差示掃描量熱法測(cè)定藥用復(fù)合膜中聚乙烯材質(zhì)熔融溫度過(guò)程中試驗(yàn)條件的優(yōu)化

朱碧君，賀針華，熊馬劍，左軍鳳，汪元亮

1.江西省藥品檢驗(yàn)檢測(cè)研究院，國(guó)家藥品監(jiān)督管理局中成藥質(zhì)量評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西省藥品與醫(yī)療器械質(zhì)量工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330029；2.東莞市東陽(yáng)光仿制藥研發(fā)有限公司，廣東 東莞 523861

藥用復(fù)合膜是一種常用的固體制劑的軟包裝材料［1］，其內(nèi)層材質(zhì)多采用聚乙烯（PE）材質(zhì)構(gòu)成，PE 是由乙烯單體聚合而成的一種熱塑性樹(shù)脂［2］，具有非常好的成型加工性和熱封性［3］。在藥包材YBB 標(biāo)準(zhǔn)中多采用紅外光譜方法進(jìn)行鑒別［4］，但紅外光譜無(wú)法區(qū)分不同結(jié)晶度的PE，更不能區(qū)分低密度PE 和線性低密度PE，利用差示掃描量熱法（DSC）可以較好的實(shí)現(xiàn)分析鑒別的目的。DSC是在程序控制溫度下，測(cè)量輸入到樣品和參比樣的熱流與溫度關(guān)系的一種熱分析法［5］。它的主要特點(diǎn)是使用的溫度范圍較寬，分辨率和靈敏度高［6］。采用DSC 測(cè)試聚乙烯熔融溫度，對(duì)聚乙烯材質(zhì)進(jìn)行鑒別，該方法操作快速、簡(jiǎn)便［7-8］。熱分析是一種動(dòng)態(tài)技術(shù)，在用DSC 儀測(cè)試聚合物熔點(diǎn)過(guò)程中，很多因素會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成很大的影響，例如升溫速率、樣品質(zhì)量、吹掃氣流速等［9-10］。探索這些因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響對(duì)于規(guī)范測(cè)試操作，提高測(cè)試水平，提高檢測(cè)質(zhì)量有著重大的實(shí)際意義［11］。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 儀器

DSC Q200 示差掃描量熱儀（美國(guó)TA 儀器公司）；十萬(wàn)分之一的MS-105 電子天平（梅特勒-托利多控股有限公司）。

1.2 試驗(yàn)材料

藥用復(fù)合膜內(nèi)層聚乙烯原料膜（LDPE），來(lái)源于A 公司。

1.3 試驗(yàn)條件

升溫速率分別為5、10、15、20、25 ℃/min；樣品質(zhì)量分別為4、6、8、10、12 mg；吹掃氣（氮?dú)猓┝魉俜謩e為5、10、25、50、60 mL/min；溫度范圍為：50～200 ℃。

1.4 試驗(yàn)方法

在氮?dú)夥諊鷥?nèi)，一定的吹掃氣流速條件下，將樣品減小，取一定質(zhì)量的樣品，從 50 ℃開(kāi)始以一定的升溫速率升溫至200 ℃，恒溫1 min，再以10 ℃/min 降溫到50 ℃，記錄DSC 曲線圖。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同升溫速率試驗(yàn)

稱量PE 樣品6 mg，置于鋁盤(pán)中，壓蓋密封。試驗(yàn)以50 ℃為起始溫度，以恒定的速率升溫到200℃，平衡1 min，再以10 ℃/min 降溫到50 ℃，氮?dú)饬魉贋?0 mL/min。升溫速率分別設(shè)置為5、10、15、20、25 ℃/min，DSC 曲線與數(shù)據(jù)如圖1 和表1所示。

表1 不同升溫速率的DSC數(shù)據(jù)表

從圖1 和表1 可以說(shuō)明，隨著升溫速率增大，外推起始溫度、峰溫和外推終止溫度增大。升溫速率會(huì)對(duì)DSC 曲線的熔融峰溫度和峰形產(chǎn)生影響，升溫速率越大，熔融峰溫度越高，峰形越大。傳熱方式有三種，在低溫時(shí)以熱傳導(dǎo)為主，在高溫時(shí)以對(duì)流和輻射為主。而傳熱過(guò)程中，傳熱快慢和傳熱量的大小又與熱源和物質(zhì)的距離及物質(zhì)表面到中心的距離成反比，同時(shí)，也與物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)大小和傳熱面積大小有關(guān)［12］。熔點(diǎn)是以熱力學(xué)平衡轉(zhuǎn)變溫度來(lái)衡量的。因此在距離一樣的情況下，升溫速率大小與樣品達(dá)到熱力學(xué)平衡程度成反比的，也就是與樣品產(chǎn)生熱滯后程度成正比。所以，升溫速率越大熱滯后越嚴(yán)重，測(cè)得的三種溫度結(jié)果就越高［13］。

在升溫速率為5、10、15、20、25 ℃/min 的條件下，熔融溫度下對(duì)應(yīng)的熱流值見(jiàn)表2。

表2 不同升溫速率下熔融溫度對(duì)應(yīng)的熱流表

由表2 可知，5 ℃/min 與10 ℃/min 條件下的熱流差值Δ1為2.22 mw，10 ℃/min 與15 ℃/min條件下的熱流差值Δ2為4.37 mw，15 ℃/min 與20℃/min條件下的熱流差值為Δ3為5.82 mw，20 ℃/min與25 ℃/min 條件下的熱流差值Δ4為0.61 mw。

2.2 不同樣品質(zhì)量試驗(yàn)

分別稱取質(zhì)量為4、6、8、10、12 mg 的PE 樣品，置于鋁盤(pán)中，壓蓋密封。試驗(yàn)以50℃為起始溫度，以15 ℃/min 升溫到200 ℃，平衡1 min，再以10℃/min 降溫到60 ℃，氮?dú)饬魉贋?0 mL/min，DSC曲線與數(shù)據(jù)如圖2 和表3 所示。

圖2 不同樣品質(zhì)量的DSC曲線圖

表3 不同樣品質(zhì)量的DSC數(shù)據(jù)表

圖2 和表3 可以說(shuō)明當(dāng)樣品質(zhì)量變大，熔融時(shí)的外推起始溫度、峰溫度和外推終止溫度增大；樣品質(zhì)量的增加，不利于氣體產(chǎn)物的擴(kuò)散和樣品內(nèi)部溫度的均衡，會(huì)增大溫度梯度，增加樣品溫度與環(huán)境線性升溫的偏差［14］。在傳熱過(guò)程中，傳熱快慢和傳熱量的大小與樣品表面與樣品中心之間的距離成反比，樣品的質(zhì)量越大，熱量從樣品表面?zhèn)鞯絻?nèi)部也就越困難，表面與內(nèi)部達(dá)到熱力學(xué)平衡程度的差距越大，當(dāng)樣品已經(jīng)發(fā)生熔融變化時(shí)，樣品內(nèi)部由于得不到足夠的能量熔融過(guò)程會(huì)延遲［15］。在同樣的傳熱條件下，樣品的質(zhì)量越大，整體很難達(dá)到熱力學(xué)平衡，會(huì)延長(zhǎng)平衡時(shí)間，延遲熔融過(guò)程，因此熔融過(guò)程中的這三個(gè)溫度會(huì)朝著高溫側(cè)移動(dòng)，所以隨著樣品質(zhì)量的變大，熔融時(shí)的三個(gè)溫度均逐漸增大［16-17］。

樣品質(zhì)量為4、6、8、10、12 mg 的條件下，熔融溫度對(duì)應(yīng)的熱流值與結(jié)晶溫度對(duì)應(yīng)的熱流值見(jiàn)表4。

表4 不同樣品質(zhì)量熔融溫度對(duì)應(yīng)的熱流表

由表4 可知，樣品質(zhì)量為4 mg 與6 mg 條件下熔融溫度熱流差值Δ1為6.43 mw；樣品質(zhì)量為6 mg與8 mg 條件下熔融溫度熱流差值Δ2為0.85 mw；樣品質(zhì)量為8 mg 與10 mg 條件下熔融溫度的熱流差值Δ3為2.51 mw；樣品質(zhì)量為10 mg 與12 mg 條件下熔融溫度的熱流差值Δ4為6.28 mw。

2.3 不同氣體流速試驗(yàn)

稱量PE 樣品6 mg，置于鋁盤(pán)中，壓蓋密封，試驗(yàn)以50 ℃為起始溫度，以15 ℃/min 升溫至200 ℃，平衡1 min，再以10 ℃/min 降溫到50 ℃。在氮?dú)鈿夥障拢煌牧魉伲?、10、25、50、60 mL/min）下進(jìn)行試驗(yàn)，DSC 曲線與數(shù)據(jù)如圖3 和表5 所示。

圖3 不同氣體流速的DSC曲線圖

表5 不同氣體流速的DSC數(shù)據(jù)表

由表中的數(shù)據(jù)可知，隨著氮?dú)饬魉俚脑龃螅廴谶^(guò)程中三個(gè)溫度值沒(méi)有呈現(xiàn)一定的規(guī)律，并且熔融溫度最大值與最小值相差僅0.36 ℃，說(shuō)明吹掃氣流速對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響不大。DSC Q200 氣體流速一般選50 mL/min 作為氣體流速值。

2.4 試驗(yàn)條件優(yōu)化

在DSC 測(cè)試時(shí)會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響的一些因素進(jìn)行了討論，之后采取正交試驗(yàn)方法進(jìn)一步研究［18］。在上述討論的三個(gè)影響因素作為正交試驗(yàn)的因素，選用L25（56）正交表，以DSC 曲線的熔融峰溫度值作為試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表6，正交試驗(yàn)及結(jié)果見(jiàn)表7。

表6 試驗(yàn)因素水平表

表7 正交試驗(yàn)及結(jié)果

K 值為同一條件下測(cè)出結(jié)果的平均值，通過(guò)比較極差值的大小，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響最大是升溫速率，樣品質(zhì)量的影響也較大，而吹掃氣流速的極差相對(duì)來(lái)說(shuō)比較小，對(duì)它的影響不大。有文獻(xiàn)報(bào)道［19］，PP 真實(shí)的熔點(diǎn)比較接近正交設(shè)計(jì)表中較低的值，表明最好的試驗(yàn)條件是K 值最小的值，得出升溫速率、樣品質(zhì)量、氮?dú)饬魉俚淖钚≈捣謩e對(duì)應(yīng)為K1、K2、K4，選擇升溫速率為5 ℃/min，樣品質(zhì)量為6 mg，吹掃氣流速為50 mL/min。

3 結(jié)果

（1）通過(guò)分析表2 中各個(gè)條件下的熱流差值，得出選擇升溫速率為15 ℃/min 比其他條件的差異性小。高升溫速率會(huì)導(dǎo)致樣品內(nèi)部溫度分布不均勻。（2）通過(guò)分析表4 中熱流差值Δ1和Δ4，并且樣品質(zhì)量過(guò)少，會(huì)導(dǎo)致靈敏度低；樣品質(zhì)量過(guò)多，會(huì)使樣品內(nèi)部傳熱慢，溫度梯度大，導(dǎo)致峰形擴(kuò)大，分辨力下降［16］。選擇合適的樣品量能盡量的提高靈敏度。選擇6 mg 可達(dá)到保證 DSC 信息清楚完美又可減少對(duì)儀器污染。（3）通過(guò)對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步分析，表中A 列和B 列中K 值之間的差值，A列中K3與K2的差值最小，其次是K4與K3的差值；B 列中K2與K1的差值最小，其次是K3與K2的差值，所以選擇升溫速率為15 ℃/min 和樣品質(zhì)量為6 mg比選擇其他條件的差異性小。

4 結(jié)論

（1）采用DSC 測(cè)試PE 熔融溫度過(guò)程中，熔融溫度隨著升溫速率和樣品質(zhì)量變大而向高溫方向移動(dòng)；吹掃氣流速對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響不大。（2）由正交試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，升溫速率對(duì)測(cè)試結(jié)果影響最大，其次是樣品質(zhì)量，而吹掃氣流速對(duì)它的影響不大。（3）綜合上述分析，確定的最佳試驗(yàn)條件為：升溫速率為15 ℃/min，樣品質(zhì)量為6 mg，吹掃氣流速為50 mL/min。