wersja mobilna
Online: 493 Sobota, 2017.10.21

Technika

Kable do zastosowań specjalnych - jaki materiał na osłonę kabli w sprzęcie medycznym?

wtorek, 30 maja 2017 12:17

Podczas projektowania urządzeń elektronicznych doborowi okablowania nie zawsze poświęca się wystarczająco dużo uwagi. Jest to błąd, ponieważ to od niego w ogromnym stopniu zależy ciągłość oraz prawidłowość działania danego sprzętu. By uniknąć awarii, najpierw określić należy czynniki, które mają największy wpływ na niezawodność oraz jakość transmisji w kablach w danym zastosowaniu. Następnie dopilnować trzeba, by osłona zewnętrzna, stanowiąca podstawową ochronę kabla przed oddziaływaniem otoczenia, była na nie odporna. Czynniki te można podzielić na trzy grupy: elektryczne, mechaniczne oraz środowiskowe.

Wyginanie i skręcanie może zniszczyć kabel

Jeżeli chodzi o te pierwsze, to wiele czynników ma wpływ na integralność sygnałową. Jedne z najważniejszych są zaburzenia elektromagnetyczne, które są emitowane przez urządzenia i inne kable znajdujące się w pobliżu. Aby zapobiec ich przenikaniu, stosuje się ekranowanie. Na silne oddziaływania mechaniczne kable są natomiast narażone przede wszystkim wówczas, gdy są w ruchu, co powoduje ich wyginanie i skręcanie.

Przykładem jest okablowanie w robotach przemysłowych i to, które jest częścią na przykład urządzeń przenoszonych w trakcie użytkowania. Zdarza się w ich przypadku, że operator nadepnie na kabel, szarpnie nim albo napnie go nadmiernie. Okablowanie, które nie jest ułożone na stałe, jest również narażone, przy przemieszczaniu go, na uszkodzenie w wyniku kontaktu z ostrymi krawędziami.

Wpływ skrajnych temperatur i ciśnienia

Groźne są również skrajne temperatury. Te bardzo niskie powodują, że tworzywa sztuczne, z których wykonane są osłony kabli, stają się kruche, natomiast te bardzo wysokie sprawiają, że miękną. Oprócz temperatury negatywny wpływ ma także ekstremalne ciśnienie. W warunkach bardzo niskiego ciśnienia oraz w próżni z tworzywa sztucznego mogą wypływać oleje oraz inne dodatki.

Jest to niepożądane szczególnie tam, gdzie wymagana jest czystość stanowiska. Przykładem są pomieszczenia typu clean room, z których korzysta się na przykład podczas produkcji układów scalonych albo stanowiska do przetwarzania i produkcji żywności. Ciśnienie hydrostatyczne, na które okablowanie może być narażone w eksploracji geofizycznej, może z kolei powodować, że przez zewnętrzną osłonę kabla, do wnętrza, przenikną gazy i ciecze.

Sterylizacja zmienia właściwości materiałów osłon

Osłony kabli muszą być odporne na różne środki chemiczne, z którymi mają styczność na przykład podczas mycia albo odkażania. Niektóre zastosowania są pod tym względem bardziej wymagające. Przykładem jest sprzęt medyczny. W jego przypadku konieczne jest nie tylko utrzymanie czystości, ale i jałowości powierzchni, z którymi może mieć kontakt pacjent, a na których, w związku z użytkowaniem przez wiele osób, w tym chorych, gromadzą się liczne bakterie oraz drobnoustroje.

W związku z tym w służbie zdrowia stosowane są specjalne metody sterylizacji. Te niestety nie pozostają obojętne dla tworzyw sztucznych osłon kabli. Skutki w postaci zmian ich właściwości fizycznych mogą być widoczne bezpośrednio po sterylizacji, jak i dopiero wiele miesięcy później. Stosowane są różne metody sterylizacji. Przykładem jest sterylizacja promieniowaniem jonizującym.

Mikroorganizmy są w tym przypadku zabijane przez promieniowanie gamma albo wiązkę elektronów. Skutkiem ubocznym tych technik jest m.in. usieciowanie się polimerów. Nadmierne nasilenie tego procesu może z kolei powodować, że tworzywo sztuczne staje się bardziej kruche, sztywniejsze, zmienia się też jego kolor, a nawet zapach.

W pewnych materiałach promieniowanie jonizujące może nawet spowodować przerwanie ciągłości łańcuchów molekularnych, czego efektem jest pęknięcie tworzywa. Choć różnica jest niewielka, jednak jak wykazały badania, w przypadku polimerów powyższe skutki są silniejsze przy sterylizacji wiązką elektronów, niż tej, w której używane jest promieniowanie gamma.

Inne metody sterylizacji potencjalnie mogące zniszczyć osłony kabli to wyjaławianie przez poddanie ich oddziaływaniu tlenku etylenu albo w autoklawie.

Co oznacza biozgodność?

Materiały sterylizowane pierwszą metodą muszą być odporne na wysokie temperatury, zmiany ciśnienia, wilgoć i tlenek etylenu o określonym stężeniu. Na pierwsze cztery czynniki są one też narażone podczas sterylizacji w autoklawie. Tworzywo wyjaławiane w ten sposób powinno być odporne na wielokrotne powtarzanie cykli takiej sterylizacji.

Osłony kabli w sprzętach medycznych muszą spełniać dodatkowe wymagania. Jednym z ważniejszych jest biozgodność.

Jest to cecha, która gwarantuje, że człowiek, który będzie miał z nimi kontakt, nie dozna żadnego uszczerbku na zdrowiu. Pod uwagę bierze się zagrożenia różnego typu. Materiał nie powinien być przede wszystkim toksyczny. Ponadto nie może on wywoływać reakcji odpornościowej organizmu.

Nie powinien także powodować takich zmian w jego strukturze komórkowej, które prowadzą do rozwoju nowotworów i innych mutacji. Biozgodność testuje się w oparciu o wytyczne specjalnych norm.

Standaryzuje się w nich metody badania wpływu różnych typów urządzeń medycznych oraz ich komponentów. Rozróżnia się na przykład takie, które mają kontakt tylko z powierzchnią ciała człowieka, te, które mają styczność z wnętrzem organizmu od zewnątrz i wszczepiane.

Wyróżnia się też części ciała, na które oddziaływanie musi być przetestowane, m.in. skórę, błonę śluzową i miejsca zranione. Oddziaływanie danego materiału jest badane w zestandaryzowanych okresach, na przykład przez dobę. Przykładem takiej normy jest grupa standardów PN-EN ISO 10993 pt. Biologiczna ocena wyrobów medycznych.

Tomasz Tołściuk

prezes Microdis Electronics

  • Jak wygląda wiedza klientów z obszaru elektroniki kupujących przewody specjalistyczne?

Podzieliłbym tutaj rynek na dwie grupy. Jedną tworzą firmy wykonujące wiązki na zlecenie, w tym również na potrzeby rynku elektronicznego, drugą producenci urządzeń z zakresu elektroniki i automatyki przemysłowej. Jeśli chodzi o pierwszą grupę, to ich rolą jest koncentrowanie się na dokumentacji dostarczonej przez zleceniodawcę i używanie takich komponentów, które są w niej wskazane.

W przypadku drugiej grupy sytuacja jest bardziej skomplikowana, ponieważ klienci są tutaj odpowiedzialni za właściwy dobór parametrów przewodów oraz ich certyfikaty. Szczególnie te ostatnie są bardzo istotne w przypadku , kiedy producenci urządzeń decydują się na sprzedaż swoich produktów na rynkach międzynarodowych (VDE, UL/ULc i in.) Uważam, że obie wymienione grupy są nieźle zorientowane , ale w zakresie niezbędnym do wykonania ich pracy. Dla jednej strony ważna jest ogólnie pojęta logistyka, dla drugiej praca projektowo-wdrożeniowa.

  • Co jest największym problemem w dystrybucji przewodów specjalistycznych?

Dystrybucja przewodów specjalistycznych jest bardzo szerokim pojęciem . Można powiedzieć, że każda dystrybucja z pominięciem "zwykłych" przewodów energetycznych do zastosowań w budownictwie jest dystrybucją specjalistyczną . Czy mówimy o przewodach stosowanych w wysokonapięciowej energetyce, czy o przewodach stosowanych w górnictwie, zakładach chemicznych, czy chociażby w przemyśle samochodowym , elektronicznym czy AGD, każdy z tych segmentów rynku charakteryzuje się cechami, które gdzie indziej nie występują, a to w konsekwencji może generować perturbacje w ich dystrybucji.

W elektronice, problemem może być dostępność do przewodów z bardzo specjalistycznymi certyfikatami. O ile nie ma problemów z kablami certyfikowanymi np. UL1015 czy UL1007/1569 dostępnych "od ręki" i to w opakowaniach od 30 m, o tyle w przypadku mniej popularnych standardów, np. serii UL 31xx czy UL32xx czasy dostaw mogą sięgać kilku tygodni, przy podwyższonych wielkościach minimalnych opakowań.

Kolejnym problemem może być "customizacja" przewodów, gdzie cały proces wdrażania odbywa się "na papierze" i w momencie podjęcia decyzji o zakupie, klient musi się zdecydować na ilość co najmniej 0,5-1 km. Nie są to jednak problemy nie do przezwyciężenia, bo na pewno w każdym segmencie rynku i na każdym etapie wdrażania takie problemy się pojawiają.

Z czego wykonać osłonę kabla w sprzęcie profesjonalnym?

Najpopularniejsze materiały osłon kabli to poliuretany (PUR), TPE/TPR, PVC i silikony. Najważniejszą zaletą pierwszych tworzyw jest duża wytrzymałość na ścieranie i przedarcia - dzięki temu sprawdzają się one w zastosowaniach, w których okablowanie jest mocno eksploatowane. Poza tym są one odporne na utlenianie, oleje oraz ozon. Nie zawierają także halogenów.

Niestety zakres temperatur pracy poliuretanów jest dość wąski - stają się kruche w temperaturze około -40°C, a topią już przy około +100°C. Ponadto nie są niestety odporne na środki chemiczne używane podczas sterylizacji. To, w połączeniu ze słabą odpornością na wysokie temperatury, sprawia, że są preferowane w zastosowaniach, które nie wymagają jałowości. PVC z kolei występuje w wielu odmianach.

Silikony różnią się odpornością na wysokie i niskie temperatury, elastycznością, właściwościami elektrycznymi, odpornością na warunki środowiskowe i ceną. PVC nie rozprzestrzenia płomienia i jest tworzywem samogasnącym. Do zastosowań medycznych opracowywane są specjalne formuły, które pozwalają na sterylizację różnymi metodami. Niestety PVC zawiera halogeny, a w czasie jego spalania wydziela się gęsty, duszący dym.

Sterylizacja nie jest też problemem w przypadku powłok z TPE/TPR. Zdecydowanie najlepszym materiałem na osłony kabli w zastosowaniach medycznych i spożywczych są silikony. Do ich zalet zalicza się: szeroki zakres temperatur pracy - mogą pracować zarówno w bardzo niskich (do -60°C), jak i bardzo wysokich (do +250°C) temperaturach, odporność na środki chemiczne, możliwość sterylizacji w autoklawie, lekkość i elastyczność. Silikony charakteryzuje też biozgodność.

Wygląd ma znaczenie

Niestety charakteryzuje je słaba wytrzymałość na rozciąganie, łatwo je też przeciąć. Dlatego, aby uzyskać odporność na oddziaływania mechaniczne, podobną do tej zapewnianej przez powłoki z innych materiałów, osłona z silikonów musi być znacznie grubsza. Ich wadą jest niestety wyższa cena. W przypadku kabli medycznych znaczenie mają też wrażenia wzrokowe i dotykowe. Te pierwsze mają wpływ na to, jak użytkownicy odbierają dane urządzenie, w tym na ich ocenę, w zależności od jego zastosowania, jego jakości, wiarygodności lub skuteczności.

Poza tym kolor kabla może pomóc ukryć brud na nim zgromadzony, o ile założy się, że w danym zastosowaniu jest to pożądane albo może uwypuklić zanieczyszczenia, wskazując, że wymaga on wyczyszczenia. Dlatego białe kable, o ile nie będą mocno brudzone, mogą przyczynić się do odbioru urządzenia jako bardziej profesjonalnego. Brud najmniej będzie z kolei widoczny na tych czarnych i ciemnoszarych.

Jeśli natomiast chodzi o wrażenia dotykowe, to osłony z silikonów są najbardziej miękkie. Niestety równocześnie, jeżeli nie są zabezpieczone powłoką ochronną, są też lepkie i łatwo zbierają brud. Osłony z TPE są z kolei zwykle bardziej gładkie i odbierane jako te o lepszej jakości.

Monika Jaworowska