溴化丁基醫(yī)用膠塞涂層的制備

李建華

（中國(guó)石化 北京化工研究院燕山分院，北京 102500）

醫(yī)用膠塞是藥品包裝領(lǐng)域常見(jiàn)的材料，廣泛應(yīng)用于輸液瓶、注射劑瓶、凍干制劑容器等，且我國(guó)每年對(duì)醫(yī)用膠塞的需求量極大[1-3]。目前，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的膠塞主要是溴化丁基橡膠（BIIR）膠塞，盡管它的內(nèi)在潔凈度、化學(xué)穩(wěn)定性、氣密性和生物性能優(yōu)異，但是受膠塞中復(fù)雜組分以及原料濃度梯度等影響，BIIR膠塞在與一些分子活性較強(qiáng)的藥物接觸時(shí)，可能會(huì)與藥物相互作用而產(chǎn)生相容性問(wèn)題[4-9]。覆膜膠塞因表面覆有一層具有一定附著力及柔韌性的惰性屏蔽膜，杜絕了膠塞與藥物的直接接觸，而且膠塞中的活性物質(zhì)被惰性覆膜材料阻隔，在藥物密封過(guò)程中不會(huì)污染藥物。

根據(jù)覆膜膠塞覆膜材料的特點(diǎn)，最常用的覆膜材料有聚二甲基硅氧烷膜、聚對(duì)二甲苯膜、聚Teflon膜、聚乙烯-四氟乙烯共聚物膜、聚酯膜等[6]。其中，聚二甲基硅氧烷膜采用浸涂、噴涂和刷涂技術(shù)制備，該技術(shù)工藝路線相對(duì)簡(jiǎn)單、成本較低，具有較強(qiáng)的市場(chǎng)推廣價(jià)值，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)。目前，國(guó)內(nèi)掌握制備覆膜膠塞技術(shù)的廠家較少，制備難度在于涂層與膠塞本體粘接及固化強(qiáng)度等。因此，開(kāi)發(fā)與BIIR有良好結(jié)合性能的醫(yī)用涂層材料具有較好的應(yīng)用前景。熱固化為傳統(tǒng)的固化方法。紫外（UV）光固化具有固化速度快、環(huán)境污染小、能量消耗低等優(yōu)點(diǎn)，在當(dāng)今強(qiáng)調(diào)生態(tài)環(huán)保、節(jié)能減排的大環(huán)境下具有較大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和發(fā)展?jié)摿?。也可以考慮采用UV光固化與熱固化相結(jié)合的方式制備涂層。

本工作采用γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷（KH-570）對(duì)羥基封端聚二甲基硅氧烷（HTP）進(jìn)行改性，得到有機(jī)硅預(yù)聚物，再將其制備成涂料混合物均勻涂在BIIR膠塞內(nèi)側(cè)，采用UV光固化和熱固化等方式形成涂層。利用IR、SEM、涂層性能測(cè)試等對(duì)涂層進(jìn)行了表征，探討了HTP黏度、固化方式等對(duì)涂層性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑

HTP：分析純，阿法埃莎（中國(guó)）化學(xué)有限公司；KH-570：98%（w），百靈威科技有限公司；2-羥基-2-甲基苯丙酮（光引發(fā)劑1173）：GC，百靈威科技有限公司；甲苯、濃鹽酸：分析純，北京化工廠；蒸餾水：自制。

1.2 儀器

Hei-VAP Advantage ML型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀：德國(guó)Heidolph集團(tuán)；LEO-1502型超聲波清洗機(jī)：廣華電子商城；LDST13002-11AZ型箱式UV光固化機(jī)：北京鴻昌機(jī)電設(shè)備有限公司；Nicolet iS50型紅外光譜儀：含ATR配件，尼高力儀器公司；Quanta100型掃描電子顯微鏡：FEI公司；BEVS 2202型涂層附著力測(cè)試儀：多刃，成都世紀(jì)方舟科技有限公司。

1.3 有機(jī)硅預(yù)聚物的制備

取55.2 g HTP于三口圓底燒瓶中，依次加入100 g甲 苯、55.2 g KH-570、4.7 g 1.9 mol/L的 鹽酸水溶液，均勻攪拌下升至95 ℃，繼續(xù)恒溫?cái)嚢? h后，將溶液于85 ℃下減壓旋蒸，即得有機(jī)硅預(yù)聚物。

1.4 涂料的制備

取一定量的有機(jī)硅預(yù)聚物，加入4%（w）的光引發(fā)劑1173，超聲分散30 min后得到涂料混合物。

1.5 涂層固化

UV光固化[4，10-14]：將涂料混合物均勻涂在BIIR膠塞的內(nèi)側(cè)，用光固化機(jī)在空氣中固化，固化條件為：1 000 W中壓汞燈、照射距離10 cm，180 s。

熱固化：一次熱固化，將涂料混合物均勻涂在BIIR膠塞內(nèi)側(cè)，在鼓風(fēng)干燥箱中170 ℃下加熱10 min烘干；二次熱固化，將烘干的BIIR膠塞在室溫放置24 h，在鼓風(fēng)干燥箱中180 ℃下加熱5 min固化。

2 結(jié)果與討論

2.1 有機(jī)硅預(yù)聚物的IR表征結(jié)果

黏度為20 000 mm2/s的HTP（記為HTP-20000）與KH-570的反應(yīng)機(jī)理見(jiàn)圖1，生成的有機(jī)硅預(yù)聚物的IR譜圖見(jiàn)圖2。

圖1 KH-570與HTP的反應(yīng)機(jī)理Fig.1 Reaction mechanism of KH-570 with HTP.

圖2 試樣的IR譜圖Fig.2 IR spectra of the samples.

由圖2可知，對(duì)于HTP-20000，1 258，1 012，850 cm-1處的吸收峰為硅氧烷的特征峰；1 185～1 010 cm-1處的強(qiáng)寬峰對(duì)應(yīng)于Si—O—Si鍵的伸縮振動(dòng)峰；2 967 cm-1附近的吸收峰為甲基的伸縮振動(dòng)峰。對(duì)于KH-570，1 725 cm-1附近出現(xiàn)了羰基基團(tuán)的特征峰，1 640 cm-1附近出現(xiàn)了不飽和雙鍵的振動(dòng)吸收峰，1 080 cm-1附近出現(xiàn)了Si—O—C鍵的振動(dòng)峰。對(duì)于有機(jī)硅預(yù)聚物，也在1 725 cm-1和1 640 cm-1附近出現(xiàn)了對(duì)應(yīng)于羰基基團(tuán)和不飽和雙鍵的振動(dòng)吸收峰；Si—O—C鍵的振動(dòng)峰的相對(duì)強(qiáng)度有所降低，這是由于HTP與KH-570發(fā)生反應(yīng)，使大量的Si—O—C鍵轉(zhuǎn)變?yōu)镾i—O—Si鍵。IR表征結(jié)果顯示，制備的有機(jī)硅預(yù)聚物中含有丙烯酰氧基團(tuán)，為含有丙烯酰氧基團(tuán)的改性硅氧烷。

2.2 涂層固化

采用UV光固化對(duì)HTP-20000制備的有機(jī)硅預(yù)聚物涂層進(jìn)行固化，采用指觸法考察了UV光固化時(shí)間對(duì)涂層表觀形貌的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖3可看出，UV光固化時(shí)間為90 s時(shí)，涂層還未固化完全；當(dāng)UV光固化時(shí)間達(dá)到180 s時(shí)，涂層已固化。因此，后續(xù)進(jìn)行UV光固化時(shí)，選取UV光固化時(shí)間為180 s。由圖3還可看出，BIIR膠塞表面粗糙且不發(fā)亮，當(dāng)表面覆蓋涂層后呈光滑透亮狀。

圖3 UV光固化時(shí)間對(duì)涂層的影響Fig.3 Effects of UV curing time on coating.

將UV光固化與二次熱固化的涂層進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖4可看出，兩種固化方式所得涂層的表面類(lèi)似，均較為光滑和透亮。

圖4 不同固化方法對(duì)涂層表觀形貌的影響Fig.4 Effect of different curing methods on coating appearance.

對(duì)不同固化方法制備的涂層表面進(jìn)行了SEM表征，包括UV光固化、一次熱固化、二次熱固化、UV光固化+熱固化四種固化方法，結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5可知，未經(jīng)任何處理的膠塞涂層（5a～b）表面較粗糙，顆粒大小不一；覆膜膠塞涂層（5c～m）表面相對(duì)較平整、光滑。其中，UV光固化制備的涂層表面較平整、光滑，但存在少量褶皺；一次熱固化制備的涂層表面具有規(guī)整的褶皺；二次熱固化制備的涂層表面非常平整、光滑，效果最好；UV光固化+熱固化相結(jié)合的方式制備的涂層表面存在較多的凸起和褶皺。因此，四種固化方法中，二次熱固化所得涂層表面的形貌更平整、光滑，效果最好。

圖5 不同固化方法制備的涂層表面的SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM images of coatings by different curing methods.

2.3 HTP黏度對(duì)涂層的影響

不同黏度HTP對(duì)膠塞涂層表觀形貌的影響見(jiàn)圖6～7。由圖6可看出，當(dāng)HTP的黏度為750～20 000 mm2/s時(shí)，熱固化涂層較為光滑、透亮。由圖7可看出，當(dāng)HTP的黏度為750～20 000 mm2/s時(shí)，UV光固化涂層明顯收縮，柔韌性較差，這是由于有機(jī)硅預(yù)聚體分子量對(duì)UV光固化速率影響很大。當(dāng)HTP黏度相對(duì)較低時(shí)，分子量較低，所得有機(jī)硅預(yù)聚物單個(gè)分子鏈上丙烯酰氧基團(tuán)含量多；而當(dāng)HTP黏度相對(duì)較高時(shí)，有機(jī)硅預(yù)聚物分子量較高，單個(gè)分子鏈上丙烯酰氧基團(tuán)的含量少。因此，隨HTP黏度的增加，UV光固化的固化速率減慢。

圖6 不同黏度HTP對(duì)熱固化涂層表觀形貌的影響Fig.6 Effects of different viscosity HTP on hot curing coatings appearance.

圖7 不同黏度HTP對(duì)UV光固化涂層表觀形貌的影響Fig.7 Effects of different viscosity HTP on UV curing coatings appearance.

不同黏度HTP制備的有機(jī)硅預(yù)聚物經(jīng)熱固化所得涂層的SEM照片見(jiàn)圖8。從圖8可看出，隨HTP黏度的增加，熱固化涂層的表觀形貌越來(lái)越平整。當(dāng)黏度為750 mm2/s時(shí)，幾乎較難看到覆蓋在BIIR表面的涂層；當(dāng)黏度為3 500 mm2/s時(shí)，涂層表面較為粗糙。另外，如果HTP黏度過(guò)高，則形成的涂膜分子量很高，分子間堆積過(guò)于松散，涂料黏度較高，不利于涂布。因此，對(duì)于熱固化方式，當(dāng)HTP黏度為4 200 mm2/s時(shí)，所得涂層最好。

圖8 不同黏度HTP制備的熱固化涂層的SEM照片F(xiàn)ig.8 SEM images of hot curing coatings prepared with different viscosity HTP

不同黏度HTP制備的有機(jī)硅預(yù)聚物經(jīng)UV光固化所得涂層的SEM照片見(jiàn)圖9。從圖9可以看出，隨HTP黏度的增加，UV光固化涂層的表觀形貌越來(lái)越平整；當(dāng)黏度為750，3 500 mm2/s時(shí)，涂層表面存在褶皺，這是由于低黏度的HTP制備的有機(jī)硅預(yù)聚物分子量較低，所得涂膜較脆，柔韌性差。因此，對(duì)于UV光固化方式，當(dāng)HTP黏度也為4 200 mm2/s時(shí)，所得涂層最好。

圖9 不同黏度HTP制備的UV光固化涂層的SEM照片F(xiàn)ig.9 SEM images of UV curing coatings prepared with different viscosity HTP

綜合涂層表觀形貌和SEM表征結(jié)果可知，對(duì)于熱固化和UV光固化，當(dāng)HTP黏度為4 200 mm2/s時(shí)，所得涂層較為光滑、透亮，表面較為平整，且柔韌性較好。

2.4 涂層性能檢測(cè)

對(duì)以HTP-20000為原料制備的膠塞涂層，采用劃格法，根據(jù)GB/T 9286—1998[15]標(biāo)準(zhǔn)對(duì)涂層的附著力進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖10。從圖10可以看出，BIIR膠片表面不存在易脫落涂層，經(jīng)熱固化和UV光固化所得涂層的附著力均達(dá)到1級(jí)，滿(mǎn)足涂層要求。

圖10 涂層的附著力測(cè)試Fig.10 Adhesion of coating.

采用SEM[16]對(duì)不同HTP黏度制備的熱固化涂層厚度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖11。從圖11可知，BIIR膠塞作為標(biāo)準(zhǔn)品，在涂覆涂料前表面沒(méi)有膜層。不同黏度HTP制備的涂層厚度均較為均勻，由黏度為20 000 mm2/s的HTP制備的涂層厚度為60.5 μm，由黏度為4 200 mm2/s的HTP制備的涂層厚度為18.3 μm。因此，通過(guò)控制原料黏度，可調(diào)變預(yù)聚物黏度，進(jìn)而調(diào)控涂層厚度。

圖11 不同黏度制備的熱固化涂層的厚度Fig.11 Thickness of the hot curing coating prepared with different viscosity.

3 結(jié)論

1）適宜的UV光固化時(shí)間為180 s，黏度20 000 mm2/s的HTP制備的有機(jī)硅預(yù)聚物經(jīng)UV光固化后所得涂層在BIIR膠塞表面呈光滑透亮狀。

2）對(duì)于熱固化和UV光固化，當(dāng)HTP黏度為4 200 mm2/s時(shí)，所得涂層效果最好。

3）在UV光固化、一次熱固化、二次熱固化、UV光固化+熱固化四種方法中，二次熱固化所得涂層表面的形貌更平整、光滑，效果最好。

4）制備的BIIR膠片涂層的附著力達(dá)到1級(jí)，滿(mǎn)足醫(yī)用膠塞要求。

5）通過(guò)控制原料黏度，可以調(diào)變有機(jī)硅預(yù)聚物的黏度，進(jìn)而調(diào)控涂層的厚度。當(dāng)HTP黏度為4 200 mm2/s時(shí)，所得涂層的厚度為18.3 μm。