高分子材料的阻隔性能及在药包材上的应用

高分子材料的阻隔性能及在药包材上的应用
方旻;谢新艺
【摘要】阻隔性是高分子包装材料的重要性能。

综合分析了高分子材料对小分子物质的阻隔机理,介绍了高分子材料在药品包装上的应用,同时归纳总结了提高高分子材料阻隔性能的几种方法,包括复合技术、表明涂层、高分子改性等,为高阻隔性药品包装材料的进一步发展与应用提供参考。

%Barrier properties were very important for packing materials.Barrier mechanism of polymer material was discussed,and the application of polymer material on drug packing material was introduced.Main methods to improve barrier properties included composite technology,surface coating and polymer modification were summarizd,and provided reference for the development and application of drug packaging with high barrier properties.
【期刊名称】《广州化工》
【年(卷),期】2011(039)016
【总页数】2页(P38-39)
【关键词】阻隔性;药包材
【作者】方旻;谢新艺
【作者单位】广东省医疗器械质量监督检验所,广东广州510663;广东省医疗器械质量监督检验所,广东广州510663
【正文语种】中文
【中图分类】TB324
材料阻隔性指的是某种材料对气体、水蒸气等小分子物质的阻隔性能。

对于包装材料而言，材料阻隔性对内容物的保质十分重要。

材料阻隔性能已成为众多包装企业在挑选包装材料时考虑的最重要因素之一。

高分子材料由于其比重小、强度高、使用寿命长、加工和印刷简便等优点，已成为包装材料中的主力军。

但由于高分子运动单元的多重性及高分子材料的蠕变性，高分子材料本质上都可渗透的，这一点与陶瓷、玻璃和金属是不同的［1］。

这也在某些方面限制了高分子包装材料的发展，而如何提高药包材用高分子材料的阻隔性能已成为众多企业和研究机构的研究课题。

高分子材料阻隔机理对于研究提高其阻隔性能具有重要的指导作用。

小分子透过高分子材料基本是指以下过程:首先小分子在高分子材料表面吸附，其次小分子溶入
高分子材料基体，然后小分子沿着一定浓度梯度扩散通过高分子材料，最后小分子从高分子材料另一表面解吸而扩散。

高分子材料对物质的阻隔性主要取决于透过物的种类、高分子的结构与性能以及透过物与高分子间的相互作用［2］。

材料的阻隔性包括材料对无机气体的阻隔性、对水蒸气的阻隔性，以及对有机物的阻隔性。

这3种物质的性质和渗透机理都不相同。

例如，HDPE是非极性高分子，对水等极性溶剂具有良好阻隔性，但对二甲苯等有机溶剂的阻隔性不好，对气体的阻隔性也不好。

小分子透过高分子材料主要是通过非晶区、结晶缺陷部分而实现的，如果高分子材料的结晶结构链段排列整齐、堆砌密度大，小分子渗透物就难以渗入通过。

并且高分子材料的微裂纹、针孔、缺陷均会导致渗透性的增加。

小分子在高分子材料表面的吸附与高分子材料的成分、结构以及表面形态有关，表面缺陷有利于小分子吸附。

小分子物质在高分子材料基体中的扩散与高分子材料的
自由体积有很大关系，另外小分子物质与大分子物质的键合与非键合作用也会影响小分子物质在大分子中的溶解与扩散。

故高分子材料交联、链段刚性增加、相容剂的加入，均会限制链的运动，材料难以溶胀，渗透性下降［3］。

药品是密切关系人民群众身体健康的重要商品。

药品包装材料(以下简称药包材)与药品直接接触，其质量严重影响着药品的贮存、运输、识别、安全等问题。

就种类而言，药包材主要有药瓶、复合膜、泡罩硬片、铝箔、多层共挤输液袋、软膏管等多种类型。

高分子材料在药包材中占有举足轻重的作用，较常使用的高分子材料有聚乙烯、聚丙烯、聚酯类、聚氯乙烯等［4］。

药包材的阻隔性能能对药品的防湿、保香十分重要，特别是对于易受潮或可氧化的药品更是如此。

目前应用于药品包装材料方面阻隔性能较好的高分子材料主要有聚偏氯乙烯(PVDC)、乙烯－乙烯醇共聚物(EVOH)。

这两种材料均具有良好的阻隔性，在市场上也得到较好的反响。

从结构上来看PVDC分子中富含氯原子，由于和碳原子相连接的2个氯原子的对
称性及极强的极性使氯原子紧密地排列在主链碳原子的周围，经计算可以指导密集排布的氯原子相互之间的空隙非常小，这些细小的狭缝使水分子和氧气分子无法透过，因此理论上该类聚合物将表现出优异的阻隔性能。

分子链不易运动，分子容易结晶且其均聚物结晶程度高，所以聚合物内聚能比较高，使气体在其中的溶解度低。

扩散慢，从而对氧、水及水蒸气的阻隔性好［5］。

目前PVDC在药品包装材料方面的主要应用于泡罩包装，但PVDC含有卤素，如
作为基材使用是否会对药品构成污染，仍需要进一步的材料安全性实验和研究。

目前PVDC在药包材方面的应用主要在固体药品泡罩包装的成泡基材，如聚氯乙烯/聚偏二氯乙烯固体药用复合硬片、聚氯乙烯/聚乙烯/聚偏二氯乙烯固体药用复合硬片。

EVOH是兼有乙烯聚合物的易加工性和聚乙烯醇阻隔性的新型阻隔性材料。

EVOH
树脂最显著的特点是气体阻隔性高，在通常相对湿度如65%时，阻氧性明显高于任何其他材料，是聚乙烯的大约一万倍。

此外EVOH树脂中由于极性乙烯醇链段的存在，使得它对烃类等非极性溶剂具有良好的阻隔性，非极性乙烯链段的存在有助于提高其对水等极性溶剂的阻隔性。

此外，由于EVOH树脂的分子结构中存在着羟基，具有亲水性和吸湿性。

当吸附湿气后，气体的阻隔性能会受到影响，当乙烯含量低于20%(mol)，EVOH中亲水基团的比例增加，由于吸湿性增加，降低了阻隔性，透氧系数也急剧增加［6］。

在实际应用中，多采用多层结构，如将聚烯烃等耐湿性树脂把EVOH树脂层包在中间，即可得到理想的包装材料。

在复合材料中，使用EVOH做阻隔层有3种基本方法:通过EVOH树脂与聚烯烃或聚酰胺共混而形成的结构;EVOH薄膜层复合到其他基质上或将其他物质涂覆到EVOH薄膜上;用EVOH树脂涂覆各种基质或多层容器。

目前在药包材方面使用最多的是第二种方法，例如聚乙烯/乙烯－乙烯醇共聚物/聚乙烯复合软膏管。

目前药包材的提高阻隔性方法主要是采用以下几个方法:
3.1 复合技术
复合技术即使用几种材料通过粘合或者共挤的方法来达到阻隔性能的提高，为提高阻隔性最常使用的复合材料便是金属铝箔。

铝箔是完全不同于高分子的金属材料，铝箔在复合膜中一般是作为中间层即阻隔层使用。

金属铝具有高度致密的金属晶体结构，理论上完美的铝箔能完全阻隔任何气体、水蒸气和光线。

但事实上，针孔等缺陷会造成铝箔阻隔性能的下降。

例如聚酯/铝/聚乙烯复合膜、铝/聚乙烯冷成型固体药用复合硬片、药用聚酯/铝/聚乙烯封口垫片等。

值得注意的是复合膜的阻隔性能并不是参加复合的几种材料阻隔性能的简单叠加。

因为简单叠加原理的前提条件是:两层材料各自微观均匀，界面上的扩散物得浓度均一，不存在沿界面方面上的扩散，显然目前大多数复合膜不能满足上述条件。

3.2 表面涂层技术
表面涂层技术是采用各种高阻隔性涂料和各种涂覆技术，在材料的表面形成很薄的阻隔层，隔绝气体的进出，达到提高阻隔性的目的。

例如采用等离子技术在PET
瓶表面涂覆氧化硅软玻璃或无定型碳而达到提高阻隔性的目的，但目前PET瓶表
面涂层技术还是仅应用于食品饮料方面，药品包装瓶上并不多见［7］。

药包材较长使用的涂层技术就是镀铝材料，镀铝复合是在聚乙烯、聚丙烯。

聚酯和纸等基材表面直接镀一层金属铝。

通常是采用真空蒸镀法，将高纯度铝在真空室中加热蒸发，当基材通过真空室时，铝颗粒便均匀地凝结其上，从而得到镀铝膜。

它除了自身可做包装材料外，还可于多种其他薄膜相互复合成为新的复合材料。

如双向拉伸聚丙烯/真空镀铝流延聚丙烯药品包装用复合膜。

3.3 高分子改性技术
高分子改性技术即通过添加改性物改变高分子材料的结构、表面性能、凝聚态结构等方面而达到提高阻隔性的作用。

前面提到的乙烯－乙烯醇共聚物就属于共聚改性类型。

应用于塑料瓶上的HDPE和尼龙共混、PET和尼龙共混等就属于共混改性
类型。

近年研究的较热的纳米复合阻隔性材料，它使用无机材料如蒙脱土［8］、粘土［9］对高分子材料进行改性。

由于分散相为层状无机纳米粒子，纳米粒子具有的表面积效应，量子尺寸效应及宏观量子隧道等效应影响聚合物链段运动，分子链之间相互作用和相结构，从而使复合材料具有密度小、高强、高韧等优良性能，从而提高了材料的阻隔性。

以目前趋势来看，高分子改性方法不仅可以发扬其材料结构优势，克服材料的自身缺点，而且改性方法相对材料复合技术来说更加经济。

当然药包材作为直接药品的材料，其改性物是否会迁移到药品中，而影响药品性质，需要做更加完善和细致的考察。

药品包装材料直接接触药品，其阻隔性能严重影响着人民的用药安全。

目前对于材料阻隔性研究还是主要集中在食品包装等方面，药品作为一种特殊的商品，药包材
的阻隔性能研究应投入更多的精力。

材料阻隔性与结构之间的关系、关注材料加工工艺对凝聚态结构的影响、不同小分子的对同一种材料渗透的相互关系都将是研究的重点和难点。

同时随着材料阻隔性能的提高，其相应的测试仪器及检测标准也应随之发展。

【相关文献】
［1］何曼君，陈维孝，董西侠.高分子物理［M］.上海:复旦大学出版社，1990:1－150.
［2］丁运生，张志成，史铁钧.阻隔性高分子材料研究进展［J］.功能高分子学报，2001，
14(3):360－364.
［3］李卫娜，杨云峰，王标兵，等.高分子材料阻隔技术的研究进展［J］.天津化工，2008，22(5):15－17.
［4］李永安，蔡弘，金宏，等.药品包装实用手册［M］.北京:化学工业出版社，2003:2－36. ［5］邱丽萍.阻隔性包装材料的开发趋势［J］.包装工程，1998，19(3): 4－7.
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29(4):25－26.
［9］胡显奎，林少全，刘振兴.聚合物基无机纳米粒子复合材料的制备技术及应用展望［J］.材料导报，2000，14(10):62－63.。