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冷沖壓成型鋁硬片在藥用泡罩包裝中的應用解析
時間:2015-11-06   來源: 包裝前沿   閱讀:15711次

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藥品的鋁塑泡罩包裝又稱水泡眼包裝,簡稱PTP包裝。它是把包裝材料膜片通過加熱真空成型或冷沖壓成型,形成適合于片劑、膠囊等形狀的凹槽,然后填充藥物,再用涂有可熱封涂層的藥品包裝用鋁箔與之熱封,形成單元包裝。

這種包裝形式具有許多優點,首先是給患者提供了準確的一次劑量的藥品,每一粒藥品獨立分隔包裝,互不影響,既方便攜帶,又增強了用藥的安全性;其次使用這種包裝形式,對藥品的?;ば閱芎?,而且生產速度快,自動化程度高,成本低、重量輕,運輸方便,安全性好,既經濟又方便。因而這種包裝形式在藥品包裝領域得到了廣泛的應用,成為片劑和膠囊的最主要的包裝形式。

藥品的鋁塑泡罩包裝的覆蓋材料一般都是鋁箔(稱為藥品泡罩包裝用鋁箔),而成泡基材一般采用聚氯乙烯(PVC)硬片。但是隨著制藥行業的不斷發展,這一傳統的包裝方式暴露出其所存在的缺陷:由于PVC硬片的阻隔性能有限,很難保證藥品在其使用期限內品質不發生任何改變。

針對普通泡罩包裝阻隔性能有限等問題,人們開發了冷沖壓成型硬片。冷沖壓成型硬片采用沖壓成型代替了原來普通泡罩包裝的真空吸塑成型,從而使泡罩包裝片材能使用純鋁復合材料作為成泡材料。高強度合金鋁箔在冷沖壓成型硬片中的使用,也使得冷沖壓成型硬片有其它任何材料無法達到的極高的阻水蒸氣、氧氣及隔光性能。

冷沖壓成型復合硬片產品,進行沖壓成型、填充藥品、熱封后的產品形態如下圖:

QQ截圖20150901154831.jpg

一、冷沖壓成型硬片的結構組成

冷沖壓成型硬片一般由三個功能層:表面支持強度層、中間鋁箔阻隔層、內表面熱封層組成。表面支持層可以印上客戶所需的顏色或圖案,各層之間采用粘合的方法結合在一起,成為一個復合膜整體,產品構成如圖所示:

QQ截圖20150901154836.jpg

1、表面支持強度層

冷沖壓成型硬片的表面支持強度層要求光滑平整,透明性好,有極高的機械強度,優良的抗沖擊性能,并具有一定的耐磨和抗穿刺能力,對整個包裝起?;ぷ饔?。

冷沖壓成型硬片的表面支持層一般采用高強度、抗沖擊性能優異的雙向拉伸尼龍薄膜(BOPA)。由于冷沖壓成型硬片在包裝的冷沖壓成泡過程中,受到的沖擊力和拉伸很大,一般軟包裝用的15μm 厚BOPA 不能滿足其要求,故一般采用25μm 厚的BOPA 作為表面支持強度層。對于淺沖壓成泡的場合,為了節約成本,也可用雙向拉伸的聚酯薄膜(BOPET)或雙向拉伸的聚丙烯薄膜(BOPP)來代替雙向拉伸的尼龍膜。

2、中間鋁箔阻隔層

冷沖壓成型所使用的中間鋁箔阻隔層除了擔負起阻隔性的功能外,還具有強度支持、抗沖壓拉伸等功能,因而不同于一般軟包裝復合用鋁箔。冷沖壓成型所使用的鋁箔是具有極高強度和良好延伸性的合金鋁箔。

由于冷沖壓成型硬片要進行沖壓成型,因而所用的鋁箔厚度也比普通復合膜要厚得多,一般采用45μm 厚的鋁箔,對于沖壓成泡淺的場合可適當降低鋁箔的厚度,一般最低可降到30μm 厚,對于沖壓成泡特別深(≥15mm)的應用,或要求冷沖壓成型硬片具有較好的挺性的應用,可將鋁箔厚度適當增加,最厚可增加到70μm。

3、內表面熱封層

冷沖壓成型硬片的內表面熱封層一般采用聚氯乙烯(PVC)硬片,這樣冷沖壓成型硬片就可以像普通泡罩包裝一樣,用PVC硬片與藥品包裝用PTP鋁箔進行熱封。冷沖壓成型硬片使用的PVC不同于普通PVC,考慮到復合和沖壓等因素,通常不用普通的增塑劑和潤滑劑,而是通過在PVC分子鏈段中接枝增塑劑因子的方法進行內增塑和內潤滑。同時為了提高PVC的抗沖擊性能,在PVC硬片中加入的增強劑也比普通PVC硬片多得多,從而使其具有良好的復合性能和沖壓成型性能。

冷沖壓成型硬片中的PVC厚度一般為60μm,在要求產品具有較高剛性和挺度的場合,可將PVC的厚度適當增加,最高可達100μm 厚。在某些特殊場合還可用聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚酯(PET)和沙淋(Surlyn)樹脂作熱封層。

二、冷沖壓成型硬片生產工藝要求

冷沖壓成型硬片中的表面支持強度層、鋁箔阻隔層、內表面熱封層三層之間用粘合劑粘合的方法,將他們有機地結合起來,成為一個復合材料整體。要保證冷沖壓成型硬片在強大的沖擊成型作用力下不離層、不斷裂,其粘合劑的選擇和使用相當關鍵。一般要求粘合后,鋁箔與表面支持強度層及熱封層的粘合強度都達到8N/15mm 以上。

配方設計過程中還應控制好聚氨酯粘合劑中分子鏈段的軟段和硬段的配比,以適應冷沖壓成型的要求。一般普通粘合劑很難達到以上要求,因而冷沖壓成型硬片所用的粘合劑一般是專門配制的特殊粘合劑。

隨著GMP 的實施,國家對藥品的包裝要求越來越高,同時加強了藥品的市場抽查,在藥品的市場抽查中發現市場上流通的不少普通PVC硬片的泡罩包裝的藥品出現了變質現象。為了解決這一問題,藥廠紛紛采用了加外包裝袋、改為PVDC 硬片、改用SP 條形包裝等方法來解決問題。新型高科技的冷沖壓成型泡罩包裝雖然包裝成本較高,但由于其無與倫比的阻隔性能、良好的外觀和全新的包裝方式也成為一些高檔藥品包裝更新換代的首選。

國家食品藥品監督管理局于2002 年組織起草了國家藥品包裝容器(材料)的行業標準YBB00242002《聚酰胺/鋁/聚氯乙烯冷成型固體藥用復合硬片》,該標準詳細規定了冷沖壓成型硬片的外觀、水蒸氣透過率、氧氣透過率、熱合強度、剝離強度、氯乙烯單體殘留量、溶劑殘留量、溶出物試驗、微生物限度、異常毒性等產品的性能指標。國家食品藥品監督管理局自2003 年起開始向冷沖壓成型硬片生產和進口企業發放生產和進口許可證,規范了冷沖壓成型硬片的生產和經營。

三、常見問題及工藝解決辦法

冷沖壓成型泡罩包裝雖然有良好的外觀和極高的阻隔性能,但該產品在使用過程中有許多不同于其它包裝材料的特點,在使用過程中經?;岵縵攣侍?冷沖壓成型硬片在成泡時,成泡的泡穴上發生鋁箔的裂紋和針孔,有時還會造成復合膜層之間的分離。

產生這些缺陷的原因主要有如下三類:

1、冷沖壓成型硬片的質量存在問題

冷沖壓成型硬片是一種技術含量極高的產品,對原材料和生產工藝都有許多特殊的要求,如果生產中的各項環節控制不好,極容易出現質量問題。

冷沖壓成型硬片的支持強度層主要是靠外表層的雙向拉伸的25μm尼龍膜。尼龍膜的硬度較低,很易被硬物劃傷,尼龍表面一旦劃傷,哪怕是很輕微的傷痕,都會使尼龍膜的強度大幅度地下降(就象包裝袋或薄膜一旦有一個小缺口就很容易撕裂一樣)。從而造成冷沖壓成型硬片在沖壓成泡時,劃傷部位鋁箔和尼龍膜斷裂。在實際生產過程中,冷沖壓成型硬片的劃傷,特別是輕微的劃傷是很難用肉眼發現的,往往到了沖壓成泡時才發現,從而造成損失。冷沖壓成型硬片的劃傷,一般是由于復合膜在運行過程中導輥轉動不靈活,導輥上有異物,以及復合膜接觸到設備的固定部分(如靜電刷)等造成的?;思瓤贍蓯竊諫Ъ疑討脅?,也可能是用戶在包裝設備上產生的。

冷沖壓成型硬片中含有吸濕性的尼龍材料,尼龍吸潮后,很容易造成冷沖壓成型硬片在沖壓過程中產生尼龍膜與鋁箔離層,并導致鋁箔破裂或產生針孔,從而降低冷沖壓成型硬片的成泡率。即使是冷沖壓成型泡罩包裝的成品,成泡部分也很容易在潮濕的環境停放后,產生尼龍與鋁箔離層的現象(剛生產出來時不離層,但在潮濕環境中停放一段時間后離層),因而冷沖壓成型硬片及雙鋁泡罩包裝產品,應儲存在干燥環境中。

2、沖壓的模具設計有缺陷

冷沖壓成型硬片是使用機械的沖壓成型生成泡罩的,在沖壓過程中冷沖壓成型硬片的受力及拉伸變形很大,幾乎接近材料的極限,如沖壓的模具設計不當將有可能導致沖壓成型中鋁箔破裂。

模具的設計包括模具的材質選擇及沖頭的幾何形狀設計。

一般來說聚甲醛(POM)模具比不銹鋼模具有更低的摩擦系數和較好的沖壓性能,而聚四氟乙烯模具又比聚甲醛模具有更低的摩擦系數和更好的沖壓性能。

較低的摩擦系數有利于減少沖壓過程的摩擦,避免冷沖壓成型材料受力不均,可以極大地避免沖壓成泡過程中的鋁箔裂紋和復合膜的離層。

對于相同大小的藥品,降低摩擦系數可以有較大的沖壓拉伸比,從而有效地降低包裝材料的面積,降低成本。

聚四氟乙烯、聚甲醛和不銹鋼三種模具與冷沖壓成型硬片的聚氯乙烯(PVC)面的摩擦系數分別為0.4、1.2、2.1,對于包裝相同的藥品,達到相同的深度,其所需的成泡面積比為1: 1.2: 1.4。

使用聚四氟乙烯的沖頭能有效地防止沖壓過程中鋁箔破裂和復合膜離層,同時又能節約包裝材料,因而除了沖壓很淺的場合,一般都采用聚四氟乙烯作沖壓的模頭。當然聚四氟乙烯也有一個缺點,就是硬度不夠高,沖壓模頭容易損傷和刮花。使用損傷的模頭沖壓成泡,容易造成鋁箔針孔破裂,增加廢品率。

冷沖壓成型的模頭除了材質很重要以外,沖頭的大小和幾何形狀對沖壓成型的鋁箔破裂和復合膜離層都有極大的影響。沖壓成型的模頭一般有平滑過度型和階梯過度型兩類。平滑過度型模頭沖出的泡罩美觀大方,但相對來說其耐沖壓深度和抗沖壓破裂的性能較差。階梯過度型模頭分為幾段有棱角的臺階,在沖壓過程中分級拉伸,冷沖壓成型硬片在沖壓過程中與沖壓模頭的接觸面積較少,有利于均勻拉伸成泡。由于沖壓模頭的大小和形狀對沖壓成型的成泡率有較大影響,人們專門開發了相應的計算機軟件,它可以根據被包裝藥片的外形尺寸,自動設計出最佳效果的沖壓模頭的幾何形狀。從而避免冷沖壓成型硬片在沖壓成泡中局部受力和拉伸過大。

3、沖壓的工藝控制不當

冷沖壓成型硬片是通過機械沖壓拉伸成泡的,鋁箔作為一種金屬材料在冷狀態下的延伸率是有限的,雖然冷沖壓成型所用的鋁箔是特殊的合金鋁箔,其延伸率也只有20%左右。如果沖壓過深,鋁箔拉伸過大,很容易產生鋁箔破裂和復合膜離層。一般的冷沖壓成型泡罩包裝機的沖壓深度設計為可調節,在滿足容下藥物且熱封時PTP 鋁箔不粘藥物的情況下,應盡量減小沖壓深度。

沖壓過程中,鋁箔的破裂與鋁箔的厚度有關。如確實需沖壓成泡很深的應用,除了可以用增大??椎拿婊唇餼鐾?,也可適當增加冷沖壓成型硬片中鋁箔材料的厚度來應對。

冷沖壓成型過程從其作用力來說,一般有液壓油缸沖壓、氣壓氣缸沖壓、機械曲軸沖壓和高壓氣體吹脹等四種形式,不論是何種形式,其成泡的速度對鋁箔的破裂和復合膜的離層都有一定的影響。一般來說成泡速度過快,不利于冷沖壓成型硬片的均勻拉伸和應力松馳,因而會使成泡的廢品率增大。冷沖壓成型硬片的沖壓成泡是在接近材料的強度極限下成泡的,沖壓模具上的任何損傷( 哪怕是一個很小的毛刺) 都可能造成廢品率的上升,沖壓模具損傷在陳舊的設備中是常有的事。

許多使用冷沖壓成型硬片的泡罩包裝機沖壓成泡前有一個預熱裝置,可使冷沖壓成型硬片在沖壓之前預熱到一定溫度,從而“有利”于冷沖壓成型硬片的沖壓成泡。其實預熱是否有利于沖壓成泡要視具體情況而定。

冷沖壓成型硬片的溫度升高確實有利于PVC的沖壓成型,但冷沖壓成型硬片的溫度升高會產生兩個負面的影響:一是溫度升高,在高溫下PVC與鋁箔以及鋁箔與尼龍的復合強度將會下降,復合強度的下降將會導致沖壓過程中鋁箔破裂和復合膜離層的可能性增大。二是溫度升高,將會導致沖頭與PVC的摩擦系數增大,溫度對摩擦系數的影響有多大與沖頭的材質(聚四氟乙烯、聚甲醛、不銹鋼)和PVC的配方有關。

實際生產過程中預熱對沖壓成泡的影響,因不同的設備(沖頭的材質)和不同供應商的冷沖壓成型硬片(PVC的配方)不同而不同,不可斷言預熱都是有利于沖壓成泡的。

即使在預熱有利于沖壓成泡的時候,也應經過驗證,選擇一個合適的溫度。摩擦系數和復合強度與溫度的關系并非是線性關系,當預熱溫度太高時,沖頭與PVC的摩擦系數可能會突然變很大,冷沖壓成型硬片各層之間的復合強度可能會突然變小,從而使冷沖壓成泡時產生鋁箔斷裂和復合膜離層。

人們雖然可以通過改變沖頭的材料以及對沖頭的形狀進行計算機的最優化設計,以及控制好生產工藝,從而有效地防止冷沖壓成型硬片在成泡時發生鋁箔破裂和復合膜離層。但由于生產過程的復雜性及許多不確定因素的影響,無法絕對保證在成泡過程中100%沒問題。比如鋁箔的細微破裂和針孔未造成復合材料的穿孔,通常無法用泄漏試驗(真空試驗)進行檢驗,一般也無法用肉眼來檢查發現。但冷沖壓成型硬片在沖壓成泡過程中產生的鋁箔破裂和針孔對藥品的保質期有致命的影響,將大大降低藥品的保質期。為了安全保證,只允許無缺陷的泡罩向前運動進行藥物的填裝。為此,人們發明了一種“針孔檢測器”,通過光信號或遠紅外射線對成型的冷沖壓成型泡罩進行在線檢測,檢測裝置的靈敏度可以調節,可以選擇允許的最大針孔直徑范圍為30~200μm,當“針孔檢測器”檢測到成泡產生了孔徑大于設定值的針孔時,“針孔檢測器”就可以通過設備上的聯動裝置,將有缺陷的泡罩板剔除出去,從而100%保證藥品的質量。

4、熱封不良

冷沖壓成型硬片雖然同普通PVC泡罩包裝很相似,也是聚氯乙烯(PVC)與藥品包裝用PTP 鋁箔熱封,其實仍存在較大差別。普通PVC泡罩包裝的PVC的厚度有200~300μm,而冷沖壓成型硬片中的PVC厚度一般只有60μm,厚度不到普通PVC泡罩包裝的四分之一。通用的PTP 鋁箔的鋁箔厚度只有20μm,其熱封層的厚度只有3~4μm。

目前不論是冷沖壓成型泡罩包裝還是普通PVC泡罩包裝,為了美觀,其熱封模具都做成點狀熱封紋而不是線條網狀熱封紋。線條網狀熱封紋其熱封處是交錯的網格線條,點狀熱封紋由于熱封處是點,如果熱封層沒有足夠的厚度,熱封時沒有足夠的壓力,熱封時就沒有足夠的可流動的熱封樹脂填充各熱封點之間的空隙,那么空氣很可能通過各點之間的空隙與藥品接觸,這時用手撕的話,會感覺熱封強度還可以,但在抽真空測試時往往存在漏氣現象。我們曾對市場上流通的雙鋁泡罩包裝藥品進行抽樣,發現有18%的藥品存在漏氣現象,這是相當嚴重的問題。我們建議應適當提高與冷沖壓成型硬片熱封PTP 鋁箔的熱封層厚度。點狀熱封膜PTP 鋁箔熱封層的厚度要多少合適,與點的大小、點的高度以及點的密度有關,具體應通過實驗來判斷。

5、變形

冷沖壓成型硬片是通過沖壓而形成泡罩的,在沖壓過程中材料受的作用力及變形很大,除了成泡位置變形外,沖壓成型后的冷沖壓成型硬片的非成泡部分也會發生變形。冷沖壓成型硬片發生變形后會產生兩種不利影響:一是變形部分在熱封時容易發生皺折,影響外觀和氣密性; 二是材料變形后產生翹起和波紋狀,在包裝走料過程中容易產生左右擺動,同時也不利于材料的前后定位。

成泡后的冷沖壓成型硬片在包裝過程中走料不穩定,會造成成型好的泡罩在熱封底模上??錐暈徊蛔既?,造成熱封時將已成泡部分壓扁。這種缺陷在大泡的場合影響較小,只要不是太離譜,一般可以接受,但是當冷沖壓成的泡罩很小,定位精度要求較高時,這種壓偏的缺陷常?;嵩斐煞掀?。

冷沖壓成型硬片在成泡過程中非成泡部分變形過大一般是由如下幾個原因引起的:

① 冷沖壓成型硬片的沖壓成型性能較差,材料太軟挺度不夠。

② 沖壓成型的模具設計不合理,沖壓過程的拉伸不均勻或不能很好地夾住冷沖壓成型硬片。

③ 包裝設備的牽引機構和材料的張力控制不合理。

6、質量檢測

冷沖壓成型硬片制成的雙鋁泡罩包裝確實有其他包裝形式無法比擬的阻隔性能,但也有一個致命的問題——包裝成品不能看到藥物,藥廠只能加強藥品包裝過程中的檢查。許多國產雙鋁泡罩包裝機為了方便人工用眼的檢查,成泡及填充后的運行區域都設計得較長,以方便人員檢查及處理。

但是由于藥品包裝過程中速度較快,不易用肉眼來檢查,同時肉眼檢查存在著容易疲勞,人員責任心等問題,根本無法確保被包裝的藥片100%可靠。

為了解決這一問題,有些雙鋁泡罩包裝設備在冷沖壓成泡后,除了加裝“針孔檢測”儀外,還在PTP 鋁箔熱封之前安裝電子攝像對比系統,將斷片、壞片和缺片的產品剔除出來( 也有在包裝后安裝高精度的電子稱量系統的) ,可以根據對產品要求的嚴格程度,安裝不同分辨率的電子攝像系統。有些電子攝像對比系統,可能會對冷沖壓成型硬片的光澤和反光性有一些特別的要求,在沒有安裝濾鏡和偏光裝置的電子攝像對比系統中,如果冷沖壓成型硬片成泡后的表面反光太強,會對攝像效果造成干擾,影響其分辨率,甚至無法正常分辨產品的好壞。

7、熱封壓傷

冷沖壓成型硬片制成的雙鋁泡罩包裝產品雙面不透明,所以也無法檢查在熱封過程中是否存在PTP 鋁箔被熱封模頭壓傷的情況。

PTP 鋁箔被壓傷一般有兩種情況,一種是在沒有熱合的泡罩位置被壓穿,這種壓穿將會使藥品的密封性完全破壞,使得藥品可能在短期內變質,這種沒有封合的泡罩位置的壓穿可以通過抽真空試驗進行檢測。

PTP 鋁箔的另一種壓傷是在熱封位置上,由于熱封模具有毛刺或由于熱封壓力過大而引起的封合點上鋁箔的壓穿,這種壓穿沒有破壞泡罩包裝的氣密性,不能通過抽真空試驗來檢查。

對于普通透明PVC泡罩包裝,由于PVC本身的阻隔性較低,包裝整體的阻隔性主要由熱吸塑成泡部分的PVC所決定。這種熱封位置上的壓傷對藥品的保質期影響也不大,同時由于PVC是透明的,成品也很容易通過對光的觀察來判斷是否存在壓穿問題。

冷沖壓成型硬片制成的雙鋁泡罩包裝產品是一種阻隔性極高的產品包裝形式,其熱封位置的PTP 鋁箔的壓穿雖然不影響泡罩包裝的氣密性,但卻對包裝的阻隔性及藥品的保質期有很大的影響。

雙鋁泡罩包裝雙面不透明,熱封位置是否存在壓穿是極難檢查和發現的,從某種意義上說是無法檢查判定的。為了保證萬無一失,除了加強控制,對生產工藝過程進行嚴格驗證外,可以適當增加PTP 鋁箔的厚度來解決,一般PTP 鋁箔中鋁箔的厚度為20μm,對于冷沖壓成型硬片配套的PTP 鋁箔可采用厚度為25μm 的鋁箔,某些高要求產品可采用30μm 的鋁箔。

四、結語

藥品的冷沖壓成型泡罩包裝經過了近二十年的發展,目前技術不斷成熟,相關設備自動化程度也越來越高,其包裝更趨于完美。隨著冷沖壓成型硬片及雙鋁泡罩包裝機的國產化以及價格的降低,我國使用冷沖壓成型泡罩包裝的藥品將越來越多,用冷沖壓成型泡罩包裝的藥品正進入千家萬戶。

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