不同条件下的药包塑料薄膜对印刷及复合中常用溶剂的吸附性

丁 超 ，李志强 ，李 俊 ，刘引烽

（1.上海大学 材料学院，上海 200444；2.苏州海顺包装材料有限公司，江苏苏州 215228）

0 引言

药品包装用薄膜作为药品包装用复合膜的重要组成部分，其在印刷与复合中需要用到大量的油墨和胶黏剂，而油墨和胶黏剂中又使用了大量的有机溶剂来调节油墨和胶粘剂的粘度。由于印刷和复合中溶剂在烘箱中往往不能完全挥发，造成了药品包装薄膜中有溶剂的残留［1-3］。对于药品包装薄膜中溶剂残留的检测主要采用的是顶空-气相色谱法。目前，大多数文献都集中于药品包装用薄膜中的溶剂残留的检测［4-7］，对于不同薄膜基材对溶剂的吸附性方面研究还比较少［8］。本文采用顶空-气相色谱法，测定药包复合膜中常用的三种薄膜（LDPE、PP、PET）对油墨和胶黏剂中所用溶剂（乙酸乙酯、甲醇、丁酮、异丙醇和乙酸丙酯）的吸附性，以评估上述有机溶剂在这些薄膜中残留可能性大小。对控制企业在复合膜生产过程中的溶剂残留有一定的指导意义。

1 材料与方法

1.1 试验仪器与原料

Perkin Elmer Clarus 680气相色谱仪（珀金埃尔默仪器有限公司）；5 µL微型进样器（珀金埃尔默仪器有限公司）；电子天平（赛多利斯科学仪器（北京）有限公司）；50 mL容量瓶（上海柯灵斯试剂有限公司）；小型蒸发皿（上海柯灵斯试剂有限公司）；密闭的广口瓶（上海柯灵斯试剂有限公司）；电热恒温鼓风干燥箱（上海精宏实验设备有限公司）；细线。

1.2 试验试剂

乙酸丙酯（纯度99.5%），乙酸乙酯（纯度98.5%），丁酮（纯度99.5%），异丙醇（纯度98.5%），甲醇（纯度99.5%，永华化学科技（江苏）有限公司）；正己烷（纯度98.0%，上海麦克林生物科技有限公司）；甲醇和正己烷均为HPLC级分析纯。

1.3 标准溶液配制

按照《中国药典2015版通则0861溶剂残留测定法》中残留溶剂限度的要求，精密称取乙酸丙酯0.259 6 g，乙酸乙酯0.274 9 g，丁酮0.253 5 g，异丙醇0.262 8 g，甲醇0.160 9 g，分别加入装有40 mL稀释溶剂正己烷的50mL容量瓶中，加溶剂正己烷稀释至刻度，摇匀，备用。用5 µL的微型进样器精密量取1 µL标准溶液，注入顶空瓶中迅速压盖密封。

1.4 样品预处理

先将广口瓶用洗洁精清洗，之后用去离子水冲洗干净，最后放入55 ℃的烘箱中烘30～60 min，取出备用。取药包企业最常用的3种不同材料的薄膜LDPE、PP、PET，将这些薄膜裁成0.1 m×0.1 m的标准正方形样品若干，然后将它们放入55 ℃烘箱中烘30～60 min，尽可能使薄膜内的溶剂挥发出来，之后将它们取出并放入密封袋中备用。

1.5 气相色谱分析条件

色谱柱为 HP-INNOWAX（60 mm×0.320 mm×0.50 mm），载气为高纯氮气，流速2.0 mL/min，空气流速450 mL/min，氢气流速45 mL/min，顶空进样。进样口温度200℃，检测器温度220 ℃。色谱柱的初始温度50 ℃，保持5 min，以10 ℃/min升温至150 ℃，保持4 min后进样。

1.6 塑料薄膜中溶剂残留量的计算方法

采用外标法计算：取样品，将其迅速裁成10 mm×30 mm碎片。设定分析温度为100±2 ℃，分析时间为60 min，以保留时间定性，峰面积定量。由于所测的溶剂残留的单位是0.01 m2，而最后的溶剂残留量的面积是以1 m2为单位的，因此需要在原式中乘以100才行。塑料薄膜中溶剂残留量按下式计算：

式中 X ——样品中溶剂的残留量，mg/m2；

C1——样品峰的面积；

C2—— 标准溶液中对应组分的溶剂峰的面积；

M ——标准溶液中对应组分质量，mg。

2 分析与测试

2.1 混合标准液的色谱分离

取标准混合溶液1 µL于干净顶空瓶中，迅速加盖密封，分析条件见1.5节，数据见表1。由表1可知标准混合溶液在色谱柱HP-INNOWAX（60 mm×0.320 mm×0.50 mm）中的分离结果。发现5种有机溶剂在强极性的色谱柱HP-INNOWAX中分离效果良好，峰型对称无拖尾，并且保留时间稳定。

表1 5种溶剂的GC-FID色谱峰值Table 1 GC-FID peaks of 5 solvents

2.2 溶剂浓度与响应峰面积关系的标准曲线

分别用微型进样器精密量取 1，2，3，4，5 µL的混合标准溶液，注入顶空瓶中迅速压盖密封，按照1.5节中气相色谱的分析条件进行测定。以混合标准溶液中对应组分含量M与对应峰面积C2进行线性回归，得到各组分的回归方程，相关系数，线性范围，检测限见表2。

表2 回归方程和线性关系Table 2 Regression equation and linear relationship

由表2可以看出，相关系数R2均大于0.998 8，表明5种有机溶剂在0～30 000的范围线性良好，检出限在0.001 1～0.001 8之间，表明该方法准确度高。因此该方法能够准确，快速地测出药包塑料薄膜中有机溶剂的含量。

2.3 不同条件下对材料的吸附性试验

（1）不同种类薄膜对溶剂的吸附性试验：取清洗好的广口瓶一只，置入5只小型蒸发皿。在5只蒸发皿中分别放入乙酸乙酯、甲醇、丁酮、异丙醇和乙酸丙酯各10 g。取出密封袋中的3种薄膜 LDPE（25 µm）、PP（25 µm）、PET（25 µm）各两份。一份放入顶空瓶中直接测定薄膜中原始溶剂的残留量x0，另一份用细线穿过5种薄膜后悬挂在广口瓶内，将广口瓶盖上盖子密封。在25 ℃下放置7 h后，取出薄膜置于顶空瓶中测定薄膜中溶剂残留总量x。则薄膜中溶剂的吸附量为C=x-x0。

（2）不同厚度LDPE薄膜对溶剂的吸附性的影响：由于药包企业所使用的PET和PP薄膜的厚度规格较少，而LDPE薄膜的厚度规格较齐全，故可作为不同厚度的薄膜对溶剂的吸附性能进行研究。分别选取药包企业中常见厚度为35 µm、45 µm、55 µm、65 µm、75 µm、85 µm 的 LDPE 薄膜各两份，一份直接在顶空瓶中测定其溶剂残留量，另一份在25℃下于密闭广口瓶中放置7h，然后取出放入顶空瓶中测定溶剂残留量。以了解不同厚度的LDPE薄膜对溶剂吸附性的影响。

（3）不同加热温度对PET、LDPE和PP薄膜的溶剂吸附性的影响：取药包企业复合膜生产中经常使用的 PET膜（12 µm）、LDPE膜（40 µm）和PP膜（25 µm）各两份，一份直接测定其溶剂残留量，另一份分别在25℃、35℃、45℃、55℃、65 ℃和75 ℃的加热温度下将其放入密闭的广口瓶中7 h，然后取出测定其溶剂残留。来了解不同加热温度对薄膜溶剂吸附性的影响。

3 结果与讨论

3.1 不同种类塑料薄膜对溶剂的吸附倾向

不同种类塑料薄膜对溶剂的吸附倾向如图1所示。从图1中可以看出，薄膜在试验前可能就有微量溶剂的存在，因此薄膜吸附的溶剂量应为试验后薄膜中所测得的溶剂残留量减去试验前薄膜测得的溶剂残留量。但是由于原材料膜中的溶剂量相对于吸附溶剂后薄膜中的溶剂量而言极其微小。因此，在不考虑原材料膜中原有的溶剂量时，可以用试验后薄膜中所测的溶剂残留量来表示薄膜对溶剂的吸附量。

图1 3种薄膜对5种不同溶剂的吸附倾向Fig.1 Adsorptive tendency of 3 types of films of 5 different solvents

对于图1中不同药包塑料薄膜对溶剂的吸附倾向，可以从溶度参数来分析［9-10］。溶度参数：一般情况下薄膜容易吸附溶度参数δ（单位为 H，1H=1（cal/cm3）1/2=2.046×103（J/m3）1/2） 相近的溶剂。其中溶剂极性顺序：甲醇（δ=14.5H）＞异 丙 醇（δ=11.1H）＞丁 酮（δ=9.3H）＞乙 酸乙酯（δ=9.1H）＞乙酸丙酯（δ=8.8H），薄膜极性顺序：PET（δ=10.7H）＞PP（δ=8.0H）＞LDPE（δ=7.9H）。PET薄膜的溶度参数与甲醇和异丙醇溶剂较为相近，因此薄膜对甲醇和异丙醇溶剂的吸附性较好，与其他溶剂的溶度参数相差比较大，吸附性较差。LDPE薄膜和PP薄膜由于极性较小，所以对极性溶剂的吸附能力也较差。因此企业在生产过程中要充分考虑到塑料薄膜对溶剂的吸附倾向，选择合适的溶剂和生产工艺。

3.2 不同厚度薄膜对溶剂的吸附性

不同厚度下LDPE薄膜对溶剂的吸附性如图2所示。

图2 厚度对溶剂吸附性的影响Fig.2 Influence of thickness on solvent adsorbability

从图2（a）可以看出，从总体上看，随着LDPE薄膜厚度的增加，LDPE薄膜对溶剂的吸附量是增加的。这是由于随着LDPE薄膜厚度的增加，溶剂慢慢地渗透进薄膜的内部，导致了LDPE薄膜吸附溶剂量的增加［11］。图2（b）显示了对于不同厚度的LDPE薄膜而言，随着薄膜厚度的增大，单位厚度的LDPE薄膜对溶剂的吸附量反而是降低的。这是由于溶剂从薄膜外层渗透入内层的过程中，所受到的阻力越来越大，这就造成了随着LDPE薄膜厚度的增加，单位厚度的LDPE薄膜对溶剂的吸附量反而降低的现象。因此，对于药包企业中塑料薄膜厚度的选择，在工艺条件允许的情况下应该尽量选择较薄的塑料薄膜。

3.3 加热温度对薄膜的溶剂吸附性的影响

加热温度对薄膜的溶剂吸附性的影响如图3所示。

图3 3种常见印刷复合膜对溶剂的吸附性随温度的变化Fig.3 Change of 3 types of common print composite film with temperature for solvent adsorbability

如图 3（a）、3（b），随着温度的上升，薄膜吸收溶剂的量呈上升态势，图3（c）在刚开始升温时薄膜的溶剂吸附量也呈上升的态势。在相同的时间内，随着加热温度的上升，高分子薄膜的分子链运动和小分子溶剂的运动都随之加剧，从而使小分子溶剂更容易渗透进入薄膜。薄膜和溶剂之间的溶度参数之差越小，薄膜与溶剂之间的相互作用力越大。当加热温度上升时，有机溶剂就越容易渗透进薄膜内。如图3（a），LDPE薄膜与5种有机溶剂溶度参数差由大到小为：甲醇（Δ δ=6.6H）＞异丙醇（Δ δ=3.2H）＞丁酮（Δ δ=1.4H）＞乙酸乙酯（Δ δ=1.2H）＞乙酸丙酯（Δ δ=0.9H）。所以随着加热温度的上升，LDPE薄膜对乙酸乙酯和乙酸丙酯溶剂的吸附性最大，对异丙醇和丁酮的吸附性较大，对甲醇的吸附性最小。图3（b）中PP薄膜与5种有机溶剂的溶度参数差由大到小为：甲醇（Δ δ=6.5H）＞异丙醇（Δ δ=3.1H）＞丁酮（Δ δ=1.3H）＞乙酸乙酯（Δ δ=1.1H）＞乙酸丙酯（Δ δ=0.8H）。由于异丙醇，丁酮，乙酸乙酯，乙酸丙酯与PP薄膜的溶度参数差比较接近，因此薄膜对上述4种溶剂的吸附性都比较高；甲醇与PP薄膜之间溶度参数差较大，因此PP薄膜对甲醇的吸附性小。另外，甲醇溶剂由于沸点最低（64 ℃），因此是所有溶剂中最容易挥发的。

对于图3（c）而言，加热温度在55 ℃之前，随着加热温度的上升，PET薄膜对溶剂的吸附量的增加。当加热温度超过55 ℃之后，随着温度的上升，PET薄膜对溶剂吸附量反而下降。这主要是因为当加热温度不超过55 ℃时，随着加热温度的提高，溶剂分子运动更加活跃，使溶剂分子渗透进PET薄膜的量大于溶剂分子从PET薄膜中脱出的量，因此PET薄膜对溶剂的吸附量迅速上升；当加热温度超过了55 ℃之后，溶剂在PET薄膜中的脱出量渐渐大于PET薄膜对溶剂的吸附量，导致PET薄膜溶剂吸附量下降。因此对于温度对药包塑料薄膜基材溶剂吸附性的影响，应根据不同基材对溶剂的吸附规律合理的选择加热温度。

4 结语

采用顶空-气相色谱法同时对5种有机溶剂进行了分析，溶剂分离效果好，相关系数R2均大于0.998 8，表明5种有机溶剂在0～30000的范围内线性良好，检出限在0.001 1～0.001 8之间，表明该方法准确度高。

因此，使用顶空-气相色谱法能够准确，快速的测出药包塑料薄膜中有机溶剂的残留量。另外，在生产过程中要充分考虑到薄膜对溶剂的吸附选择性，以此为标准来选择合适的工艺条件。对于塑料薄膜厚度的选择，应该尽量选择厚度较薄的薄膜。对于温度对药包塑料薄膜的影响，应该根据不同薄膜基材对溶剂的吸附规律合理的选择加热温度。