溴化丁基醫用膠塞涂層的制備

李建華

（中國石化 北京化工研究院燕山分院，北京 102500）

醫用膠塞是藥品包裝領域常見的材料，廣泛應用于輸液瓶、注射劑瓶、凍干制劑容器等，且我國每年對醫用膠塞的需求量極大[1-3]。目前，醫學領域中的膠塞主要是溴化丁基橡膠（BIIR）膠塞，盡管它的內在潔凈度、化學穩定性、氣密性和生物性能優異，但是受膠塞中復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的藥物接觸時，可能會與藥物相互作用而產生相容性問題[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被惰性覆膜材料阻隔，在藥物密封過程中不會污染藥物。

根據覆膜膠塞覆膜材料的特點，最常用的覆膜材料有聚二甲基硅氧烷膜、聚對二甲苯膜、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、噴涂和刷涂技術制備，該技術工藝路線相對簡單、成本較低，具有較強的市場推廣價值，市場競爭力強。目前，國內掌握制備覆膜膠塞技術的廠家較少，制備難度在于涂層與膠塞本體粘接及固化強度等。因此，開發與BIIR有良好結合性能的醫用涂層材料具有較好的應用前景。熱固化為傳統的固化方法。紫外（UV）光固化具有固化速度快、環境污染小、能量消耗低等優點，在當今強調生態環保、節能減排的大環境下具有較大的技術優勢和發展潛力。也可以考慮采用UV光固化與熱固化相結合的方式制備涂層。

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

1 實驗部分

1.1 主要試劑

HTP：分析純，阿法埃莎（中國）化學有限公司；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型旋轉蒸發儀：德國Heidolph集團；LEO-1502型超聲波清洗機：廣華電子商城；LDST13002-11AZ型箱式UV光固化機：北京鴻昌機電設備有限公司；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型涂層附著力測試儀：多刃，成都世紀方舟科技有限公司。

1.3 有機硅預聚物的制備

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 ℃，繼續恒溫攪拌8 h后，將溶液于85 ℃下減壓旋蒸，即得有機硅預聚物。

1.4 涂料的制備

取一定量的有機硅預聚物，加入4%（w）的光引發劑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膠塞的內側，用光固化機在空氣中固化，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膠塞內側，在鼓風干燥箱中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，在鼓風干燥箱中180 ℃下加熱5 min固化。

2 結果與討論

2.1 有機硅預聚物的IR表征結果

黏度為20 000 mm2/s的HTP（記為HTP-20000）與KH-570的反應機理見圖1，生成的有機硅預聚物的IR譜圖見圖2。

圖1 KH-570與HTP的反應機理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處的強寬峰對應于Si—O—Si鍵的伸縮振動峰；2 967 cm-1附近的吸收峰為甲基的伸縮振動峰。對于KH-570，1 725 cm-1附近出現了羰基基團的特征峰，1 640 cm-1附近出現了不飽和雙鍵的振動吸收峰，1 080 cm-1附近出現了Si—O—C鍵的振動峰。對于有機硅預聚物，也在1 725 cm-1和1 640 cm-1附近出現了對應于羰基基團和不飽和雙鍵的振動吸收峰；Si—O—C鍵的振動峰的相對強度有所降低，這是由于HTP與KH-570發生反應，使大量的Si—O—C鍵轉變為Si—O—Si鍵。IR表征結果顯示，制備的有機硅預聚物中含有丙烯酰氧基團，為含有丙烯酰氧基團的改性硅氧烷。

2.2 涂層固化

采用UV光固化對HTP-20000制備的有機硅預聚物涂層進行固化，采用指觸法考察了UV光固化時間對涂層表觀形貌的影響，結果見圖3。從圖3可看出，UV光固化時間為90 s時，涂層還未固化完全；當UV光固化時間達到180 s時，涂層已固化。因此，后續進行UV光固化時，選取UV光固化時間為180 s。由圖3還可看出，BIIR膠塞表面粗糙且不發亮，當表面覆蓋涂層后呈光滑透亮狀。

圖3 UV光固化時間對涂層的影響Fig.3 Effects of UV curing time on coating.

將UV光固化與二次熱固化的涂層進行了對比，結果見圖4。從圖4可看出，兩種固化方式所得涂層的表面類似，均較為光滑和透亮。

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

對不同固化方法制備的涂層表面進行了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，結果見圖5。由圖5可知，未經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Fig.5 SEM images of coatings by different curing methods.

2.3 HTP黏度對涂層的影響

不同黏度HTP對膠塞涂層表觀形貌的影響見圖6～7。由圖6可看出，當HTP的黏度為750～20 000 mm2/s時，熱固化涂層較為光滑、透亮。由圖7可看出，當HTP的黏度為750～20 000 mm2/s時，UV光固化涂層明顯收縮，柔韌性較差，這是由于有機硅預聚體分子量對UV光固化速率影響很大。當HTP黏度相對較低時，分子量較低，所得有機硅預聚物單個分子鏈上丙烯酰氧基團含量多；而當HTP黏度相對較高時，有機硅預聚物分子量較高，單個分子鏈上丙烯酰氧基團的含量少。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制備的有機硅預聚物經熱固化所得涂層的SEM照片見圖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越平整。當黏度為750 mm2/s時，幾乎較難看到覆蓋在BIIR表面的涂層；當黏度為3 500 mm2/s時，涂層表面較為粗糙。另外，如果HTP黏度過高，則形成的涂膜分子量很高，分子間堆積過于松散，涂料黏度較高，不利于涂布。因此，對于熱固化方式，當HTP黏度為4 200 mm2/s時，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Fig.8 SEM images of hot curing coatings prepared with different viscosity HTP

不同黏度HTP制備的有機硅預聚物經UV光固化所得涂層的SEM照片見圖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越平整；當黏度為750，3 500 mm2/s時，涂層表面存在褶皺，這是由于低黏度的HTP制備的有機硅預聚物分子量較低，所得涂膜較脆，柔韌性差。因此，對于UV光固化方式，當HTP黏度也為4 200 mm2/s時，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Fig.9 SEM images of UV curing coatings prepared with different viscosity HTP

綜合涂層表觀形貌和SEM表征結果可知，對于熱固化和UV光固化，當HTP黏度為4 200 mm2/s時，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

對以HTP-20000為原料制備的膠塞涂層，采用劃格法，根據GB/T 9286—1998[15]標準對涂層的附著力進行測試，結果見圖10。從圖10可以看出，BIIR膠片表面不存在易脫落涂層，經熱固化和UV光固化所得涂層的附著力均達到1級，滿足涂層要求。

圖10 涂層的附著力測試Fig.10 Adhesion of coating.

采用SEM[16]對不同HTP黏度制備的熱固化涂層厚度進行對比，結果見圖11。從圖11可知，BIIR膠塞作為標準品，在涂覆涂料前表面沒有膜層。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，通過控制原料黏度，可調變預聚物黏度，進而調控涂層厚度。

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 結論

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

2）對于熱固化和UV光固化，當HTP黏度為4 200 mm2/s時，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到1級，滿足醫用膠塞要求。

5）通過控制原料黏度，可以調變有機硅預聚物的黏度，進而調控涂層的厚度。當HTP黏度為4 200 mm2/s時，所得涂層的厚度為18.3 μm。