醫(yī)用氧艙有機(jī)玻璃銀紋產(chǎn)生機(jī)理及預(yù)防措施

胡衛(wèi)朋

桂林市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所廣西 桂林 541004

0 前言

有機(jī)玻璃即聚甲基丙烯酸甲酯[1]，是一種輕型的透明材料，強(qiáng)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(jī)、醫(yī)用氧艙等常用的一種有機(jī)透明型材料。有機(jī)玻璃表面銀紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展不僅降低了其光學(xué)透明度，更重要的是它會迅速降低材料的強(qiáng)度[3]，由于銀紋局部應(yīng)力的產(chǎn)生[4]，可能引起醫(yī)用氧艙有機(jī)玻璃的損傷破裂或爆炸，造成惡性事故。關(guān)于醫(yī)用氧艙有機(jī)玻璃失效的成因，很多人認(rèn)為是疲勞引起的[5]，所以在制定檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)時都限定了醫(yī)用氧艙有機(jī)玻璃的使用年限和升、降壓次數(shù)[6]。筆者根據(jù)多年進(jìn)行醫(yī)用氧艙定期檢驗(yàn)的經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)，許多醫(yī)用氧艙有機(jī)玻璃在循環(huán)次數(shù)極低或使用時間很短時就有銀紋出現(xiàn)，尤其是嬰兒氧艙有機(jī)玻璃艙體情況更嚴(yán)重，由此產(chǎn)生的后果，一個是使用單位不得不頻繁更換有機(jī)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(jī)玻璃破裂爆炸，造成惡性事故。

1 銀紋產(chǎn)生機(jī)理

有機(jī)玻璃銀紋與金屬的應(yīng)力腐蝕裂紋形成機(jī)理一致，在此將其叫做環(huán)境—應(yīng)力腐蝕銀紋。金屬壓力、容器應(yīng)力腐蝕開裂最重要的兩個因素是：一定的拉應(yīng)力和特定的腐蝕介質(zhì)[7]。對于醫(yī)用氧艙有機(jī)玻璃來說，其在使用中本身承受艙體內(nèi)介質(zhì)的內(nèi)壓力，同時還可能承受因裝配不均產(chǎn)生的局部附加應(yīng)力，這是其產(chǎn)生環(huán)境—應(yīng)力腐蝕銀紋的一個必要條件；另一個必要條件是環(huán)境因素，醫(yī)用氧艙有機(jī)玻璃工作的環(huán)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(jìn)行紫外線消毒時保護(hù)不力造成；水主要是由于平時擦拭有機(jī)玻璃時抹布過于潮濕，或是艙內(nèi)人員呼吸時產(chǎn)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(hù)人員消毒時所用的材料（如各種有機(jī)溶劑等）。這些環(huán)境因素單一存在時對有機(jī)玻璃有一定的影響，但實(shí)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(yīng)力對有機(jī)玻璃銀紋產(chǎn)生的影響

醫(yī)用氧艙在工作時由于本身受內(nèi)壓，會在有機(jī)玻璃上產(chǎn)生拉應(yīng)力，同時，有機(jī)玻璃可能還存在雜質(zhì)、氣泡、表面劃傷以及螺栓孔等引起的應(yīng)力集中，以及裝配不均等因素產(chǎn)生的局部附加應(yīng)力，局部附加應(yīng)力與內(nèi)壓產(chǎn)生的拉應(yīng)力疊加產(chǎn)生復(fù)合拉應(yīng)力，應(yīng)力集中或者復(fù)合拉應(yīng)力值可能是內(nèi)壓產(chǎn)生拉應(yīng)力的數(shù)倍。有機(jī)玻璃本身有一定的脆性，當(dāng)應(yīng)力集中或復(fù)合拉應(yīng)力值超過有機(jī)玻璃銀紋臨界應(yīng)力時，就會產(chǎn)生有機(jī)玻璃銀紋。

1.2 水—溶劑對有機(jī)玻璃銀紋產(chǎn)生的影響

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

圖1 臨界應(yīng)力σc隨吸水率的變化

1.3 紫外線對有機(jī)玻璃銀紋產(chǎn)生的影響

紫外線對有機(jī)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(jī)玻璃的老化。紫外線對有機(jī)玻璃的老化機(jī)理是光化學(xué)反應(yīng)[9]，即該波長范圍的紫外線所具有的能量正好是組成有機(jī)玻璃材料分子之間的鍵能，有機(jī)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(yī)用氧艙有機(jī)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(jī)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(jī)玻璃銀紋臨界應(yīng)力的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)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(nèi)， 迅速降低，但逐漸趨于平衡值，這種現(xiàn)象可能是分子的支化和輕度交聯(lián)引起的。

1.4 水—溶劑、紫外線、應(yīng)力循環(huán)作用對有機(jī)玻璃的影響

醫(yī)用氧艙有機(jī)玻璃工作時，水—溶劑、紫外光、應(yīng)力等諸多因素同時存在，并且不斷地進(jìn)行升、降壓循環(huán)，這些因素綜合作用，對銀紋的產(chǎn)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(xiàn)了大面積的有機(jī)玻璃銀紋。有機(jī)玻璃吸水后表層被塑化，銀紋臨界應(yīng)力降低，吸水后的有機(jī)玻璃表面水分揮發(fā)快，里層水分揮發(fā)慢，表面水分揮發(fā)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(yīng)力狀態(tài)，其與正常工作時的拉應(yīng)力疊加產(chǎn)生一個更大的拉應(yīng)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(huán)境—應(yīng)力腐蝕銀紋的能力進(jìn)一步下降，并且在氧艙不斷的升、降壓循環(huán)中，原先形成的細(xì)小銀紋還會不斷擴(kuò)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(jī)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(jìn)一步塑化，很快就會出現(xiàn)宏觀可見的亮白色的銀紋，或者發(fā)生破裂爆炸，導(dǎo)致惡性事故的發(fā)生。

圖2 臨界應(yīng)力σc紫外線光照時間的變化

2 預(yù)防措施

有機(jī)玻璃銀紋的產(chǎn)生，是由水—溶劑、紫外光、應(yīng)力共同作用的結(jié)果，再加上不斷的升、降壓循環(huán)，細(xì)小銀紋或組織缺陷就會不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致有機(jī)玻璃的迅速失效，若能延緩有機(jī)玻璃銀紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展速度，在銀紋擴(kuò)展釀成事故之前發(fā)現(xiàn)它，就能提高醫(yī)用氧艙運(yùn)行的安全系數(shù)，降低氧艙的運(yùn)行維護(hù)成本?？紤]到有機(jī)玻璃發(fā)生環(huán)境一應(yīng)力腐蝕時銀紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展的速度，只要破壞其發(fā)生環(huán)境—應(yīng)力腐蝕的條件，就能控制或延緩有機(jī)玻璃銀紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。由此提出以下預(yù)防措施：

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

（2）消毒時用的消毒液盡量采用不含有機(jī)溶劑的藥劑。

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

（4）防止有機(jī)玻璃表面劃傷，發(fā)現(xiàn)表面有劃傷痕跡時，采用研磨等方法去除。

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

3 小結(jié)

在構(gòu)成其應(yīng)力腐蝕開裂的各作用要素當(dāng)中，紫外光、水—溶劑、表面劃傷及裝配應(yīng)力是可以通過采取措施予以防止或減小的，只要在醫(yī)用氧艙制造安裝、維護(hù)保養(yǎng)、定期檢驗(yàn)中加以注意，就能夠防止、延緩或者及時發(fā)現(xiàn)有機(jī)玻璃產(chǎn)生的銀紋，杜絕因有機(jī)玻璃銀紋的快速發(fā)展而造成的嚴(yán)重事故。

[1]國家質(zhì)檢總局,國家標(biāo)準(zhǔn)化委員會.GB/T7134-2008,澆鑄型工業(yè)有機(jī)玻璃板材[S].2008.

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