溴化丁基医用胶塞涂层的制备

李建华

（中国石化 北京化工研究院燕山分院，北京 102500）

医用胶塞是药品包装领域常见的材料，广泛应用于输液瓶、注射剂瓶、冻干制剂容器等，且我国每年对医用胶塞的需求量极大[1-3]。目前，医学领域中的胶塞主要是溴化丁基橡胶（BIIR）胶塞，尽管它的内在洁净度、化学稳定性、气密性和生物性能优异，但是受胶塞中复杂组分以及原料浓度梯度等影响，BIIR胶塞在与一些分子活性较强的药物接触时，可能会与药物相互作用而产生相容性问题[4-9]。覆膜胶塞因表面覆有一层具有一定附着力及柔韧性的惰性屏蔽膜，杜绝了胶塞与药物的直接接触，而且胶塞中的活性物质被惰性覆膜材料阻隔，在药物密封过程中不会污染药物。

根据覆膜胶塞覆膜材料的特点，最常用的覆膜材料有聚二甲基硅氧烷膜、聚对二甲苯膜、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、喷涂和刷涂技术制备，该技术工艺路线相对简单、成本较低，具有较强的市场推广价值，市场竞争力强。目前，国内掌握制备覆膜胶塞技术的厂家较少，制备难度在于涂层与胶塞本体粘接及固化强度等。因此，开发与BIIR有良好结合性能的医用涂层材料具有较好的应用前景。热固化为传统的固化方法。紫外（UV）光固化具有固化速度快、环境污染小、能量消耗低等优点，在当今强调生态环保、节能减排的大环境下具有较大的技术优势和发展潜力。也可以考虑采用UV光固化与热固化相结合的方式制备涂层。

本工作采用γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷（KH-570）对羟基封端聚二甲基硅氧烷（HTP）进行改性，得到有机硅预聚物，再将其制备成涂料混合物均匀涂在BIIR胶塞内侧，采用UV光固化和热固化等方式形成涂层。利用IR、SEM、涂层性能测试等对涂层进行了表征，探讨了HTP黏度、固化方式等对涂层性能的影响。

1 实验部分

1.1 主要试剂

HTP：分析纯，阿法埃莎（中国）化学有限公司；KH-570：98%（w），百灵威科技有限公司；2-羟基-2-甲基苯丙酮（光引发剂1173）：GC，百灵威科技有限公司；甲苯、浓盐酸：分析纯，北京化工厂；蒸馏水：自制。

1.2 仪器

Hei-VAP Advantage ML型旋转蒸发仪：德国Heidolph集团；LEO-1502型超声波清洗机：广华电子商城；LDST13002-11AZ型箱式UV光固化机：北京鸿昌机电设备有限公司；Nicolet iS50型红外光谱仪：含ATR配件，尼高力仪器公司；Quanta100型扫描电子显微镜：FEI公司；BEVS 2202型涂层附着力测试仪：多刃，成都世纪方舟科技有限公司。

1.3 有机硅预聚物的制备

取55.2 g HTP于三口圆底烧瓶中，依次加入100 g甲 苯、55.2 g KH-570、4.7 g 1.9 mol/L的 盐酸水溶液，均匀搅拌下升至95 ℃，继续恒温搅拌8 h后，将溶液于85 ℃下减压旋蒸，即得有机硅预聚物。

1.4 涂料的制备

取一定量的有机硅预聚物，加入4%（w）的光引发剂1173，超声分散30 min后得到涂料混合物。

1.5 涂层固化

UV光固化[4，10-14]：将涂料混合物均匀涂在BIIR胶塞的内侧，用光固化机在空气中固化，固化条件为：1 000 W中压汞灯、照射距离10 cm，180 s。

热固化：一次热固化，将涂料混合物均匀涂在BIIR胶塞内侧，在鼓风干燥箱中170 ℃下加热10 min烘干；二次热固化，将烘干的BIIR胶塞在室温放置24 h，在鼓风干燥箱中180 ℃下加热5 min固化。

2 结果与讨论

2.1 有机硅预聚物的IR表征结果

黏度为20 000 mm2/s的HTP（记为HTP-20000）与KH-570的反应机理见图1，生成的有机硅预聚物的IR谱图见图2。

图1 KH-570与HTP的反应机理Fig.1 Reaction mechanism of KH-570 with HTP.

图2 试样的IR谱图Fig.2 IR spectra of the samples.

由图2可知，对于HTP-20000，1 258，1 012，850 cm-1处的吸收峰为硅氧烷的特征峰；1 185～1 010 cm-1处的强宽峰对应于Si—O—Si键的伸缩振动峰；2 967 cm-1附近的吸收峰为甲基的伸缩振动峰。对于KH-570，1 725 cm-1附近出现了羰基基团的特征峰，1 640 cm-1附近出现了不饱和双键的振动吸收峰，1 080 cm-1附近出现了Si—O—C键的振动峰。对于有机硅预聚物，也在1 725 cm-1和1 640 cm-1附近出现了对应于羰基基团和不饱和双键的振动吸收峰；Si—O—C键的振动峰的相对强度有所降低，这是由于HTP与KH-570发生反应，使大量的Si—O—C键转变为Si—O—Si键。IR表征结果显示，制备的有机硅预聚物中含有丙烯酰氧基团，为含有丙烯酰氧基团的改性硅氧烷。

2.2 涂层固化

采用UV光固化对HTP-20000制备的有机硅预聚物涂层进行固化，采用指触法考察了UV光固化时间对涂层表观形貌的影响，结果见图3。从图3可看出，UV光固化时间为90 s时，涂层还未固化完全；当UV光固化时间达到180 s时，涂层已固化。因此，后续进行UV光固化时，选取UV光固化时间为180 s。由图3还可看出，BIIR胶塞表面粗糙且不发亮，当表面覆盖涂层后呈光滑透亮状。

图3 UV光固化时间对涂层的影响Fig.3 Effects of UV curing time on coating.

将UV光固化与二次热固化的涂层进行了对比，结果见图4。从图4可看出，两种固化方式所得涂层的表面类似，均较为光滑和透亮。

图4 不同固化方法对涂层表观形貌的影响Fig.4 Effect of different curing methods on coating appearance.

对不同固化方法制备的涂层表面进行了SEM表征，包括UV光固化、一次热固化、二次热固化、UV光固化+热固化四种固化方法，结果见图5。由图5可知，未经任何处理的胶塞涂层（5a～b）表面较粗糙，颗粒大小不一；覆膜胶塞涂层（5c～m）表面相对较平整、光滑。其中，UV光固化制备的涂层表面较平整、光滑，但存在少量褶皱；一次热固化制备的涂层表面具有规整的褶皱；二次热固化制备的涂层表面非常平整、光滑，效果最好；UV光固化+热固化相结合的方式制备的涂层表面存在较多的凸起和褶皱。因此，四种固化方法中，二次热固化所得涂层表面的形貌更平整、光滑，效果最好。

图5 不同固化方法制备的涂层表面的SEM照片Fig.5 SEM images of coatings by different curing methods.

2.3 HTP黏度对涂层的影响

不同黏度HTP对胶塞涂层表观形貌的影响见图6～7。由图6可看出，当HTP的黏度为750～20 000 mm2/s时，热固化涂层较为光滑、透亮。由图7可看出，当HTP的黏度为750～20 000 mm2/s时，UV光固化涂层明显收缩，柔韧性较差，这是由于有机硅预聚体分子量对UV光固化速率影响很大。当HTP黏度相对较低时，分子量较低，所得有机硅预聚物单个分子链上丙烯酰氧基团含量多；而当HTP黏度相对较高时，有机硅预聚物分子量较高，单个分子链上丙烯酰氧基团的含量少。因此，随HTP黏度的增加，UV光固化的固化速率减慢。

图6 不同黏度HTP对热固化涂层表观形貌的影响Fig.6 Effects of different viscosity HTP on hot curing coatings appearance.

图7 不同黏度HTP对UV光固化涂层表观形貌的影响Fig.7 Effects of different viscosity HTP on UV curing coatings appearance.

不同黏度HTP制备的有机硅预聚物经热固化所得涂层的SEM照片见图8。从图8可看出，随HTP黏度的增加，热固化涂层的表观形貌越来越平整。当黏度为750 mm2/s时，几乎较难看到覆盖在BIIR表面的涂层；当黏度为3 500 mm2/s时，涂层表面较为粗糙。另外，如果HTP黏度过高，则形成的涂膜分子量很高，分子间堆积过于松散，涂料黏度较高，不利于涂布。因此，对于热固化方式，当HTP黏度为4 200 mm2/s时，所得涂层最好。

图8 不同黏度HTP制备的热固化涂层的SEM照片Fig.8 SEM images of hot curing coatings prepared with different viscosity HTP

不同黏度HTP制备的有机硅预聚物经UV光固化所得涂层的SEM照片见图9。从图9可以看出，随HTP黏度的增加，UV光固化涂层的表观形貌越来越平整；当黏度为750，3 500 mm2/s时，涂层表面存在褶皱，这是由于低黏度的HTP制备的有机硅预聚物分子量较低，所得涂膜较脆，柔韧性差。因此，对于UV光固化方式，当HTP黏度也为4 200 mm2/s时，所得涂层最好。

图9 不同黏度HTP制备的UV光固化涂层的SEM照片Fig.9 SEM images of UV curing coatings prepared with different viscosity HTP

综合涂层表观形貌和SEM表征结果可知，对于热固化和UV光固化，当HTP黏度为4 200 mm2/s时，所得涂层较为光滑、透亮，表面较为平整，且柔韧性较好。

2.4 涂层性能检测

对以HTP-20000为原料制备的胶塞涂层，采用划格法，根据GB/T 9286—1998[15]标准对涂层的附着力进行测试，结果见图10。从图10可以看出，BIIR胶片表面不存在易脱落涂层，经热固化和UV光固化所得涂层的附着力均达到1级，满足涂层要求。

图10 涂层的附着力测试Fig.10 Adhesion of coating.

采用SEM[16]对不同HTP黏度制备的热固化涂层厚度进行对比，结果见图11。从图11可知，BIIR胶塞作为标准品，在涂覆涂料前表面没有膜层。不同黏度HTP制备的涂层厚度均较为均匀，由黏度为20 000 mm2/s的HTP制备的涂层厚度为60.5 μm，由黏度为4 200 mm2/s的HTP制备的涂层厚度为18.3 μm。因此，通过控制原料黏度，可调变预聚物黏度，进而调控涂层厚度。

图11 不同黏度制备的热固化涂层的厚度Fig.11 Thickness of the hot curing coating prepared with different viscosity.

3 结论

1）适宜的UV光固化时间为180 s，黏度20 000 mm2/s的HTP制备的有机硅预聚物经UV光固化后所得涂层在BIIR胶塞表面呈光滑透亮状。

2）对于热固化和UV光固化，当HTP黏度为4 200 mm2/s时，所得涂层效果最好。

3）在UV光固化、一次热固化、二次热固化、UV光固化+热固化四种方法中，二次热固化所得涂层表面的形貌更平整、光滑，效果最好。

4）制备的BIIR胶片涂层的附着力达到1级，满足医用胶塞要求。

5）通过控制原料黏度，可以调变有机硅预聚物的黏度，进而调控涂层的厚度。当HTP黏度为4 200 mm2/s时，所得涂层的厚度为18.3 μm。