差示掃描量熱法測定藥用復合膜中聚乙烯材質熔融溫度過程中試驗條件的優化

朱碧君，賀針華，熊馬劍，左軍鳳，汪元亮

1.江西省藥品檢驗檢測研究院，國家藥品監督管理局中成藥質量評價重點實驗室，江西省藥品與醫療器械質量工程技術研究中心，江西 南昌 330029；2.東莞市東陽光仿制藥研發有限公司，廣東 東莞 523861

藥用復合膜是一種常用的固體制劑的軟包裝材料［1］，其內層材質多采用聚乙烯（PE）材質構成，PE 是由乙烯單體聚合而成的一種熱塑性樹脂［2］，具有非常好的成型加工性和熱封性［3］。在藥包材YBB 標準中多采用紅外光譜方法進行鑒別［4］，但紅外光譜無法區分不同結晶度的PE，更不能區分低密度PE 和線性低密度PE，利用差示掃描量熱法（DSC）可以較好的實現分析鑒別的目的。DSC是在程序控制溫度下，測量輸入到樣品和參比樣的熱流與溫度關系的一種熱分析法［5］。它的主要特點是使用的溫度范圍較寬，分辨率和靈敏度高［6］。采用DSC 測試聚乙烯熔融溫度，對聚乙烯材質進行鑒別，該方法操作快速、簡便［7-8］。熱分析是一種動態技術，在用DSC 儀測試聚合物熔點過程中，很多因素會對試驗結果造成很大的影響，例如升溫速率、樣品質量、吹掃氣流速等［9-10］。探索這些因素對試驗結果的影響對于規范測試操作，提高測試水平，提高檢測質量有著重大的實際意義［11］。

1 試驗材料與方法

1.1 儀器

DSC Q200 示差掃描量熱儀（美國TA 儀器公司）；十萬分之一的MS-105 電子天平（梅特勒-托利多控股有限公司）。

1.2 試驗材料

藥用復合膜內層聚乙烯原料膜（LDPE），來源于A 公司。

1.3 試驗條件

升溫速率分別為5、10、15、20、25 ℃/min；樣品質量分別為4、6、8、10、12 mg；吹掃氣（氮氣）流速分別為5、10、25、50、60 mL/min；溫度范圍為：50～200 ℃。

1.4 試驗方法

在氮氣氛圍內，一定的吹掃氣流速條件下，將樣品減小，取一定質量的樣品，從 50 ℃開始以一定的升溫速率升溫至200 ℃，恒溫1 min，再以10 ℃/min 降溫到50 ℃，記錄DSC 曲線圖。

2 試驗結果及分析

2.1 不同升溫速率試驗

稱量PE 樣品6 mg，置于鋁盤中，壓蓋密封。試驗以50 ℃為起始溫度，以恒定的速率升溫到200℃，平衡1 min，再以10 ℃/min 降溫到50 ℃，氮氣流速為50 mL/min。升溫速率分別設置為5、10、15、20、25 ℃/min，DSC 曲線與數據如圖1 和表1所示。

表1 不同升溫速率的DSC數據表

從圖1 和表1 可以說明，隨著升溫速率增大，外推起始溫度、峰溫和外推終止溫度增大。升溫速率會對DSC 曲線的熔融峰溫度和峰形產生影響，升溫速率越大，熔融峰溫度越高，峰形越大。傳熱方式有三種，在低溫時以熱傳導為主，在高溫時以對流和輻射為主。而傳熱過程中，傳熱快慢和傳熱量的大小又與熱源和物質的距離及物質表面到中心的距離成反比，同時，也與物質的導熱系數大小和傳熱面積大小有關［12］。熔點是以熱力學平衡轉變溫度來衡量的。因此在距離一樣的情況下，升溫速率大小與樣品達到熱力學平衡程度成反比的，也就是與樣品產生熱滯后程度成正比。所以，升溫速率越大熱滯后越嚴重，測得的三種溫度結果就越高［13］。

在升溫速率為5、10、15、20、25 ℃/min 的條件下，熔融溫度下對應的熱流值見表2。

表2 不同升溫速率下熔融溫度對應的熱流表

由表2 可知，5 ℃/min 與10 ℃/min 條件下的熱流差值Δ1為2.22 mw，10 ℃/min 與15 ℃/min條件下的熱流差值Δ2為4.37 mw，15 ℃/min 與20℃/min條件下的熱流差值為Δ3為5.82 mw，20 ℃/min與25 ℃/min 條件下的熱流差值Δ4為0.61 mw。

2.2 不同樣品質量試驗

分別稱取質量為4、6、8、10、12 mg 的PE 樣品，置于鋁盤中，壓蓋密封。試驗以50℃為起始溫度，以15 ℃/min 升溫到200 ℃，平衡1 min，再以10℃/min 降溫到60 ℃，氮氣流速為50 mL/min，DSC曲線與數據如圖2 和表3 所示。

圖2 不同樣品質量的DSC曲線圖

表3 不同樣品質量的DSC數據表

圖2 和表3 可以說明當樣品質量變大，熔融時的外推起始溫度、峰溫度和外推終止溫度增大；樣品質量的增加，不利于氣體產物的擴散和樣品內部溫度的均衡，會增大溫度梯度，增加樣品溫度與環境線性升溫的偏差［14］。在傳熱過程中，傳熱快慢和傳熱量的大小與樣品表面與樣品中心之間的距離成反比，樣品的質量越大，熱量從樣品表面傳到內部也就越困難，表面與內部達到熱力學平衡程度的差距越大，當樣品已經發生熔融變化時，樣品內部由于得不到足夠的能量熔融過程會延遲［15］。在同樣的傳熱條件下，樣品的質量越大，整體很難達到熱力學平衡，會延長平衡時間，延遲熔融過程，因此熔融過程中的這三個溫度會朝著高溫側移動，所以隨著樣品質量的變大，熔融時的三個溫度均逐漸增大［16-17］。

樣品質量為4、6、8、10、12 mg 的條件下，熔融溫度對應的熱流值與結晶溫度對應的熱流值見表4。

表4 不同樣品質量熔融溫度對應的熱流表

由表4 可知，樣品質量為4 mg 與6 mg 條件下熔融溫度熱流差值Δ1為6.43 mw；樣品質量為6 mg與8 mg 條件下熔融溫度熱流差值Δ2為0.85 mw；樣品質量為8 mg 與10 mg 條件下熔融溫度的熱流差值Δ3為2.51 mw；樣品質量為10 mg 與12 mg 條件下熔融溫度的熱流差值Δ4為6.28 mw。

2.3 不同氣體流速試驗

稱量PE 樣品6 mg，置于鋁盤中，壓蓋密封，試驗以50 ℃為起始溫度，以15 ℃/min 升溫至200 ℃，平衡1 min，再以10 ℃/min 降溫到50 ℃。在氮氣氣氛下，不同的流速（5、10、25、50、60 mL/min）下進行試驗，DSC 曲線與數據如圖3 和表5 所示。

圖3 不同氣體流速的DSC曲線圖

表5 不同氣體流速的DSC數據表

由表中的數據可知，隨著氮氣流速的增大，熔融過程中三個溫度值沒有呈現一定的規律，并且熔融溫度最大值與最小值相差僅0.36 ℃，說明吹掃氣流速對測試結果的影響不大。DSC Q200 氣體流速一般選50 mL/min 作為氣體流速值。

2.4 試驗條件優化

在DSC 測試時會對試驗結果造成影響的一些因素進行了討論，之后采取正交試驗方法進一步研究［18］。在上述討論的三個影響因素作為正交試驗的因素，選用L25（56）正交表，以DSC 曲線的熔融峰溫度值作為試驗結果進行分析，試驗因素水平見表6，正交試驗及結果見表7。

表6 試驗因素水平表

表7 正交試驗及結果

K 值為同一條件下測出結果的平均值，通過比較極差值的大小，對試驗結果影響最大是升溫速率，樣品質量的影響也較大，而吹掃氣流速的極差相對來說比較小，對它的影響不大。有文獻報道［19］，PP 真實的熔點比較接近正交設計表中較低的值，表明最好的試驗條件是K 值最小的值，得出升溫速率、樣品質量、氮氣流速的最小值分別對應為K1、K2、K4，選擇升溫速率為5 ℃/min，樣品質量為6 mg，吹掃氣流速為50 mL/min。

3 結果

（1）通過分析表2 中各個條件下的熱流差值，得出選擇升溫速率為15 ℃/min 比其他條件的差異性小。高升溫速率會導致樣品內部溫度分布不均勻。（2）通過分析表4 中熱流差值Δ1和Δ4，并且樣品質量過少，會導致靈敏度低；樣品質量過多，會使樣品內部傳熱慢，溫度梯度大，導致峰形擴大，分辨力下降［16］。選擇合適的樣品量能盡量的提高靈敏度。選擇6 mg 可達到保證 DSC 信息清楚完美又可減少對儀器污染。（3）通過對正交試驗結果進一步分析，表中A 列和B 列中K 值之間的差值，A列中K3與K2的差值最小，其次是K4與K3的差值；B 列中K2與K1的差值最小，其次是K3與K2的差值，所以選擇升溫速率為15 ℃/min 和樣品質量為6 mg比選擇其他條件的差異性小。

4 結論

（1）采用DSC 測試PE 熔融溫度過程中，熔融溫度隨著升溫速率和樣品質量變大而向高溫方向移動；吹掃氣流速對測試結果的影響不大。（2）由正交試驗發現，升溫速率對測試結果影響最大，其次是樣品質量，而吹掃氣流速對它的影響不大。（3）綜合上述分析，確定的最佳試驗條件為：升溫速率為15 ℃/min，樣品質量為6 mg，吹掃氣流速為50 mL/min。