塑料输液容器用聚丙烯组合盖外盖材料增韧研究

许永昌，官习鹏，刘永焯，诸 泉，蒋文真

（广州市合诚化学有限公司，广东 广州510530）

塑料输液容器用聚丙烯组合盖外盖材料增韧研究

许永昌，官习鹏＊，刘永焯，诸 泉，蒋文真

（广州市合诚化学有限公司，广东 广州510530）

采用聚乙烯（PE）、弹性体及其他助剂增韧改性聚丙烯（PP），熔融共混挤出造粒制备塑料输液容器用PP组合盖（拉环式）外盖材料。通过正交试验优化了各组分之间的配比，考察了弹性体、PE对PP组合盖（拉环式）外盖材料力学性能及外盖拉环开启力的影响。结果表明，弹性体用量对复合材料的性能影响最显著，当弹性体用量从15份（质量份，下同）增加到30份时，材料的冲击强度先增大后减小，最高达35kJ/m2，拉伸强度减小，外盖拉环开启力减小，最小达64N；扫描电子显微镜观察显示，当弹性体的用量小于25份时，弹性体在体系中分散均匀；综合考虑，满足外盖拉环开启力小、拉伸强度大和冲击强度大的最佳配方为PP 65份，PE 20份，弹性体25份，抗氧剂及其他助剂共5份。

聚丙烯；输液容器；组合盖；外盖；增韧；拉环开启力

0 前言

塑料输液容器主要指PP输液瓶及PP输液软袋，相对传统的玻璃容器，塑料输液容器具有明显优势［1］，其应用不断增加。2007年，我国大输液市场容量超过60亿瓶，其中塑料输液瓶和非聚氯乙烯（PVC）输液软袋市场占有率约为30%。从2006年开始，塑料瓶和非PVC输液软袋取代传统玻璃瓶的速度明显加快［2］。PP输液瓶/袋主要使用拉环式组合盖，其组合盖由3部分组成：外盖、垫片与内盖［3］。其中外盖除需要满足医药包装材料的生物安全性能外，还需要一定的刚性与韧性平衡，以满足使用时拉环容易开启，但拉环自身不会断裂等要求。由于PP材质较脆，不能单独用来制备外盖材料，因此需要进行增韧改性。

目前国内现有文献的研究大部分集中在医用PP原料的研发、生产、工艺研究、性能改善与结构表征［4－8］，少部分涉及PP输液瓶专用料的研发与生产［9－10］与PP瓶的结构研究［11］，少见PP拉环式组合盖外盖材料的增韧改性研究报道。本文以制备拉伸强度及冲击强度均衡，外盖开启力小的外盖材料为目标因素，采用正交试验对拉环式外盖材料各组分配比进行了优化，并对材料的力学性能与组分相容性的关系作了初步探讨。

1 实验部分

1.1 主要原料

PP，粒料，医用级别，熔体流动速率8g/10min（230℃，2.16kg，下同），日本聚丙烯公司；

PE，粒料，医用级别，熔体流动速率10g/10min，日本普瑞曼公司；

弹性体，医用级别，熔体流动速率4g/10min，美国科腾公司；

抗氧剂，1010，粉状，德国巴斯夫公司。

1.2 主要设备及仪器

混合机，SHR－25A，张家港轻工机械厂有限公司；

双螺杆挤出机，TSE－40B，南京瑞亚高聚物装备公司；

注塑机，BT 80V－11，广州博创机械有限公司；

冲击试验机，HIT 25P，德国Zwick/Roell公司；

万能试验机，CMT6104，深圳新三思材料检测有限公司；

扫描电子显微镜（SEM），S－3700N，日本日立公司。

1.3 样品制备

将PP、PE与弹性体及各助剂在混合机中混合均匀，加入双螺杆挤出机中熔融挤出，温度为200℃，主机转速为40r/min，挤出后冷却，干燥，切粒；

在注塑机上装好PP组合盖外盖模具，将切粒好的外盖材料加入注塑机，温度200℃，注射成型为外盖样品。

1.4 性能测试与结构表征

悬臂梁缺口冲击强度按照GB/T 1843—2008测试，测试温度为23℃；

拉伸强度按照GB/T 1040—2006测试，测试温度为23℃，拉伸速率为100mm/min；

弯曲强度按GB/T 9341—2000测试，弯曲速率为10mm/min；

外盖拉环开启力按照YBB 00242004测试，室温，将外盖固定在拉伸仪的夹具上，将拉环固定在另一移动夹具上，沿与垂直呈23°斜角方向，以200mm/min的速度对拉环施加拉力，记录拉环被启破的力值；

将样品浸入液氮冷却60min，取出后立即脆断，断面放入50℃的正庚烷中刻蚀15min，然后清洗干燥后在断面喷金，用SEM观察并拍照。

2 结果与讨论

2.1 PP组合盖外盖材料制备优化

本文的主要目的是考察PP、PE与弹性体用量对外盖材料的拉伸强度、冲击强度和外盖拉环开启力的影响。根据探索性实验得到的结果，确定固定因素如下：抗氧剂及其他助剂用量为5份。以PP用量、PE用量与弹性体用量为可变因素，每个因素选择4个水平。实验确定3个目标因素：拉伸强度、冲击强度和外盖拉环开启力，要求外盖拉环开启力小，拉伸强度适中，冲击强度大。因此实验设计表1的3因素4水平表，并采用L16（45）正交表［12］安排实验，对3个影响因素进行考察，分析可变因素的变化对目标因素的影响程度。

表1 因素水平表Tab.1 Factors and level table

试验结果如表2所示，极差分析如表3所示。从表2和表3可看出，3个可变因素对材料拉伸强度的影响顺序为C＞B＞A；对材料冲击强度的影响顺序为C＞A＞B；而对外盖拉环开启力的影响顺序为C＞B＞A。由因子对指标的直观影响趋势（图1～3）可直接判断出优化的制备条件是：外盖拉环开启力最小的制备条件是A1B4C4，而拉伸强度最大的制备条件是A4B1C1，冲击强度最大的制备条件是A1B1C3。

表2 材料配方优化的正交设计［L16（45）］实验结果Tab.2 Results of orthogonal design［L16（45）］about optimizing formulas of out caps

表3 正交设计变量分析结果Tab.3 Variable analysis results of orthogonal design

图1 各项性能的影响因素趋势图Fig.1 Variation of each properties with different contents of each components

从图1（a）可见，A取水平1时拉伸强度最小，取水平2～4时，拉伸强度递增，取水平4时拉伸强度最大；从图1（b）可见，A取水平1时冲击强度最大，取水平2和3时，冲击强度变化不大；从图1（c）可见，A取水平1时开启力最小，取水平2时开启力稍增大；综合考虑外盖拉环开启力、拉伸强度、冲击强度，取A的优化水平为2，即PP用量为65份。

从图1（a）可见，B取水平1时拉伸强度最大，取水平2～4时，拉伸强度递减，但变化幅度较小；从图1（b）可见，B取水平1时冲击强度最大，取水平2和3时，冲击强度变化不大；从图1（c）可见，B取水平4时外盖拉环开启力最小，取水平1～3时，外盖拉环开启力递减；综合考虑外盖拉环开启力、拉伸强度与冲击强度，取B的优化水平为3，即PE用量为20份。

从图1（a）可见，C取水平1时拉伸强度最大，取水平2～4时，拉伸强度递减；从图1（b）可见，C取水平3时冲击强度最大，取水平1时冲击强度最小；从图1（c）可见，C取水平1时外盖拉环开启力最大，取水平2～4时外盖拉环开启力递减，水平3和4时外盖拉环开启力相差较小；综合考虑外盖拉环开启力、拉伸强度与冲击强度，取C的优化水平为3，即弹性体的用量为25份。

2.2 采用优化条件制备的外盖材料性能

通过正交试验得到的外盖材料优化制备条件，即PP 65份、PE 20份、弹性体25份、抗氧剂及其他助剂5份，制备的外盖材料力学性能如表4所示。

表4 最佳配方时外盖材料的力学性能Tab.4 Mechanical properties of outer cap composite in the best formula

2.3 影响材料拉伸强度的因素

由极差分析的结果（表3）和拉伸强度影响趋势图［图1（a）］可见，弹性体与PE用量增加，外盖材料的拉伸强度降低；随着PP用量的增加，外盖材料的拉伸强度增大。在PP/PE/弹性体构成的三元体系中，按混合法则［13］，材料的拉伸强度为σ＝σPPυPP－σPEυPE－σEυE（其中σ为共混材料的拉伸强度，σPP、υPP分别为PP的拉伸强度及其在共混材料中的体积分数；σPE、υPE分别为PE的拉伸强度及其在共混材料中的体积分数；σE、υE分别为弹性体的拉伸强度及其在共混材料中的体积分数），随着υPE与υE的增大，υPP减小，共混材料的拉伸强度从σPP趋向于σPE或σE。由于弹性体及PE的拉伸强度小于PP，即σE、σPE小于σPP，因此外盖材料的拉伸强度随弹性体与PE用量的增加而下降。

2.4 影响材料冲击强度的因素

由极差分析的结果（表3）和冲击强度影响趋势图［图1（b）］可见，弹性体用量从15份增加到25份时，材料的冲击强度增大；弹性体用量大于25份时，材料的冲击强度减小。从不同弹性体用量的SEM照片（图2）中可看到：弹性体为20份时，其在材料体系内以近似球形分散得比较均匀；弹性体为25份时，其在材料体系内以条状均匀分散；弹性体为30份时，其在材料体系内主要以条状分散，并出现块状分散。这可能是由于弹性体比PP的熔体流动速率小，当弹性体的用量小于25份时，弹性体分散比较容易，且弹性体相对较少，分散后不容易团聚，弹性体可在PP基体内均匀分布，随着弹性体用量的增加，材料的韧性变好；当弹性体用量大于25份时，其在PP基体中的分散开始困难，弹性体相对较多，分散后容易团聚，弹性体在PP基体分布不够均匀，导致材料的整体韧性有所下降。从［图1（b）］还可看到，随着PE用量的增加与PP用量的减少，材料的冲击强度增大。这可能是因为，PE具有较好的韧性，而PP的韧性较差，而PE在PP基体的分散比较容易，且用量较少，不容易团聚。

图2 不同弹性体用量时共混材料的SEM照片Fig.2 SEM micrographs for the blends with different contents of elastomer

2.5 影响外盖拉环开启力的因素

由极差分析的结果（表3）和外盖拉环开启力影响趋势图［图1（c）］可见，随着弹性体用量的增加，外盖拉环开启力减小；随着PP用量的减少与PE用量的增加，外盖拉环开启力变小。外盖拉环开启力与材料的强度有关系，材料强度越小，外盖拉环开启力也越小；因为弹性体本身的强度较小，而PE的强度较大，PP的强度最大，随着弹性体用量与PE用量的增加，PP在体系内的含量减少，整个体系的强度变小，所以外盖拉环开启力变小。

3 结论

（1）通过PE、弹性体及其他助剂与PP熔融共混，挤出造粒，可成功制备塑料输液容器用PP组合盖（拉环式）外盖材料，并可注射成外盖；

（2）正交试验优化的最优配方组合为：PP 65份，PE 20份，弹性体25份，抗氧剂及其他助剂5份，以上组合满足外盖拉环开启力小，拉伸强度、冲击强度好的要求。

［1］ 李 敏.输液材料的发展趋势及应用［J］.河北化工，2007，30（8）：29：29－31.

［2］ 刘会泽，林 宇.输液包装改革状况综述［J］.科技咨询导报，2007，14（14）：209.

［3］ 国家食品药品监督管理局.YBB00242004塑料输液容器用聚丙烯组合盖（拉环式）［S］.北京：中国标准出版社，2002.

［4］ 郑宁来.我国透明聚丙烯的研制与生产［J］.中国科技成果，2001，15（4）：10－11.

［5］ 孙旭东，赵晓东，张兰波.透明聚丙烯的工业生产［J］.石油化工，2001，30（S1）：518－520.

［6］ 田兴龙.成核剂在医疗器械制品中的应用［J］.国外塑料，2007，25（10）：59－60.

［7］ 刘 斌，张 东，张普亮，等.LZB－GC抗菌剂在医用聚丙烯中的应用研究［J］.塑料工业，2009，37（5）：53－55.

［8］ 赵海燕.POE提高医用透明PP低温韧性的研究［D］.淄博：山东理工大学材料科学与工程学院，2008.

［9］ 赵唤群，郭睿威，吴炳印，等.挤-拉-吹PP输液瓶专用树脂的开发［J］.合成树脂及塑料，2006，23（4）：47－49.

［10］ 佟中军.PP医用输液瓶专用树脂的工业开发［J］.合成树脂及塑料，2003，20（6）：28－33.

［11］ 邹晓轩，万阳浴，刘文军，等.直立式医用聚丙烯输液瓶的熔融行为和结晶结构［J］.高分子材料科学与工程，2007，23（2）：203－205.

［12］ 北京大学数学力学系概率统计组.正交试验法［M］.北京：石油化学工业出版社，1976：20－25.

［13］ 耿孝正.塑料混合及连续混合设备［M］.北京：轻工业出版社，2008：24－36.

Toughening Modification of PP Outer Cap Composite Used in Combinational Closures of Plastic Infusion Containers

XU Yongchang，GUAN Xipeng＊，LIU Yongzhuo，ZHU Quan，JIANG Wenzhen
（Guangzhou Honsea Chemistry Co，Ltd，Guangzhou 510530，China）

Polypropylene （PP）composite for outer－cap ring of plastic infusion containers was prepared via melt extrusion blending of polyethylene（PE），elastomer，PP，and other additives.The ratio of PP，PE，and elastomer was optimized by orthogonal factorial design.The mechanical properties of the composite and the open force of outer－cap ring were studied.It showed that the most important factor affecting the mechanical properties and the open force of outer－cap ring was the content of elastomer.The impact strength of the composite increased first and then decreased，the tensile strength and open force of outer－cap ring decreased with increasing contents of elastomer.SEM observations revealed that elastomer was finely distributed in the composite when the content of elastomer was less than 25mass%.It could be concluded that the optimized recipe was：PP 65mass%，PE 20mass%，elastomer 25mass%，and antioxidant and other additives 5%.

polypropylene；infusion container；combinational closure；outer cap；tougheness；open force

TQ325.1＋4

B

1001－9278（2011）08－0057－05

2011－04－06

广东省教育部科技部产学研结合项目 -基地建设专项（2009B090200025）；广东省中国科学院全面战略合作计划项目（2009B091300067）；粤港澳关键领域重点突破招标项目（201001061）

＊联系人，gxp＠honsea.com