CN115231821B - 用于制备中性硼硅玻璃的组合物、中性硼硅玻璃及其制备方法和应用 - Google Patents

用于制备中性硼硅玻璃的组合物、中性硼硅玻璃及其制备方法和应用 Download PDF

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CN115231821B CN202210727883.0A CN202210727883A CN115231821B CN 115231821 B CN115231821 B CN 115231821B CN 202210727883 A CN202210727883 A CN 202210727883A CN 115231821 B CN115231821 B CN 115231821B
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Abstract

本发明涉及医药玻璃包装材料技术领域，公开了一种用于制备中性硼硅玻璃的组合物、中性硼硅玻璃及其制备方法和应用。该组合物中含有各自独立保存或两者以上混合保存的以下组分：SiO2、Al2O3、B2O3、Na2O、K2O、CaO、ZrO2、稀土掺杂氧化物，稀土掺杂氧化物为含量重量比为1：0.5‑2：0‑2：0‑2的MoO3、Pr6O11、Ta2O5和Nb2O5的组合。由本发明提供的组合物制备得到的中性硼硅玻璃，不仅具有较低线性膨胀系数和离子溶出量，还具有良好的化学耐久性且抗水解性高。

Description

用于制备中性硼硅玻璃的组合物、中性硼硅玻璃及其制备方 法和应用
技术领域
本发明涉及医药玻璃包装材料技术领域，具体涉及一种用于制备中性硼硅玻璃的组合物、中性硼硅玻璃及其制备方法和应用。
背景技术
随着我国医药行业快速发展，对药品包装材料质量要求越来越高，相应的药用玻璃要求有良好的耐水性、耐酸耐碱性、抗冷冻性、热稳定性等，是目前灭活疫苗的主要包装材料。据报道放疫苗针剂的玻璃瓶却出现严重短缺的现象，无法满足灭活疫苗剂量的要求，导致原因是于中性医药玻璃管中缺陷造成的产品合格率低，主要是结石节瘤和气线造成的。
中硼硅医药玻璃是一种重要的硼硅玻璃品种，其B2O3含量为8wt%-12wt%，采用该玻璃容器盛装去离子水可保持pH值不变，因此这类玻璃也称为“中性玻璃”，其具有良好的化学稳定性、耐热稳定性和较低的线性膨胀系数等优异性能，广泛用于注射剂类生物医药产品包装。
中性医药玻璃管的缺陷主要产生于玻璃熔制澄清阶段。中性医药玻璃的成分中Al2O3和SiO2含量高，熔化温度高、澄清难；氧化硼含量高，易挥发，损失率大等特点，会导致熔制产品产生气泡和节瘤缺陷，降低产品合格率；挥发的氧化硼腐蚀窑炉耐火材料，提高维护更换成本，缩短窑炉使用寿命。
因此，中性医药玻璃制备过程中需要在配合料中引入辅助剂，以降低玻璃液的黏度，改善澄清性能，降低硼挥发损失率，以提高产品质量和合格率，延长窑炉使用年限。
目前，我国生产的医用玻璃包装材料主要以钠钙硅玻璃、低硼硅玻璃为主，仅有少量的中硼硅医药玻璃。然而，中硼硅医药玻璃的性能稳定性和耐水性与国外同类产品还有一定的差距，同时中硼硅制造难度较大，还存在玻璃管成型容易出现结石、气线等缺陷，成品合格率偏低，耐水性、耐酸碱性不能满足医药包装材料的使用。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中硼硅玻璃存在线性膨胀系数高、抗水解性及化学稳定性差的问题。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种用于制备中性硼硅玻璃的组合物，该组合物中含有各自独立保存或两者以上混合保存的以下组分：SiO2、Al2O3、B2O3、Na2O、K2O、CaO、ZrO2、稀土掺杂氧化物；
以所述组合物的总重量为基准，所述SiO2的含量为74-78重量%，所述Al2O3的含量为2-5重量%，所述B2O3的含量为10.5-12重量%，所述Na2O的含量为5-7重量%，所述K2O的含量为0.1-1重量%，所述CaO的含量为0-0.3重量%，所述ZrO2的含量为0.2-1重量%，所述稀土掺杂氧化物的含量为0.4-0.8重量%；
所述稀土掺杂氧化物为含量重量比为1：0.5-2：0-2：0-2的MoO3、Pr6O11、Ta2O5和Nb2O5的组合。
优选地，以所述组合物的总重量为基准，所述SiO2的含量为74-76重量%，所述Al2O3的含量为2-5重量%，所述B2O3的含量为10.5-12重量%，所述Na2O的含量为5-7重量%，所述K2O的含量为0.1-1重量%，所述CaO的含量为0.1-0.3重量%，所述ZrO2的含量为0.2-1重量%，所述稀土掺杂氧化物的含量为0.5-0.7重量%。
优选地，所述稀土掺杂氧化物为含量重量比为1：0.5-2：0.5-1：0-1的MoO3、Pr6O11、Ta2O5和Nb2O5的组合。
本发明第二方面提供一种制备中性硼硅玻璃的方法，该方法包括：将第一方面所述的用于制备中性硼硅玻璃的组合物中的各组分依次进行混合、熔融处理、澄清均化、成型处理和退火处理。
优选地，所述混合的条件至少包括：搅拌速度为10-20rpm，温度为1450-1500℃，时间为20-30min。
优选地，所述熔融处理的条件至少包括：温度为1550-1650℃，时间为300-480min。
优选地，所述澄清均化的条件至少包括：温度为1580-1630℃，时间为30-60min。
优选地，所述成型处理的条件至少包括：温度为1250-1280℃。
优选地，所述退火的条件至少包括：温度为560-595℃，时间为10-30min。
本发明提供由第二方面所述的方法制备得到的中性硼硅玻璃。
优选地，所述中性硼硅玻璃的离子溶出量为1.0ppm以下。
优选地，所述中性硼硅玻璃在30-380℃的温度范围内的线性膨胀系数不大于55×10-7/℃。
本发明第四方面提供第三方面所述的中性硼硅玻璃在制备医药容器中的应用。
由本发明提供的组合物制备得到的中性硼硅玻璃，不仅具有较低线性膨胀系数和离子溶出量，还具有良好的化学耐久性且抗水解性高，应用于制备医药容器时，与水性或含水的药用物质接触，不释放或仅很少释放出离子，并且在制造玻璃管时不易发生因热冲击而造成的破损。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明中，未作相反说明的情况下，所述室温或常温均表示25±2℃。
如前所述，本发明的第一方面提供了一种用于制备中性硼硅玻璃的组合物，该组合物中含有各自独立保存或两者以上混合保存的以下组分：SiO2、Al2O3、B2O3、Na2O、K2O、CaO、ZrO2、稀土掺杂氧化物；
以所述组合物的总重量为基准，所述SiO2的含量为74-78重量%，所述Al2O3的含量为2-5重量%，所述B2O3的含量为10.5-12重量%，所述Na2O的含量为5-7重量%，所述K2O的含量为0.1-1重量%，所述CaO的含量为0-0.3重量%，所述ZrO2的含量为0.2-1重量%，所述稀土掺杂氧化物的含量为0.4-0.8重量%；
所述稀土掺杂氧化物为含量重量比为1：0.5-2：0-2：0-2的MoO3、Pr6O11、Ta2O5和Nb2O5的组合。
优选地，以所述组合物的总重量为基准，所述SiO2的含量为74-76重量%，所述Al2O3的含量为2-5重量%，所述B2O3的含量为10.5-12重量%，所述Na2O的含量为5-7重量%，所述K2O的含量为0.1-1重量%，所述CaO的含量为0.1-0.3重量%，所述ZrO2的含量为0.2-1重量%，所述稀土掺杂氧化物的含量为0.4-0.7重量%。发明人发现，采用该优选情况下的具体实施方式，能够在保证化学稳定性的前提下，获得抗水解性更好的中性硼硅玻璃。
根据一种特别优选的具体实施方式，所述稀土掺杂氧化物为含量重量比为1：0.5-2：0.5-1：0-1的MoO3、Pr6O11、Ta2O5和Nb2O5的组合。发明人发现，采用该优选情况下的具体实施方式，能够获得线性膨胀系数更低的中性硼硅玻璃。
如前所述，本发明的第二方面提供了一种制备中性硼硅玻璃的方法，该方法包括：将第一方面所述的用于制备中性硼硅玻璃的组合物中的各组分依次进行混合、熔融处理、澄清均化、成型处理和退火处理。
优选地，所述混合的条件至少包括：搅拌速度为10-20rpm，温度为1450-1500℃，时间为20-30min。
优选地，所述熔融处理的条件至少包括：温度为1550-1650℃，时间为300-480min。
本发明中，对所述澄清均化、成型处理和退火处理的具体操作没有特别的限制，采用本领域内的已知操作即可，本发明后文中示例性地列举的具体操作，本领域技术人员不应该理解为对本发明的限制。
优选地，所述澄清均化的条件至少包括：温度为1580-1630℃，时间为30-60min。
优选地，在步骤（3）中，所述澄清均化的方法为将所述熔融得到的玻璃液通过调节温度至玻璃液的粘度为102.3dPa.s，使玻璃液中的气泡排出。
优选地，在步骤（3）中，所述成型处理的方法选自丹纳法成型工艺、维罗法成型工艺中的至少一种。
根据一种特别优选的具体实施方式，在步骤（3）中，所述成型处理的方法为丹纳法成型工艺。
本发明对所述丹纳法成型工艺的具体操作方法没有特别的要求，本领域技术人员可以采用已知的技术手段进行。
优选地，所述成型处理的条件至少包括：温度为1250-1280℃。
优选地，所述退火处理的条件至少包括：温度为560-595℃，时间为10-30min。
如前所述，本发明的第三方面提供了由第二方面所述的方法制备得到的中性硼硅玻璃。
优选地，所述中性硼硅玻璃的离子溶出量为1.0ppm以下。
优选地，所述中性硼硅玻璃在30-380℃的温度范围内的线性膨胀系数不大于55×10-7/℃。
如前所述，本发明的第四方面提供了第三方面所述的中性硼硅玻璃在制备医药容器中的应用。
根据本发明一种特别优选的具体实施方式，所述医用容器选自西林瓶、安瓶中的至少一种。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。以下实例中，在没有特别说明的情况下，使用的各种原料均为市售品。
以下实例中，每1重量%表示10g。
实施例1
本实施例用于说明本发明所述的中性硼硅玻璃按照表1中的配方和工艺参数，并按如下所述的方法进行制备得到。
所述制备中性硼硅玻璃的方法包括以下步骤：
按照表1所示的原料组合物的各组分进行称量，在1460℃、15rpm下搅拌30min，混合均匀得到混合料，将混合料投入1580℃的熔融窑中熔融360min，得到玻璃液，然后将所述玻璃液进行澄清均化，通过调节温度至1620℃，排出气泡，得到熔融玻璃，再将所得的熔融玻璃采用丹纳法成型工艺拉制成型，得到待应用的玻璃管基体，将玻璃管基体切割成预定长度(1500mm)，在560℃下退火15min，制得玻璃样品。
在没有特别说明的情况下，其余实施例和对比例采用与实施例1相同的流程进行，不同的是所采用的中性硼硅玻璃组合物组成和制备中性硼硅玻璃的工艺参数不同，具体参见表1中。
表1
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
SiO2/重量% 74.5 76 75.5 77
Al2O3/重量% 5 3.8 4.5 4.2
B2O3/重量% 11.5 11.5 11.5 10.8
Na2O/重量% 6.5 6.3 6.5 6.5
K2O/重量% 1 0.9 0.8 0.3
CaO/重量% 0.2 0.2 0.2 0.2
ZrO2/重量% 0.8 0.5 0.6 0.4
MoO3/重量% 0.1 0.2 0.1 0.2
Pr6O11/重量% 0.2 0.2 0.1 0.2
Ta2O5/重量% 0.1 0.2 0.1 0.1
Nb2O5/重量% 0.1 0.2 0.1 0.1
混合
搅拌速度，rpm 15 15 20 同实施例1
温度，℃ 1460 1460 1480 同实施例1
时间，min 30 25 30 同实施例1
熔融处理
温度，℃ 1580 1550 1620 同实施例1
时间，min 360 380 450 同实施例1
澄清均化
温度，℃ 1620 1620 1630 同实施例1
时间，min 50 50 40 同实施例1
成型处理
温度，℃ 1250 1260 1260 同实施例1
退火处理
温度，℃ 560 580 590 同实施例1
时间，min 15 20 30 同实施例1
命名
S1 S2 S3 S4
表1（续表）
实施例5 实施例6 对比例1 对比例2 对比例3 对比例4
SiO2/重量% 78 同实施例1 72 80 同实施例1 同实施例1
Al2O3/重量% 2 同实施例1 7 6 同实施例1 同实施例1
B2O3/重量% 11.5 同实施例1 10 9 同实施例1 同实施例1
Na2O/重量% 6.3 同实施例1 8 4 同实施例1 同实施例1
K2O/重量% 0.9 同实施例1 1 0.2 同实施例1 同实施例1
CaO/重量% 0.2 同实施例1 0.3 0.1 同实施例1 同实施例1
ZrO2/重量% 0.5 同实施例1 0.6 0.5 同实施例1 同实施例1
MoO3/重量% 0.2 0.3 0.3 0.1 0.05 0.3
Pr6O11/重量% 0.2 0.2 0.3 0.1 0.15 0.1
Ta2O5/重量% 0.1 0 0.3 0 0.15 0.05
Nb2O5/重量% 0.1 0 0.2 0 0.15 0.05
混合
搅拌速度，rpm 同实施例1 同实施例1 同实施例1 同实施例1 同实施例1 同实施例1
温度，℃ 同实施例1 同实施例1 同实施例1 同实施例1 同实施例1 同实施例1
时间，min 同实施例1 同实施例1 同实施例1 同实施例1 同实施例1 同实施例1
熔融处理
温度，℃ 同实施例1 同实施例1 同实施例1 同实施例1 同实施例1 同实施例1
时间，min 同实施例1 同实施例1 同实施例1 同实施例1 同实施例1 同实施例1
澄清均化
温度，℃ 同实施例1 同实施例1 同实施例1 同实施例1 同实施例1 同实施例1
时间，min 同实施例1 同实施例1 同实施例1 同实施例1 同实施例1 同实施例1
成型处理
温度，℃ 同实施例1 同实施例1 同实施例1 同实施例1 同实施例1 同实施例1
退火处理
温度，℃ 同实施例1 同实施例1 同实施例1 同实施例1 同实施例1 同实施例1
时间，h 同实施例1 同实施例1 同实施例1 同实施例1 同实施例1 同实施例1
命名
S5 S6 DS1 DS2 DS3 DS4
测试例1
对实施例和对比例制备得到的各个中性药用硼硅玻璃样品进行性能测试，具体测试结果见表2。
其中，密度：利用阿基米德法进行测定。
线性膨胀系数：利用膨胀计在20-380℃的温度范围内对玻璃样品进行测定，玻璃样品为具有φ5mm*50mm的尺寸的棒状玻璃。
应变点Ps、退火点Ta、及软化点Ts：利用玻璃丝伸长法进行测定。
操作温度Tw：根据玻璃高温粘度Fulecher的粘度计算式求出粘度为104dPa·s时的温度。
抗水解性：使用氧化铝制得乳钵和乳棒将玻璃样品粉碎，依照YBB2015版进行的粉末试验法的方法进行。
耐水性：依照《YBB00362004-2015玻璃颗粒在98℃耐水性测定法》、《YBB00252003-2015玻璃颗粒在121℃耐水性测定法》进行测定。
耐酸性：依照YBB00342004-2015 玻璃耐沸腾盐酸浸蚀性测定法。
耐碱性：依照《YBB00352004-2015玻璃耐沸腾混合碱水溶液侵蚀性测定法》进行的测定。
离子溶出量：采用ICP发光分析装置进行检测，N.D.表示低于ICP发光分析装置的检测下限。
表2
密度,g/cm3 线性膨胀系数,10-7℃ Ps,℃ Ta,℃ Ts,℃ Tw,℃ 抗水解性,mL
实施例1 2.34 53 520 565 775 1170 0.025
实施例2 2.33 52 515 555 775 1170 0.024
实施例3 2.34 53 525 564 774 1175 0.023
实施例4 2.35 52 520 564 780 1175 0.025
实施例5 2.35 53 520 565 775 1170 0.025
实施例6 2.33 54 523 562 780 1180 0.025
对比例1 2.34 58 525 570 780 1190 0.035
对比例2 2.32 58 535 580 795 1195 0.038
对比例3 2.34 53 525 560 778 1176 0.036
对比例4 2.34 53 524 561 779 1178 0.037
表2（续表）
98℃耐水性 121℃耐水性 耐碱性 耐酸性,mg/dm2 离子溶出量,ppm
实施例1 HGB1级 1级 2级 0.5 N.D.
实施例2 HGB1级 1级 2级 0.5 N.D.
实施例3 HGB1级 1级 2级 0.5 N.D.
实施例4 HGB1级 1级 2级 0.5 N.D.
实施例5 HGB1级 1级 2级 0.5 N.D.
实施例6 HGB1级 1级 2级 0.5 N.D.
对比例1 HGB2级 2级 3级 0.5 0.5
对比例2 HGB2级 2级 3级 80 50
对比例3 HGB2级 2级 3级 0.5 100
对比例4 HGB2级 2级 3级 0.5 95
通过表2的结果可以看出，本发明制备得到的中性硼硅玻璃的操作温度Tw(粘度为104dPa·S)不高于1180℃，熔制难度降低，软化点小于780℃，退火点小于565℃，应变点大于515℃，玻璃的线性膨胀系数(20-300℃)在52×10-7/℃-54×10-7/℃之间；产品透明发亮，玻璃密度小于2.4g/cm3，符合药品包装轻质环保的要求。此外，玻璃的耐水性达到HGB1级，耐碱性达到2级。由此说明，由本发明的玻璃组合物制备得到的中性硼硅玻璃具有良好的抗水解性、化学耐久性和低线性膨胀系数。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于制备中性硼硅玻璃的组合物，其特征在于，该组合物中含有各自独立保存或两者以上混合保存的以下组分：SiO2、Al2O3、B2O3、Na2O、K2O、CaO、ZrO2、稀土掺杂氧化物；
以所述组合物的总重量为基准，所述SiO2的含量为74-78重量%，所述Al2O3的含量为2-5重量%，所述B2O3的含量为10.5-12重量%，所述Na2O的含量为5-7重量%，所述K2O的含量为0.1-1重量%，所述CaO的含量为0-0.3重量%，所述ZrO2的含量为0.2-1重量%，所述稀土掺杂氧化物的含量为0.4-0.8重量%；
所述稀土掺杂氧化物为含量重量比为1：0.5-2：0.1-2：0.1-2的MoO3、Pr6O11、Ta2O5和Nb2O5的组合。
2.根据权利要求1所述的组合物，其特征在于，以所述组合物的总重量为基准，所述SiO2的含量为74-76重量%，所述Al2O3的含量为2-5重量%，所述B2O3的含量为10.5-12重量%，所述Na2O的含量为5-7重量%，所述K2O的含量为0.1-1重量%，所述CaO的含量为0.1-0.3重量%，所述ZrO2的含量为0.2-1重量%，所述稀土掺杂氧化物的含量为0.4-0.7重量%。
3.根据权利要求1或2所述的组合物，其特征在于，所述稀土掺杂氧化物为含量重量比为1：0.5-2：0.5-1：0.1-1的MoO3、Pr6O11、Ta2O5和Nb2O5的组合。
4.一种制备中性硼硅玻璃的方法，其特征在于，该方法包括：将权利要求1-3中任意一项所述的用于制备中性硼硅玻璃的组合物中的各组分依次进行混合、熔融处理、澄清均化、成型处理和退火处理。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述混合的条件至少包括：搅拌速度为10-20rpm，温度为1450-1500℃，时间为20-30min。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述熔融处理的条件至少包括：温度为1550-1650℃，时间为300-480min；和/或
所述澄清均化的条件至少包括：温度为1580-1630℃，时间为30-60min。
7.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述成型处理的条件至少包括：温度为1250-1280℃；和/或
所述退火处理的条件至少包括：温度为560-595℃，时间为10-30min。
8.由权利要求4-7中任意一项所述的方法制备得到的中性硼硅玻璃。
9.根据权利要求8所述的中性硼硅玻璃，其特征在于，所述中性硼硅玻璃的离子溶出量为1.0ppm以下；和/或
所述中性硼硅玻璃在30-380℃的温度范围内的线性膨胀系数不大于55×10-7/℃。
10.权利要求8或9所述的中性硼硅玻璃在制备医药容器中的应用。
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