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冷冲压成型铝硬片在药用泡罩包装中的应用解析
时间:2015-11-06   来源: 包装前沿   阅读:5164次

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药品的铝塑泡罩包装又称水泡眼包装,简称PTP包装。它是把包装材料膜片通过加热真空成型或冷冲压成型,形成适合于片剂、胶囊等形状的凹槽,然后填充药物,再用涂有可热封涂层的药品包装用铝箔与之热封,形成单元包装。

这种包装形式具有许多优点,首先是给患者提供了准确的一次剂量的药品,每一粒药品独立分隔包装,互不影响,既方便携带,又增强了用药的安全性;其次使用这种包装形式,对药品的保护性能好,而且生产速度快,自动化程度高,成本低、重量轻,运输方便,安全性好,既经济又方便。因而这种包装形式在药品包装领域得到了广泛的应用,成为片剂和胶囊的最主要的包装形式。

药品的铝塑泡罩包装的覆盖材料一般都是铝箔(称为药品泡罩包装用铝箔),而成泡基材一般采用聚氯乙烯(PVC)硬片。但是随着制药行业的不断发展,这一传统的包装方式暴露出其所存在的缺陷:由于PVC硬片的阻隔性能有限,很难保证药品在其使用期限内品质不发生任何改变。

针对普通泡罩包装阻隔性能有限等问题,人们开发了冷冲压成型硬片。冷冲压成型硬片采用冲压成型代替了原来普通泡罩包装的真空吸塑成型,从而使泡罩包装片材能使用纯铝复合材料作为成泡材料。高强度合金铝箔在冷冲压成型硬片中的使用,也使得冷冲压成型硬片有其它任何材料无法达到的极高的阻水蒸气、氧气及隔光性能。

冷冲压成型复合硬片产品,进行冲压成型、填充药品、热封后的产品形态如下图:

QQ截图20150901154831.jpg

一、冷冲压成型硬片的结构组成

冷冲压成型硬片一般由三个功能层:表面支持强度层、中间铝箔阻隔层、内表面热封层组成。表面支持层可以印上客户所需的颜色或图案,各层之间采用粘合的方法结合在一起,成为一个复合膜整体,产品构成如图所示:

QQ截图20150901154836.jpg

1、表面支持强度层

冷冲压成型硬片的表面支持强度层要求光滑平整,透明性好,有极高的机械强度,优良的抗冲击性能,并具有一定的耐磨和抗穿刺能力,对整个包装起保护作用。

冷冲压成型硬片的表面支持层一般采用高强度、抗冲击性能优异的双向拉伸尼龙薄膜(BOPA)。由于冷冲压成型硬片在包装的冷冲压成泡过程中,受到的冲击力和拉伸很大,一般软包装用的15μm 厚BOPA 不能满足其要求,故一般采用25μm 厚的BOPA 作为表面支持强度层。对于浅冲压成泡的场合,为了节约成本,也可用双向拉伸的聚酯薄膜(BOPET)或双向拉伸的聚丙烯薄膜(BOPP)来代替双向拉伸的尼龙膜。

2、中间铝箔阻隔层

冷冲压成型所使用的中间铝箔阻隔层除了担负起阻隔性的功能外,还具有强度支持、抗冲压拉伸等功能,因而不同于一般软包装复合用铝箔。冷冲压成型所使用的铝箔是具有极高强度和良好延伸性的合金铝箔。

由于冷冲压成型硬片要进行冲压成型,因而所用的铝箔厚度也比普通复合膜要厚得多,一般采用45μm 厚的铝箔,对于冲压成泡浅的场合可适当降低铝箔的厚度,一般最低可降到30μm 厚,对于冲压成泡特别深(≥15mm)的应用,或要求冷冲压成型硬片具有较好的挺性的应用,可将铝箔厚度适当增加,最厚可增加到70μm。

3、内表面热封层

冷冲压成型硬片的内表面热封层一般采用聚氯乙烯(PVC)硬片,这样冷冲压成型硬片就可以像普通泡罩包装一样,用PVC硬片与药品包装用PTP铝箔进行热封。冷冲压成型硬片使用的PVC不同于普通PVC,考虑到复合和冲压等因素,通常不用普通的增塑剂和润滑剂,而是通过在PVC分子链段中接枝增塑剂因子的方法进行内增塑和内润滑。同时为了提高PVC的抗冲击性能,在PVC硬片中加入的增强剂也比普通PVC硬片多得多,从而使其具有良好的复合性能和冲压成型性能。

冷冲压成型硬片中的PVC厚度一般为60μm,在要求产品具有较高刚性和挺度的场合,可将PVC的厚度适当增加,最高可达100μm 厚。在某些特殊场合还可用聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚酯(PET)和沙淋(Surlyn)树脂作热封层。

二、冷冲压成型硬片生产工艺要求

冷冲压成型硬片中的表面支持强度层、铝箔阻隔层、内表面热封层三层之间用粘合剂粘合的方法,将他们有机地结合起来,成为一个复合材料整体。要保证冷冲压成型硬片在强大的冲击成型作用力下不离层、不断裂,其粘合剂的选择和使用相当关键。一般要求粘合后,铝箔与表面支持强度层及热封层的粘合强度都达到8N/15mm 以上。

配方设计过程中还应控制好聚氨酯粘合剂中分子链段的软段和硬段的配比,以适应冷冲压成型的要求。一般普通粘合剂很难达到以上要求,因而冷冲压成型硬片所用的粘合剂一般是专门配制的特殊粘合剂。

随着GMP 的实施,国家对药品的包装要求越来越高,同时加强了药品的市场抽查,在药品的市场抽查中发现市场上流通的不少普通PVC硬片的泡罩包装的药品出现了变质现象。为了解决这一问题,药厂纷纷采用了加外包装袋、改为PVDC 硬片、改用SP 条形包装等方法来解决问题。新型高科技的冷冲压成型泡罩包装虽然包装成本较高,但由于其无与伦比的阻隔性能、良好的外观和全新的包装方式也成为一些高档药品包装更新换代的首选。

国家食品药品监督管理局于2002 年组织起草了国家药品包装容器(材料)的行业标准YBB00242002《聚酰胺/铝/聚氯乙烯冷成型固体药用复合硬片》,该标准详细规定了冷冲压成型硬片的外观、水蒸气透过率、氧气透过率、热合强度、剥离强度、氯乙烯单体残留量、溶剂残留量、溶出物试验、微生物限度、异常毒性等产品的性能指标。国家食品药品监督管理局自2003 年起开始向冷冲压成型硬片生产和进口企业发放生产和进口许可证,规范了冷冲压成型硬片的生产和经营。

三、常见问题及工艺解决办法

冷冲压成型泡罩包装虽然有良好的外观和极高的阻隔性能,但该产品在使用过程中有许多不同于其它包装材料的特点,在使用过程中经常会产生如下问题:冷冲压成型硬片在成泡时,成泡的泡穴上发生铝箔的裂纹和针孔,有时还会造成复合膜层之间的分离。

产生这些缺陷的原因主要有如下三类:

1、冷冲压成型硬片的质量存在问题

冷冲压成型硬片是一种技术含量极高的产品,对原材料和生产工艺都有许多特殊的要求,如果生产中的各项环节控制不好,极容易出现质量问题。

冷冲压成型硬片的支持强度层主要是靠外表层的双向拉伸的25μm尼龙膜。尼龙膜的硬度较低,很易被硬物划伤,尼龙表面一旦划伤,哪怕是很轻微的伤痕,都会使尼龙膜的强度大幅度地下降(就象包装袋或薄膜一旦有一个小缺口就很容易撕裂一样)。从而造成冷冲压成型硬片在冲压成泡时,划伤部位铝箔和尼龙膜断裂。在实际生产过程中,冷冲压成型硬片的划伤,特别是轻微的划伤是很难用肉眼发现的,往往到了冲压成泡时才发现,从而造成损失。冷冲压成型硬片的划伤,一般是由于复合膜在运行过程中导辊转动不灵活,导辊上有异物,以及复合膜接触到设备的固定部分(如静电刷)等造成的。划伤既可能是在生产厂家生产过程中产生,也可能是用户在包装设备上产生的。

冷冲压成型硬片中含有吸湿性的尼龙材料,尼龙吸潮后,很容易造成冷冲压成型硬片在冲压过程中产生尼龙膜与铝箔离层,并导致铝箔破裂或产生针孔,从而降低冷冲压成型硬片的成泡率。即使是冷冲压成型泡罩包装的成品,成泡部分也很容易在潮湿的环境停放后,产生尼龙与铝箔离层的现象(刚生产出来时不离层,但在潮湿环境中停放一段时间后离层),因而冷冲压成型硬片及双铝泡罩包装产品,应储存在干燥环境中。

2、冲压的模具设计有缺陷

冷冲压成型硬片是使用机械的冲压成型生成泡罩的,在冲压过程中冷冲压成型硬片的受力及拉伸变形很大,几乎接近材料的极限,如冲压的模具设计不当将有可能导致冲压成型中铝箔破裂。

模具的设计包括模具的材质选择及冲头的几何形状设计。

一般来说聚甲醛(POM)模具比不锈钢模具有更低的摩擦系数和较好的冲压性能,而聚四氟乙烯模具又比聚甲醛模具有更低的摩擦系数和更好的冲压性能。

较低的摩擦系数有利于减少冲压过程的摩擦,避免冷冲压成型材料受力不均,可以极大地避免冲压成泡过程中的铝箔裂纹和复合膜的离层。

对于相同大小的药品,降低摩擦系数可以有较大的冲压拉伸比,从而有效地降低包装材料的面积,降低成本。

聚四氟乙烯、聚甲醛和不锈钢三种模具与冷冲压成型硬片的聚氯乙烯(PVC)面的摩擦系数分别为0.4、1.2、2.1,对于包装相同的药品,达到相同的深度,其所需的成泡面积比为1: 1.2: 1.4。

使用聚四氟乙烯的冲头能有效地防止冲压过程中铝箔破裂和复合膜离层,同时又能节约包装材料,因而除了冲压很浅的场合,一般都采用聚四氟乙烯作冲压的模头。当然聚四氟乙烯也有一个缺点,就是硬度不够高,冲压模头容易损伤和刮花。使用损伤的模头冲压成泡,容易造成铝箔针孔破裂,增加废品率。

冷冲压成型的模头除了材质很重要以外,冲头的大小和几何形状对冲压成型的铝箔破裂和复合膜离层都有极大的影响。冲压成型的模头一般有平滑过度型和阶梯过度型两类。平滑过度型模头冲出的泡罩美观大方,但相对来说其耐冲压深度和抗冲压破裂的性能较差。阶梯过度型模头分为几段有棱角的台阶,在冲压过程中分级拉伸,冷冲压成型硬片在冲压过程中与冲压模头的接触面积较少,有利于均匀拉伸成泡。由于冲压模头的大小和形状对冲压成型的成泡率有较大影响,人们专门开发了相应的计算机软件,它可以根据被包装药片的外形尺寸,自动设计出最佳效果的冲压模头的几何形状。从而避免冷冲压成型硬片在冲压成泡中局部受力和拉伸过大。

3、冲压的工艺控制不当

冷冲压成型硬片是通过机械冲压拉伸成泡的,铝箔作为一种金属材料在冷状态下的延伸率是有限的,虽然冷冲压成型所用的铝箔是特殊的合金铝箔,其延伸率也只有20%左右。如果冲压过深,铝箔拉伸过大,很容易产生铝箔破裂和复合膜离层。一般的冷冲压成型泡罩包装机的冲压深度设计为可调节,在满足容下药物且热封时PTP 铝箔不粘药物的情况下,应尽量减小冲压深度。

冲压过程中,铝箔的破裂与铝箔的厚度有关。如确实需冲压成泡很深的应用,除了可以用增大模孔的面积来解决外,也可适当增加冷冲压成型硬片中铝箔材料的厚度来应对。

冷冲压成型过程从其作用力来说,一般有液压油缸冲压、气压气缸冲压、机械曲轴冲压和高压气体吹胀等四种形式,不论是何种形式,其成泡的速度对铝箔的破裂和复合膜的离层都有一定的影响。一般来说成泡速度过快,不利于冷冲压成型硬片的均匀拉伸和应力松驰,因而会使成泡的废品率增大。冷冲压成型硬片的冲压成泡是在接近材料的强度极限下成泡的,冲压模具上的任何损伤( 哪怕是一个很小的毛刺) 都可能造成废品率的上升,冲压模具损伤在陈旧的设备中是常有的事。

许多使用冷冲压成型硬片的泡罩包装机冲压成泡前有一个预热装置,可使冷冲压成型硬片在冲压之前预热到一定温度,从而“有利”于冷冲压成型硬片的冲压成泡。其实预热是否有利于冲压成泡要视具体情况而定。

冷冲压成型硬片的温度升高确实有利于PVC的冲压成型,但冷冲压成型硬片的温度升高会产生两个负面的影响:一是温度升高,在高温下PVC与铝箔以及铝箔与尼龙的复合强度将会下降,复合强度的下降将会导致冲压过程中铝箔破裂和复合膜离层的可能性增大。二是温度升高,将会导致冲头与PVC的摩擦系数增大,温度对摩擦系数的影响有多大与冲头的材质(聚四氟乙烯、聚甲醛、不锈钢)和PVC的配方有关。

实际生产过程中预热对冲压成泡的影响,因不同的设备(冲头的材质)和不同供应商的冷冲压成型硬片(PVC的配方)不同而不同,不可断言预热都是有利于冲压成泡的。

即使在预热有利于冲压成泡的时候,也应经过验证,选择一个合适的温度。摩擦系数和复合强度与温度的关系并非是线性关系,当预热温度太高时,冲头与PVC的摩擦系数可能会突然变很大,冷冲压成型硬片各层之间的复合强度可能会突然变小,从而使冷冲压成泡时产生铝箔断裂和复合膜离层。

人们虽然可以通过改变冲头的材料以及对冲头的形状进行计算机的最优化设计,以及控制好生产工艺,从而有效地防止冷冲压成型硬片在成泡时发生铝箔破裂和复合膜离层。但由于生产过程的复杂性及许多不确定因素的影响,无法绝对保证在成泡过程中100%没问题。比如铝箔的细微破裂和针孔未造成复合材料的穿孔,通常无法用泄漏试验(真空试验)进行检验,一般也无法用肉眼来检查发现。但冷冲压成型硬片在冲压成泡过程中产生的铝箔破裂和针孔对药品的保质期有致命的影响,将大大降低药品的保质期。为了安全保证,只允许无缺陷的泡罩向前运动进行药物的填装。为此,人们发明了一种“针孔检测器”,通过光信号或远红外射线对成型的冷冲压成型泡罩进行在线检测,检测装置的灵敏度可以调节,可以选择允许的最大针孔直径范围为30~200μm,当“针孔检测器”检测到成泡产生了孔径大于设定值的针孔时,“针孔检测器”就可以通过设备上的联动装置,将有缺陷的泡罩板剔除出去,从而100%保证药品的质量。

4、热封不良

冷冲压成型硬片虽然同普通PVC泡罩包装很相似,也是聚氯乙烯(PVC)与药品包装用PTP 铝箔热封,其实仍存在较大差别。普通PVC泡罩包装的PVC的厚度有200~300μm,而冷冲压成型硬片中的PVC厚度一般只有60μm,厚度不到普通PVC泡罩包装的四分之一。通用的PTP 铝箔的铝箔厚度只有20μm,其热封层的厚度只有3~4μm。

目前不论是冷冲压成型泡罩包装还是普通PVC泡罩包装,为了美观,其热封模具都做成点状热封纹而不是线条网状热封纹。线条网状热封纹其热封处是交错的网格线条,点状热封纹由于热封处是点,如果热封层没有足够的厚度,热封时没有足够的压力,热封时就没有足够的可流动的热封树脂填充各热封点之间的空隙,那么空气很可能通过各点之间的空隙与药品接触,这时用手撕的话,会感觉热封强度还可以,但在抽真空测试时往往存在漏气现象。我们曾对市场上流通的双铝泡罩包装药品进行抽样,发现有18%的药品存在漏气现象,这是相当严重的问题。我们建议应适当提高与冷冲压成型硬片热封PTP 铝箔的热封层厚度。点状热封膜PTP 铝箔热封层的厚度要多少合适,与点的大小、点的高度以及点的密度有关,具体应通过实验来判断。

5、变形

冷冲压成型硬片是通过冲压而形成泡罩的,在冲压过程中材料受的作用力及变形很大,除了成泡位置变形外,冲压成型后的冷冲压成型硬片的非成泡部分也会发生变形。冷冲压成型硬片发生变形后会产生两种不利影响:一是变形部分在热封时容易发生皱折,影响外观和气密性; 二是材料变形后产生翘起和波纹状,在包装走料过程中容易产生左右摆动,同时也不利于材料的前后定位。

成泡后的冷冲压成型硬片在包装过程中走料不稳定,会造成成型好的泡罩在热封底模上模孔对位不准确,造成热封时将已成泡部分压扁。这种缺陷在大泡的场合影响较小,只要不是太离谱,一般可以接受,但是当冷冲压成的泡罩很小,定位精度要求较高时,这种压偏的缺陷常常会造成废品。

冷冲压成型硬片在成泡过程中非成泡部分变形过大一般是由如下几个原因引起的:

① 冷冲压成型硬片的冲压成型性能较差,材料太软挺度不够。

② 冲压成型的模具设计不合理,冲压过程的拉伸不均匀或不能很好地夹住冷冲压成型硬片。

③ 包装设备的牵引机构和材料的张力控制不合理。

6、质量检测

冷冲压成型硬片制成的双铝泡罩包装确实有其他包装形式无法比拟的阻隔性能,但也有一个致命的问题——包装成品不能看到药物,药厂只能加强药品包装过程中的检查。许多国产双铝泡罩包装机为了方便人工用眼的检查,成泡及填充后的运行区域都设计得较长,以方便人员检查及处理。

但是由于药品包装过程中速度较快,不易用肉眼来检查,同时肉眼检查存在着容易疲劳,人员责任心等问题,根本无法确保被包装的药片100%可靠。

为了解决这一问题,有些双铝泡罩包装设备在冷冲压成泡后,除了加装“针孔检测”仪外,还在PTP 铝箔热封之前安装电子摄像对比系统,将断片、坏片和缺片的产品剔除出来( 也有在包装后安装高精度的电子称量系统的) ,可以根据对产品要求的严格程度,安装不同分辨率的电子摄像系统。有些电子摄像对比系统,可能会对冷冲压成型硬片的光泽和反光性有一些特别的要求,在没有安装滤镜和偏光装置的电子摄像对比系统中,如果冷冲压成型硬片成泡后的表面反光太强,会对摄像效果造成干扰,影响其分辨率,甚至无法正常分辨产品的好坏。

7、热封压伤

冷冲压成型硬片制成的双铝泡罩包装产品双面不透明,所以也无法检查在热封过程中是否存在PTP 铝箔被热封模头压伤的情况。

PTP 铝箔被压伤一般有两种情况,一种是在没有热合的泡罩位置被压穿,这种压穿将会使药品的密封性完全破坏,使得药品可能在短期内变质,这种没有封合的泡罩位置的压穿可以通过抽真空试验进行检测。

PTP 铝箔的另一种压伤是在热封位置上,由于热封模具有毛刺或由于热封压力过大而引起的封合点上铝箔的压穿,这种压穿没有破坏泡罩包装的气密性,不能通过抽真空试验来检查。

对于普通透明PVC泡罩包装,由于PVC本身的阻隔性较低,包装整体的阻隔性主要由热吸塑成泡部分的PVC所决定。这种热封位置上的压伤对药品的保质期影响也不大,同时由于PVC是透明的,成品也很容易通过对光的观察来判断是否存在压穿问题。

冷冲压成型硬片制成的双铝泡罩包装产品是一种阻隔性极高的产品包装形式,其热封位置的PTP 铝箔的压穿虽然不影响泡罩包装的气密性,但却对包装的阻隔性及药品的保质期有很大的影响。

双铝泡罩包装双面不透明,热封位置是否存在压穿是极难检查和发现的,从某种意义上说是无法检查判定的。为了保证万无一失,除了加强控制,对生产工艺过程进行严格验证外,可以适当增加PTP 铝箔的厚度来解决,一般PTP 铝箔中铝箔的厚度为20μm,对于冷冲压成型硬片配套的PTP 铝箔可采用厚度为25μm 的铝箔,某些高要求产品可采用30μm 的铝箔。

四、结语

药品的冷冲压成型泡罩包装经过了近二十年的发展,目前技术不断成熟,相关设备自动化程度也越来越高,其包装更趋于完美。随着冷冲压成型硬片及双铝泡罩包装机的国产化以及价格的降低,我国使用冷冲压成型泡罩包装的药品将越来越多,用冷冲压成型泡罩包装的药品正进入千家万户。

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