплава металла и плавность регулировки скорости распыления [4, 5]. В механической части камеры для распыления металлов предусмотрена заслонка. В момент нагрева тигля до температуры плавления металла заслонка находится в закрытом состоянии, что предотвращает попадание легкоплавких примесей и загрязнении и окислов, содержащихся на поверхности металла, на подложку.

На рисунке 17, представлены изображения атомно-силовой микроскопии (АСМ) образцов резины с магнетронным и термическим нанесением пленки алюминия.

Исходя из проведенного анализа изображений АСМ можно сделать вывод, что применение в качестве физических методов модификации поверхности обработки фторсодержащей резины 420-264В/5 нанесение тонкой пленки алюминия термическим нанесением позволяет уменьшить параметры шероховатости. Исходная шероховатость не обработанной резины составляет порядка 30 нм, при термическом напылении равна 24 нм.

Для оценки прочности адгезионного взаимодействия определялось усилие, необходимое для разделения слоев резины 420-264В/5 и Ф4С25.

Анализ результатов табл. 5 показывает удовлетворительную адгезионную прочность при расслоении модифицированных образцов ПТФЭ к резине. Существенно (в 10-12 раз) увеличивается этот показатель при использовании химически модифицированного ПТФЭ.

Прочность при расслоении «резина-Ф4С25» после химической обработки Ф4C25 превышает значение данного показателя образцов с не модифицированным Ф4C25 как за счет дефторирования поверхности фторопласта, так и за счет гидрофобизации поверхности стекла аминосиланом. АГМ-9, как бифункциональное соединение, обеспечивает химическое взаимодействие между матрицей резины (каучуком) и ПТФЭ марки Ф4С25.

Рисунок 17 -АСМ объектов исследования:

а - 2D изображение фторсодержащей резины; б - 2D изображение фторсодержащей резины с пленкой алюминия, нанесенной магнетронным методом; в - 2D изображение фторсодержащей резины с пленкой алюминия, полученной термическим напылением; г - 3D изображение фторсодержащей резин; д - 3D изображение фторсодержащей резины пленкой алюминия, нанесенной магнетронным методом; е - 3D изображение фторсодержащей резины с пленкой алюминия, полученной термическим напылением.

Таблица 5. - Прочность при расслоении «резина - Ф4С25»

№	резина 420-264В/5	Прочность при расслоении, Н/см
		Ф4С25
		немодифицированные	химическая модификация
1	исх.	-	20,7
2	+ алюминий (термораспыл)	2,1	23,4

Примечание: «-» значение прочности при расслоении менее 1 Н/см.

На основе проделанной работы можно сделать следующие выводы:

1) определена адгезионная прочность при расслоении фторсодержащей резины 420-264В/5 на основе СКФ-264В/5 и композита Ф4С25 на основе ПТФЭ, содержащего 25 масс. % стекловолокна,

2) показано возрастание прочности адгезии при расслоении дополнительной обработкой фторсодержащей резины ИК-излучением, термонапылением алюминия.

6.2 Спектральные характеристики взаимодействия фторсодержащей резины и алюминия

В разделе предложена интерпретация спектральных проявлений взаимодействия фторсодержащей резины и алюминия.В продолжение исследований по увеличению адгезионной прочности при расслоении сборных конструкций из эластичной фторсодержащей резины и каркасного политетрафторэтилена нами предпринята попытка модификации поверхности резины различными физико-химическими методами.

Целью настоящего исследования является анализ спектральных проявлений взаимодействия фторсодержащей резины и алюминия.

В качестве объектов исследования использовались фторсодержащая резина 420-264В/5 на основе СКФ-264В/5 перекисной вулканизации и алюминий.

Для фторсодержащей резины 420-264В/5 в качестве физико-химических методов модификации поверхности применялась обработка резины ИК-лазером и нанесение тонкой пленки алюминия магнетронным и термическим нанесением в вакууме.

Обычно при обработке поверхности ПТФЭ раствором Na-нафталинового комплекса происходит дефторирование полимерной цепи и образование двойных связей в макромолекуле ПТФЭ, что подтверждается появлением в ИК-спектре полос поглощения (нs= 1592,0 см-1,нas= 1417,7 см-1), соответствующих валентным колебаниям связи С=С фрагмента (F)С=С полимера [1…3].

ИК-спектры многократного НПВО снимали на ИК-Фурье спектрометре Nicolet 6700 (фирма «ThermoScientific», USA).

Более детальный ИК спектрометрический анализ поверхности резины после термораспыла алюминия в области частот 1700…650 см-1 подтверждает дефторирование полимерной цепи фторполимера косвенным образованием фторида алюминия AlF3, рис. 2.

Рисунок 18 - ИК спектры отражения исследованных образцов резины: 1 - исходная, 2 - после термораспыла алюминия

В образце резины после термораспыла алюминия возникают полосы колебаний при 1180,9 и 880,8 см-1, увеличивается интенсивность полос 943,4, 925,7, 794,6 и 772,6 см-1, а также появляется плечо при 713,3 см-1. В ИК спектрахAlF3, согласно литературным данным [4], имеются полосы поглощения в интервале 655…750 см-1. Так, например, деконволюция широкой полосы поглощения с максимумом при 670 см-1 даёт шесть чётко разделённых полос с максимумами 539, 608, 666, 743, 860 и 977 см-1. Таким образом, мы соотносим появившиеся в ИК спектре образца резины после термораспыла алюминия полосы поглощения при 713,3 и 880,8 см-1, а также, по-видимому, и при 1180,9 см-1 с колебаниями фторида алюминия, а соответствующие смещения полос относительно описанного в литературе аморфного образца фторида алюминия с влиянием полимерной матрицы.

Рисунок 19 - Дифрактограмма образца резины после термораспыла алюминия, в таблице цифрой «1» обозначена фаза AlF, карточка № 44-231, цифрой «2» обозначена фаза Al, карточка № 85-1327.

На основе проделанной работы можно сделать следующие выводы:

1) при обработке фторсодержащей резины ИК-излучениемпроисходит дефторирование и дегидрофторирование полимерной цепи с образованием двойных связей в макромолекуле каучука,

2) при магнетронном и термонанесении алюминия на поверхность фторсодержащей резины происходит образование AlF3, что подтверждается методами ИК-спектроскопии и рентгенофазового анализа.

6.3 Модификация поверхности фторсодержащей резины

Одной из актуальных задач сборки композиционных материалов на основе фторполимеров является повышение адгезионной прочности при их склеивании. В решении этой задачи существенную роль может сыграть направленный синтез на поверхности фторсодержащей резины ненасыщенных структур.

В литературе описаны различные методы формирования и направленного модифицированного слоя органического и неорганического происхождения под воздействием градиентов электрического поля, различных значениях pH, температуры и др. [1]. Несмотря на значительные успехи в области изучения модификации поверхности фторполимеров, механизмы формирования и роста отдельных видов кристаллов, в частности кристаллов фтористого алюминия, нуждаются в дальнейшем изучении.

Целью данного исследования является описание физических механизмов самопроизвольного формирования и роста кристаллов фтористого алюминия на поверхности фторсодержащей резины.

В качестве объектов исследования использовались фторсодержащая резина 420-264В/5 на основе СКФ-264В/5 перекисной вулканизации и алюминий.

Термическое нанесение алюминия осуществлялось на установке вакуумного напыления УрМ 3.279.028. Данная установка оснащена системой нагрева испаряемого материала за счет бомбардировки тигля с веществом электронами эмитируемым вольфрамовым катодом. Такая схема нагрева обеспечивает высокую равномерность температуры расплава металла и плавность регулировки скорости распыления. В механической части камеры для распыления металлов предусмотрена заслонка. В момент нагрева тигля до температуры плавления металла заслонка находится в закрытом состоянии, что предотвращает попадание легкоплавких примесей, загрязнении и окислов, содержащихся на поверхности металла, на подложку. Толщина металлического слоя нанесенного на резиновую основу составляет порядка 0,35 мкм.рост слоя металла на подложке происходит при осаждении отдельных атомов металла, что способствует хорошей заполняемости пористой поверхности резинового основания. Кроме этого атомы металла, испаряемые из тигля, обладают существенной кинетической энергией, обусловленной высокой температурой расплава и разрежением в рабочем объеме установки, обеспечивающем большую длину свободного пробега. Остаточное давление газов в рабочем объеме установки при напылении порядка 5Ч10-3 Па. Высокая энергия частиц металла осаждаемого на резиновую основу может способствовать процессам адсорбции и активации химических взаимодействий основы и напыляемого покрытия.

Исследования проводили с использованием аналитического комплекса на базе растрового электронного микроскопа (рЭМ) высокого разрешения SEM MiraIILMU (Tescan) с системой энергодисперсионного анализа EDXINCAENERGY 350 (OxfordInstruments), используемого нами для локального химического элементного анализа и изучения морфологии. Изучение морфологии, рис.1, проводилось в режиме детектирования вторичных электронов, которые наиболее чувствительны к рельефу поверхности. Информация о рельефе собирается на основе анализа состояния приповерхностной зоны генерации вторичных электронов. Химический элементный состав кристаллов на поверхности резины определялся с помощью энергодисперсионной системы микроанализа, табл.6.



Рисунок 20 - РЭМ изображение морфологии поверхности образцов фторсодержащей резины, полученные при ускоряющем напряжении HV = 15 кВ, увеличение 1000х

Анализируя характер распределения химических элементов, можно сделать вывод, что поверхность фторсодержащей резины после напыления алюминия формируют, в основном, углерод, алюминий, фтор и кислород. Необходимо указать, что используемый в экспериментах растровый электронный микроскоп не позволяет детектировать водород, входящий в структуру фторсодержащей резины.

клапан механический сердце протез

6.4 Разработка конструкции протеза клапана сердца

В настоящее время примерно 300 000 больным в мире ежегодно вставляют протез клапана сердца (ПКС), заменяющий естественный, поврежденный либо вследствие инфекционных болезней, либо вследствие процесса старения. В случае необходимости замены клапана сердца, очень важным является выбор имплантата и его надежность.

ПКС в функциональном отношении должен заменять естественные образования, для коррекции которых он используется. В задачу протезирования клапанов сердца и их элементов входит создание протезов, обеспечивающих функциональную состоятельность при исключительно высокой надежности и цикличности.

Конструкция ПКС должна иметь следующие характеристики: 1) полностью исключать выпадение створок за счет выполнения ограничителей, 2) обеспечивать высокую эффективность проходного сечения клапана, практически не оказывая сопротивления потоку в открытом положении створок, 3) исключать образование застойных зон крови, 4) значительно снижать фактортромбообразования за счет используемых биоинертных материалов (пироуглерод и фторопласт), 5) иметь высокую надежность и долговечность, хорошую совместимость с естественными тканями.

С учетом приведенных требований был сконструирован ПКС, состоящий из биоинертных материалов: пироуглерода [1] и ПТФЭ (политетрафторэтилена) с внутренним резиновым кольцом, для обеспечения простоты фиксации манжеты, рисунок 27.

Рисунок 21 - ПКС и структура материалов конструкция ПКС:

1 - манжета из нитей ПТФЭ, 2 - резиновое кольцо, 3 - корпус из пироуглерода, 4 - створки клапана из пироуглерода;

Пироуглерод имеет однородную структуру, с пористостью 17...20 %. Манжета состоит из плотно сплетенных нитей ПТФЭ со средним диаметром 12…17 мкм. Применение данных материалов в конструкции клапана, позволяет: 1) увеличить срок службы (за счет использования износостойких материалов), 2) снизить риск тромбообразования (за счет использования пироуглерода и ПТФЭ), 3) увеличить эффективность установки клапана при хирургической операции за счет применения армирующего резинового жгута. Спроектированная конструкция ПКС является простой в изготовлении и установке.

7. Правила безопасной работы на установки вакуумного напыления

Одной из основных характеристик любого устройства, прибора или механизма, является его безопасность для человека. Поэтому важным пунктом дипломной работы является оценка безопасности разрабатываемого устройства. В процессе труда человек вступает во взаимодействие с различными предметами, другими людьми. Кроме этого на него воздействуют параметры производственной обстановки (температура, влажность, подвижность воздуха, шум и т.д.). От условий труда в большой степени зависят здоровье и работоспособность человека. При неблагоприятных условиях резко снижается производительность, и создаются предпосылки для возникновения травматизма и профессиональных заболеваний. В соответствии с системой стандартов безопасности труда (ССБТ) различаются опасные и вредные факторы, но выделения их в отдельные группы не производят. К определяющим признакам опасных и вредных факторов относятся: возможность непосредственного отрицательного воздействия на организм человека; затруднения нормального функционирования органов человека; возможность нарушения нормального состояния элементов производственного процесса, в результате которого могут возникнуть аварии, взрывы, пожары, травмы.

7.1 Анализ опасных и вредных факторов на участке вакуумного напыления

клапан механический сердце протез

Производственный фактор называется опасным, если его воздействие на работающего в определенных условиях приводит к травматизму или другому резкому ухудшению здоровья человека в предельно короткий срок. Если же производственный фактор приводит к снижению работоспособности и как следствие, к заболеванию, то его считают вредным. ГОСТ 12.0.002.- 80.

ГОСТ 12.0.003 - 74 содержит классификацию элементов условий труда, выступающих в роли опасных и вредных производственных факторов. Они подразделяются на 4 группы:

- физические;

- химические;

- биологические;

- психофизические.

В таблице 7 приведены опасные и вредные факторы, влияющие на работников на участке вакуумного напыления

Таблица 7. Опасные и вредные факторы на участке вакуумного напыления

ФАКТОрЫ	ДЕЙСТВИЕ НА ЧЕЛОВЕКА
1. Высокое напряжение тока в электросети	Электротравмы (ожоги, металлизация кожи, электрические знаки, механические повреждения, электроофтальмия, электрические удары и т.д.)
2. Неоптимальные метеорологические условия	Нарушение терморегуляции (к перегреву либо к переохлаждению организма и как следствие кпотери трудоспособности, быстрой утомляемости, потери сознания и тепловой смерти.)
3. Нерациональное освещение	Нарушение зрительной функции (ухудшения: остроты зрения, контрастной чувствительности, скорости зрительного восприятия, устойчивости ясного видения, способности глаза четко распознавать предметы), снижение работоспособности
4.Неудобная рабочая поза	Патологическое изменение опорно-двигательного аппарата (грыжи, дисциты, остеохондрозы, гипертония, варикозное расширение вен и т. п.), снижение работоспособности

7.2 Обеспечение электробезопасности в помещении для работы с установкой для вакуумного напыления

Эксплуатация большинства приборов связана с применением электрической энергии. Электрический ток, проходя через организм, оказывает термическое, электролитическое и биологическое действие, вызывая местные и общие электротравмы.

В установке для вакуумного напыления используется напряжение 380 В опасное для человека, но при эксплуатации установка является относительно безопасным, т.к. все его элементы, находящиеся под напряжением изолированы, а высоковольтный блок закрыт защитным кожухом. Таким образом, опасность может возникнуть только при ремонте и техническом обслуживании в случае несоблюдения правил техники безопасности.

Помещение участка установки для вакуумного напыления относится согласно ПУЭ к классу помещения без повышенной опасности, т.е. здесь отсутствуют условия, создающие «повышенную опасность» или «особую опасность».

Во избежание поражения людей электрическим током розетки, которыми пользуются для включения электроприборов согласно ГОСТ 12.1.030-81, заземлены. Все токоведущие провода надежно изолированы, проводятся регулярные проверки изоляции в сетях и потребителях тока. Конструкции электроустановок соответствуют условиям их эксплуатации, и обеспечивают защиту персонала от соприкосновения с токоведущими частями, а оборудования - от попадания внутрь посторонних тел и воды.

Расчет заземления

Заземляющее устройство в виде П - образного контура вокруг здания. Отдельные заземлители представляют собой стальные стержни диаметром =2,5 cм и длиной 2,5 м = 250 см, забитые на глубину = 2м.

Сопротивление растеканию тока отдельного стержня найдем по формуле:

(32)

где 2*104- удельное сопротивление песчаного грунта.

.

Все заземлители соединяются стальной полосой сечением 4 x 0,5 см на глубине =0,5 м = 50 см. Длина полосы = 60 м = 6000 см, тогда сопротивление растеканию тока у полосы составит:

(33)

Проектированием предусматривается забивка n=20 стержней, тогда их общее сопротивление растеканию тока составит:

Учитывая коэффициент использования, имеем:

Сопротивление всего контура:

(34)

Согласно правилам установки электрооборудования сопротивление заземляющего устройства должно быть не более 4 Ом.

В помещениях и наружных установках с неагрессивной средой в местах, доступных для осмотра и ремонта, допускается использование болтовых соединений заземляющих и нулевых защитных проводников при условии, что будут приняты меры против их ослабления и коррозии контактных поверхностей.

Рисунок 22 - Крепление заземляющих проводников дюбелями непосредственно к стене (а) и с подкладкой (б)

7.3 Меры защиты от воздействия электрическим током

Основными причинами воздействия тока на человека являются: случайное прикосновение или приближение на опасное расстояние к токоведущим частям, находящимися под напряжением, отключенным токоведущим частям, на которых остался заряд или появилось напряжение в результате случайного включения в сеть, к нетоковедущим частям, выполненным из проводящего электрический ток материала, после перехода на них напряжения с токоведущих частей, появление напряжения на металлических частях оборудования врезультате повреждения изоляции или ошибочных действий персонала; шаговое напряжение на поверхности Земли в результате замыкания провода и др.

Основные меры защиты от поражения током: изоляция; недоступность токоведущих частей; электрическое разделение сети с помощью специальных разделяющих трансформаторов; применение малого напряжения (не выше 42 В., а в особо опасных помещениях - 12 В); использование двойной (рабочей и дополнительной) изоляции; выравнивание потенциала; защитное заземление и зануление; защитное отключение; применение специальных электрозащитных устройств; организация безопасной эксплуатации электроустановок.

Основным методом защиты от статического электричества является заземление электропроводных частей технологического оборудования для отвода в землю образующихся зарядов статического электричества. Для этой цели можно использовать обычное защитное заземление, предназначенное для защиты от поражения электрическим током.

7.4 Разработка мероприятий по устранению или уменьшению воздействия опасных и вредных факторов при вакуумном напылении

Разработка мероприятий направленных на обеспечение безопасности труда работника является важной задачей при проектировании технических устройств и технологических процессов. Вредные и опасные факторы (недостаточная освещённость, неудобная рабочая поза, неоптимальные температурные условия), влияние которых на работника может происходить на участке диагностирования, требуют разработки мер по снижению их влияния.

7.5 Организация рабочих мест в помещении для вакуумного напыления

Состояние рабочих мест, их организация напрямую определяют уровень организации труда на предприятии, кроме этого организация рабочего места непосредственно формирует обстановку, в которой постоянно находится работник на производстве, что влияет на его самочувствие, настроение, работоспособность и, в конечном итоге, на производительность труда.

Для каждого рабочего места устанавливается характерное сочетание признаков, определяемых отраслевой принадлежностью, видом и типом производства, функциями и профессией работника, степенью механизации или автоматизации труда, уровнем специализации, исходя из особенностей труда, производится организация рабочего места, его техническое оснащение и обслуживание. Определение уровня проводят в ходе аттестации рабочих мест, на основании которой принимаются управленческие решения о целесообразности использования или ликвидации рабочего места; об улучшении или совершенствовании условий труда.

Существует четыре группы условий труда: социально-гигиенические, физиологические, психологические, эстетические.

К первой группе относится состояние воздуха, шум, вибрация, излучения, освещенность рабочих мест и т.п. Их параметры легко формируются на основе стандартов санитарных служб. Во вторую группу входят нагрузки на организм, возникающие в процессе трудовой деятельности, в том числе связанные с использованием машин и оборудования. Здесь можно нормировать лишь степень тяжести и монотонности работы. Третью группу составляют такие элементы, как морально-психологический климат и характер взаимоотношений между членами коллектива. Четвертую группу образует интерьер производственных помещений, предметная среда, эргономические требования к оборудованию. Условия труда, представленные третьей и четвертой группами, не поддаются количественному описанию, а поэтому и не могут нормироваться; здесь возможно высказывать лишь качественные рекомендации общего плана.

7.6 Разработка освещения на участке для вакуумного напыления

Недостаточное освещение в помещении, неправильное расположение светильников и т.д. приводит к повышенному напряжению органов зрения, а при длительном выполнении работ в плохо освещенных помещениях и к ухудшению зрения. Правильно спроектированное и выполненное освещение на предприятиях машиностроительной промышленности обеспечивает возможность нормальной производственной деятельности. Сохранность зрения человека, состояние его центральной нервной системы и безопасность на производстве в значительной мере зависят от условий освещения. От освещения зависят также производительность труда и качество выпускаемой продукции.