医用氧舱有机玻璃银纹产生机理及预防措施

胡卫朋

桂林市特种设备监督检验所广西 桂林 541004

0 前言

有机玻璃即聚甲基丙烯酸甲酯[1]，是一种轻型的透明材料，强度较高，抗拉伸和抗冲击的能力比普通玻璃高7～18倍[2]，是飞机、医用氧舱等常用的一种有机透明型材料。有机玻璃表面银纹的产生和扩展不仅降低了其光学透明度，更重要的是它会迅速降低材料的强度[3]，由于银纹局部应力的产生[4]，可能引起医用氧舱有机玻璃的损伤破裂或爆炸，造成恶性事故。关于医用氧舱有机玻璃失效的成因，很多人认为是疲劳引起的[5]，所以在制定检验标准时都限定了医用氧舱有机玻璃的使用年限和升、降压次数[6]。笔者根据多年进行医用氧舱定期检验的经历发现，许多医用氧舱有机玻璃在循环次数极低或使用时间很短时就有银纹出现，尤其是婴儿氧舱有机玻璃舱体情况更严重，由此产生的后果，一个是使用单位不得不频繁更换有机玻璃，这给氧舱使用单位增添了不少麻烦，另一个后果是引起有机玻璃破裂爆炸，造成恶性事故。

1 银纹产生机理

有机玻璃银纹与金属的应力腐蚀裂纹形成机理一致，在此将其叫做环境—应力腐蚀银纹。金属压力、容器应力腐蚀开裂最重要的两个因素是：一定的拉应力和特定的腐蚀介质[7]。对于医用氧舱有机玻璃来说，其在使用中本身承受舱体内介质的内压力，同时还可能承受因装配不均产生的局部附加应力，这是其产生环境—应力腐蚀银纹的一个必要条件；另一个必要条件是环境因素，医用氧舱有机玻璃工作的环境因素主要包括紫外光、水—溶剂（如水或醇类等）。紫外线主要是由于太阳光辐照或进行紫外线消毒时保护不力造成；水主要是由于平时擦拭有机玻璃时抹布过于潮湿，或是舱内人员呼吸时产生的水汽（这种情况婴儿氧舱比较突出）；溶剂主要是操舱或维护人员消毒时所用的材料（如各种有机溶剂等）。这些环境因素单一存在时对有机玻璃有一定的影响，但实际工作中这些因素可能同时存在，而且造成的危害往往出乎意料。

1.1 拉应力对有机玻璃银纹产生的影响

医用氧舱在工作时由于本身受内压，会在有机玻璃上产生拉应力，同时，有机玻璃可能还存在杂质、气泡、表面划伤以及螺栓孔等引起的应力集中，以及装配不均等因素产生的局部附加应力，局部附加应力与内压产生的拉应力叠加产生复合拉应力，应力集中或者复合拉应力值可能是内压产生拉应力的数倍。有机玻璃本身有一定的脆性，当应力集中或复合拉应力值超过有机玻璃银纹临界应力时，就会产生有机玻璃银纹。

1.2 水—溶剂对有机玻璃银纹产生的影响

水对于有机玻璃来说是一种应力敏感介质，是形成银纹的重要因素。有机玻璃吸水后使材料增塑，氢键断裂，对有机玻璃银纹的产生有加速作用，它还能明显降低有机玻璃银纹临界应力，史建立[8]等人做过吸水率与有机玻璃银纹临界应力的试验，其试验结果，见图1。随着吸水率的增加，有机玻璃银纹临界应力逐渐下降，当吸水率达到0.3%时， 值降低40%，可见水对有机玻璃塑化的明显程度。有机玻璃对有机溶剂的敏感性更强，由于有机溶剂能在有机玻璃中出现溶胀现象，所以有机溶剂对有机玻璃的溶解能力越强，溶剂就越容易渗入最薄弱区，并引起局部高聚物的溶胀，导致其临界应力成倍地降低。

图1 临界应力σc随吸水率的变化

1.3 紫外线对有机玻璃银纹产生的影响

紫外线对有机玻璃的影响主要是能引起分子链断裂，使分子量下降，加速有机玻璃的老化。紫外线对有机玻璃的老化机理是光化学反应[9]，即该波长范围的紫外线所具有的能量正好是组成有机玻璃材料分子之间的键能，有机玻璃吸收紫外线能量后，分子链断裂造成材料老化。紫外线波长通常在300～400 nm之间，而医用氧舱有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲脂)的敏感波长正好为290～315 nm，也就是说，使有机玻璃分子链断开所需要的能量正好与紫外线波的能量相等，其破坏效果不言而喻。史建立[8]等人做了紫外线与有机玻璃银纹临界应力的试验，试验结果，见图2。从图上很容易看出， 随紫外线照射时间的增加而逐渐下降，特别在最初的20 min内， 迅速降低，但逐渐趋于平衡值，这种现象可能是分子的支化和轻度交联引起的。

1.4 水—溶剂、紫外线、应力循环作用对有机玻璃的影响

医用氧舱有机玻璃工作时，水—溶剂、紫外光、应力等诸多因素同时存在，并且不断地进行升、降压循环，这些因素综合作用，对银纹的产生速度是单一因素作用时的几倍到几十倍，很多氧舱投用不足半年，就出现了大面积的有机玻璃银纹。有机玻璃吸水后表层被塑化，银纹临界应力降低，吸水后的有机玻璃表面水分挥发快，里层水分挥发慢，表面水分挥发时，温度降低，引起体积收缩，而里层组织限制这种收缩，因而使表面处于张应力状态，其与正常工作时的拉应力叠加产生一个更大的拉应力，在受到紫外线辐照时，高分子链极容易断裂，分子量降低，抗环境—应力腐蚀银纹的能力进一步下降，并且在氧舱不断的升、降压循环中，原先形成的细小银纹还会不断扩展，使形成的银纹尺寸不断增大，深度也逐步增加，不仅如此，有机玻璃表层已形成的银纹在虹吸作用下，更容易吸水，里层组织进一步塑化，很快就会出现宏观可见的亮白色的银纹，或者发生破裂爆炸，导致恶性事故的发生。

图2 临界应力σc紫外线光照时间的变化

2 预防措施

有机玻璃银纹的产生，是由水—溶剂、紫外光、应力共同作用的结果，再加上不断的升、降压循环，细小银纹或组织缺陷就会不断扩展，最终导致有机玻璃的迅速失效，若能延缓有机玻璃银纹的产生和扩展速度，在银纹扩展酿成事故之前发现它，就能提高医用氧舱运行的安全系数，降低氧舱的运行维护成本。考虑到有机玻璃发生环境一应力腐蚀时银纹的产生和扩展的速度，只要破坏其发生环境—应力腐蚀的条件，就能控制或延缓有机玻璃银纹的产生和扩展。由此提出以下预防措施：

（1）尽量避免有机玻璃直接受太阳光照射，在对氧舱进行紫外线消毒时，做好有机玻璃的遮挡防护。

（2）消毒时用的消毒液尽量采用不含有机溶剂的药剂。

（3）擦拭有机玻璃时用干抹布，每次升压前，注意通风或采用其他措施将有机玻璃上的水汽除去。

（4）防止有机玻璃表面划伤，发现表面有划伤痕迹时，采用研磨等方法去除。

（5）装配有机玻璃时，尽量均匀用力，避免由于装配应力过大而使有机玻璃过早失效。

3 小结

在构成其应力腐蚀开裂的各作用要素当中，紫外光、水—溶剂、表面划伤及装配应力是可以通过采取措施予以防止或减小的，只要在医用氧舱制造安装、维护保养、定期检验中加以注意，就能够防止、延缓或者及时发现有机玻璃产生的银纹，杜绝因有机玻璃银纹的快速发展而造成的严重事故。

[1]国家质检总局,国家标准化委员会.GB/T7134-2008,浇铸型工业有机玻璃板材[S].2008.

[2]邵久亮.浅谈有机玻璃的特性与用途[J].农业科技与信息,2008,(10):64.

[3]邸祥发.有机玻璃银纹现象及外场处理[J].飞机设计,2000,(1):45-48,51.

[4]时少峰,黄守亮,张义武,等.飞机用有机玻璃银纹产生原因分析[J].玻璃,2011,(2):41-43.

[5]武艳霞,陈维毅.高分子材料疲劳研究进展[J].太原理工大学学报,2005,(6):654-657,662.

[6]国家质量技术监督局,卫生部.医用氧舱安全管理规定[S].1999.

[7]高进,孙金厂.应力腐蚀断裂的判断及其防护[J].新技术新工艺,2001,(7):45-46.

[8]史建立,吴健,过梅丽.航空有机玻璃环境—应力开裂的研究:1.环境因素对应力—溶剂银纹临界应力的影响[J].材料科学与工程,1995,(4):38-42.

[9]廖尚莉,伍秋云.医用高压氧舱火灾的预防及应对措施[J].中国医疗设备,2010,25(2):83-84.

[10]陈新文,裴高林,金玉顺.航空有机玻璃银纹紫外光老化研究[J].航空材料学报,2009,(6):107-112.