Priprava bromobutilne gume za farmacevtske namene Preparation Bromo-lsobutylen-lsoprene Rubber for Pharmaceutical Applications M. Matijaševič1, M. Mekuč, Sava d.d. Kranj Prejem rokopisa - received: 1996-10-04; sprejem za objavo - accepted for publication: 1996-11-22 Razvijali smo zmes na osnovi bromobutilnega kavčuka (BIIR) za farmacevtske namene in ugotavljali vpliv različnih polnil (kalciniran kaolin, CaCC>3 obdelan s Ca-stearatom) na lastnosti zmesi in vulkanizata. Izbirali smo med naslednjimi nežveplenimi vulkaniza-cijskimi sistemi: smolnim, peroksidnim, aminskim in dienofilnim. Ključne besede: bromobutilni kavčuk, vulkanizacijski sistem, polnilo We were developlng compound based on bromobutyl (BIIR) for pharmaceutical applications. Different fillers (calcined clay, CaCCte covered by Ca-stearat) and their effect on compounds properties and vulcanizate were investigated. We have selected between following unconventional curing systems: resin, peroxide, a mine and dieneophile cure. Key words: bromobutyl, rubber, curing sysfem, filler 1 Uvod Vse večje zahteve po kvalitetnejših kavčukovih zmeseh in gumenih izdelkih, ki se uporabljajo v farmacevtske in medicinske namene, so nas prisilile, da pričnemo intenzivno razvijati nove zmesi na osnovi bromobutilnega kavčuka (BIIR) z nežveplenim zamreženjem. Farmacevtski izdelki pridejo v stik s krvjo ali farmacevtskimi preparati, zato moramo upoštevati standarde in predpise za surovine, ki se uporabljajo za farmacevtske zamaške. Standarde in predpise lahko razvrstimo v dve glavni skupini: - predpisi za ustreznost surovin in - predpisi za lastnosti končnih farmacevtskih izdelkov. Prvo skupino izdelkov opredelita ameriški standard FDA (Food and Drug Administration) in nemški standard BGA (Bundesgesundheitsamt). Oba predpisujeta dovoljene surovine in jih količinsko omejujeta. Druga skupina predpisov vsebuje nacionalno farmakopejo, standarde in specifične zahteve končnih uporabnikov. Za farmacevtske izdelke je primeren bromobutilni kavčuk z lastnostmi, kot so: dobra elastičnost, nizka prepustnost za pline in vodo, dobre fizikalne in kemijske lastnosti in kompatibilnost s farmacevtskimi izdelki. V vulkanizacijskih sistemih je zahtevan sistem brez žvepla ali njegovih donorjev in brez ali z zelo malo ZnO. Nezaželene lastnosti, ki se jih moramo izogibati v vulkanizacijskih sistemih za farmacevtsko uporabo so: strupenost, počasna vulkanizacija, vonj in reaktivnost s farmacevtskimi preparati, zato smo izbirali med štirimi različnimi vulkanizacijskimi sistemi (smolnim, peroksidnim, aminskim in dienofilnim)1,2,3'4. M. MAT1JASEVIC Razvojmvichnološki inštitut Sava d.d. 4502 Kranj V halobutilnih zmeseh za farmacevtsko uporabo so anorganska polnila pogostejša kot saje. Preskušeno je bilo več polnil, njihov vpliv na proces mešanja in predelovalne lastnosti in tudi fizikalne in kemijske lastnosti končnega izdelka5. Za farmacevtske izdelke priporočajo kalciniran kaolin, ki ima pH 4,5 - 5,5. pH polnila vpliva na hitrost zamreženja, in sicer nižji kot je pH, hitrejše je zamreženje. Bazična polnila, kot so kalcijev silikat, kalcijev karbonat, površinsko obdelan s kalcijevim steara-tom, in smukec v zmesi zavirajo zamreževanje, zato zmesi z bazičnimi polnili potrebujejo večje količine vulkanizacijskih sredstev. Silikatov navadno ne uporabljamo v zmeseh za farmacevtske namene, saj so bazična in zaradi svoje razmeroma velike aktivne površine (150 -200 m2/g) adsorbirajo vulkanizacijska sredstva, kar ni zaželeno. Da bi dosegli želene lastnosti zmesi bromobutilnega kavčuka za določene farmacevtske izdelke, pogosto uporabljamo kombinacijo polnil. 2 Eksperimentalni del 2.1 Priprava zmesi Z mešanjem surovin smo pripravili homogeno surovo zmes, ki je primerna za nadaljno predelavo. Zmešali smo petnajst zmesi, ki se razlikujejo po sestavi. Predzmes sestavljajo bromobutilni kavčuk, polnila, ki smo jih spreminjali, in mehčalo (polietilenski vosek). Med komercialno dostopnimi polnili smo izbrali dve različni mineralni polnili, in sicer kalciniran kaolin in kalcijev karbonat, obdelan s Ca-stearatom, ter njuno mešanico. Polnili sta neaktivni in sta v različnem območju pH. Zaradi boljše predelave zmesi količina mineralnih polnil v bromobutilnih zmeseh ne sme presegati 100 phr (masni deli polnila na sto masnih delov kavčuka). V Tabela 1: Sestava zmesi za različne vulkanizacijske sisteme Table 1: Compounds composition for different curing systems SMOLNI SISTEM AMINSKI/ANTIOK. SISTEM PEROKSIDNI SISTEM AMINSKI SISTEM DIENOFILNI SISTEM KOMPONENTE ZMESI ZMES2 ZMES3 ZMES4 ZMES 5 ZMES6 ZMES7 ZMES8 ZMES9 ZMES 10 ZMES 11 ZMESI 2 ZMES 13 ZMES 14 ZMES 15 kavčuk(BIIR) 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 polnilo(kaolin) 80 40 80 40 80 40 80 40 80 40 polnilo(CaCOi) 80 40 80 40 80 40 80 40 80 40 mehčalo 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 ZnO-aktivni • • • • • • • • • smola • • • DPTT • • • antioksidant • • • peroksid • • • koagent • • • • • • HMDAC • • • MeO • • • našem primeru smo uporabili 80 phr polnila. Predzmesi smo nato dodali še vulkanizacijski sistem. Sestava zmesi za različne vulkanizacijske sisteme je označena od 1 do 15 in podana v tabeli 1. Količine so podane v phr. 2.2 Mešanje zmesi Vse zmesi smo mešali v dveh stopnjah. Prva je potekala v laboratorijskem mešalniku Banbury pri temperaturi 50°C in številom vrtljajev rotorja 75 min1, kjer smo najprej predgreli kavčuk, nato smo dodali polnilo in mehčalo. Celokupno mešanje je trajalo 7 minut. Pred-zmes smo pustili stati 24 ur. V drugi stopnji smo domešali vulkanizacijske sisteme na laboratorijskem dvovaljčniku. Pogoji so bili naslednji: - temperatura valjev 50°C - strižno razmerje 1 : 1,2 - čas mešanja 5 minut. Na koncu smo povlekli ploščo zahtevane debeline za nadaljne preizkuse in vulkanizacijo. 2.3 Vulkanizacija Vulkanizacija je potekala pri temperaturi 170°C. Čase vulkanizacije za posamezne zmesi pa smo določili iz vulkanizacijskih krivulj6. Tlak je bil konstanten (100 bar). Vulkanizacija je potekala v hidravlični stiskalnici z vakuumiranjem, kalup je bil narejen za 25 zamaškov tipa ATB. 7 2.4 Metode preizkušanja Potek zamreževanja smo spremljali z vuklametrom (Rheometer 100 S, Monsanto). Temperatura komore je enaka kot pri kasnejši vul-kanizaciji v stiskalnici, 170°C. Vulkanizatom smo doličili gostoto (po standardu ASTM D 1817), natezne lastnosti (po standardu ASTM D 412): module 100, 200, 300, natezno trdnost in raz-tezek ob pretrgu, trdoto (po standardu ASTM D 2240), odbojno elastičnost (po standardu ASTM D 1054) in tlačno deformacijo (po standardu ASTM D 395). Ugotavljali smo naslednje kemijske lastnosti vodnega ekstrakta vzorca: - izgled - kislost oziroma bazičnost - vsebnost reduktivnih snovi - vsebnost amonijevih ionov - vsebnost svinčevih ionov - vsebnost cinkovih ionov - vsebnost kloridnih ionov - suhi ostanek - vsebnost hlapnih sulfidov. 3 Rezultati in razprava 3.1 Vulkanizacijski sistemi Začetek zamreževanja ts2 in čas potreben za optimalno zamreženje tc>o za različne vulkanizacijske sisteme prikazuje tabela 2. Zamreževanje bromobutilnega kavčuka pri vseh vulkanizacijskih sistemih gre preko alilnega Br na C atomu, označen s črko A (slika 1). CH---C — 2 | izobutilenska enota CH ® " CH--CH- bromirana izoprenska enota CH---CVSAAA 2 izobutilenska enota Slika 1: Shema zamreževanja bromobutilnega kavčuka Figure 1: Crosslinking of bromobutyl rubber Tabela 2: Rezultati merjenj z vulkametrom pri 170°C/30 minut Table 2: Results of measurement on vulcameter at 170°C/30 min. oznaka zmesi smolni sistem 1 2 3 aminski/antiok. sistem 4 5 6 peroksidni sistem 7 8 9 aminski sistem 10 11 12 dienofilni sistem 13 14 15 tS2 (min) 190 (min) AM (dNm) Mh (dNm) 2,9 6,2 5,3 11,0 24,0 16,0 12,3 10,8 10,5 21,7 19,3 19,3 3,3 18,0 8,9 8,0 29,0 16,0 10,2 5,2 7,9 18.8 13,0 15,7 2.8 2,9 3,1 10,0 7,0 7,0 8.9 6,5 6,7 17,9 14,8 16,4 2,6 2,4 2,4 9,0 13,0 9,0 6,5 8,6 7,4 17,6 18,8 17,2 3,2 9,3 7,5 10,0 27,0 17,0 14,8 9,8 12,0 24,7 19,2 21,5 1. Pri smolnem, aminskem z antioksidantom in die-nofilnem sistemu3, kjer poteka zamreženje po ionskem mehanizmu, ugotovimo iz tabele 2, da so zmesi s kal-ciniranim kaolinom imele krajše ts2 in t9o kot zmesi s CaCOj, obdelanim s Ca-stearatom, kjer so bili ts2 en- do šest- krat daljši. Pri zmeseh z mešanico polnil so vrednosti ts2 vmes med zmesmi s kalciniranim kaolinom in CaCCb, obdelanim s Ca-stearatom. Iz dobljenih rezultatov sklepamo, da je do razlike pri ts2 in 190 prišlo zaradi uporabe polnila z različnim pH. Kislo polnilo (kalciniran kaolin) pospeši zamreženje, ker verjetno omogoča hitro odcepitev broma na izoprenskem delu kavčuka in nadaljne zamreženje, medtem ko bazično polnilo (CaCOj, obdelan s Ca-stearatom) verjetno ovira odcepitev alilnega broma in zavira zamreženje. ZnO, ki smo ga dodali pri omenjenih treh sistemih zamreževanja, deluje kot kislinski katalizator in stabilizira nastanek karbokationa na alilnem položaju izopren-skega dela kavčuka. 2. Pri aminskem sistemu3, kjer zamreženje poteka tudi po ionskem mehanizmu, so bili ts2 in t9o za vse tri zmesi podobni. Uporabili smo MgO, ki deluje kot akcep-tor kisline in zavira ts2 in t90 ter močno vpliva na hitrost vulkanizacije. Z njim smo verjetno zmanjšali vpliv interakcij kavčuk - polnilo. Mehanizem delovanja MgO v zmesi še ni natančno raziskan. 3. Pri peroksidnem sistemu3, kjer poteka zamreženje po radikalskem mehanizmu, so ts2 in t9o za vse tri zmesi približno enaki. Kislo polnilo (kalciniran kaolin) zmanjša učinkovitost peroksida, ker povzroča ionski razpad peroksidne molekule po naslednji shemi8: ROOR <-> R+ + ROO" Tako ne nastanejo radikali, ki so potrebni za začetek zamreženja. Razlika navorov AM (AM = Ml - Mh, kjer je Mh najvišja dosežena vrednost navora v času meritve, in Ml minimalni navor, ki ju odčitamo iz vulkanizacijske krivulje) je merilo za stopnjo zamreženja kavčukove zmesi. Čim večja je njegova vrednost, bolj je kavčuk zamrežen. Odvisnost AM od sestave zmesi je prikazana v tabeli 2. Razlike v stopnji zamreženja med posameznimi zmesmi so majhne. Stopnja zamreženja je namreč odvisna od količine zamreževala v zmesi, ki je za vse zmesi približno enaka. Spremembe vulkanizacijskega sistema minimalno vplivajo na gostoto zamreženj. Kavčukova zmes na osnovi bromobutilnega kavčuka mora imeti ustrezno hiter začetek zamreževanja. Če je začetek prehiter, vulkanizacija steče že med vlečenjem zmesi na kalandru ali med skladiščenjem. Iskali smo zmes z ustrezno varnostjo predelave in s čim krajšim časom zamreženja. Našim zahtevam je najbolj ustrezala zmes s peroksidnim in dienofilnim zamreženjem, kjer smo kot ponilo uporabili kalciniran kaolin. 3.2 Fizikalne lastnosti vulkanizatov Fizikalne lastnosti vulkanizatov so primerljive med seboj. Večje vrednosti trdote, modulov, natezne trdnosti, odbojne elastičnosti in tlačne deformacije so pri zmeseh s kalciniranim kaolinom (zmesi 1, 4, 7, 10 in 13), kjer je gostota zamreženja večja. Raztezki padajo z naraščajočo gostoto zamreženj. Izbira vulkanizacijskega sistema ne vpliva veliko na fizikalne lastnosti vulkanizatov. 3.3 Kemijske lastnosti vulkanizatov Kemijska analiza vulkanizatov se uporablja za ugotavljanje kemijskih lastnosti vodnih ekstraktov zamaškov, ki se uporabljajo kot primarna embalaža. To je embalaža, ki pride v stik s krvjo ali s farmacevtskimi preparati. Iz vseh zmesi smo izdelali zamaške in preverili ustreznost vodnega ekstrakta zamaška po standardu DIN. Vse analize so bile v zahtevanih mejah, ki jih določa standard in so navedene v tabeli 3. Izbira polnila ni vplivala na kemijske lastnosti vodnih ekstraktov vulkanizatov, ki so navedene v tabeli 3, razen na kislost oziroma bazičnost ekstrakta. Uporaba različnega vulkanizacijskega sistema vpliva na kislost oziroma bazičnost vodnega ekstrakta vulkani-zata, ker nekatere surovine, ki jih vsebuje gumena zmes, vsebujejo funkcionalne skupine, ki delujejo kislo ali bazično. Do razlik pri vsebnosti reduktivnih snovi pride zaradi uporabe različnega vulkanizacijskega sistema (surovine, ki vsebujejo žveplo, tiurame, tiazole, ditiokarbamate, organske amine, fenolne smole in/ali organske perokside). 4 Sklep Rezultati so pokazali, da je za zmesi na osnovi bromobutilnega kavčuka primeren peroksidni in dienofilni vulkanizacijski sistem, kjer smo kot polnilo uporabili kalciniran kaolin. Tabela 3: Vpliv različnega polnila in vulkanizacijskih sistemov na kemijske lastnosti vulkanizatov Table 3: Influence of different fillers and curing systems on chemical properties of vulcanizates TEST ENOTA SMOLNI SISTEM AMINSKI/ANTI-OK. SISTEM PEROKSIDNI SISTEM AMINSKI SISTEM DIENOFILNI SISTEM SPECIFIKACI JA 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 kislost/bazičnost ApH 0,1 0.1 0,1 0,1 0,3 0,4 0,5 0,5 0 0,3 0,4 0,5 0,1 0,2 0,2 < 1,5 reduktivne snovi ml/lOml 0,14 0,1 1 0,14 0,61 0,99 0.724 0,0840,1060,022 0,0580,0600.079 0,2 0,024 0,07 < 1,5 amonijev ion(NH4+) mg/lOml < < < < < < < < < < < < < < < < 15 težke kovine(Pb2+) mg/lOml < < < < < < < < < < < < < < < < 10 cink (Zn2+) mg/lOml < < < < < < < < < < < < < < < <25 kloridi (Cl ) mg/lOml < < < < < < < < < < < < < < < <7,1 suhi ostanek mg/lOOml / / / / / / / / / / / / / / / < 5 hlapni sulfidi(S2") mg/20cm2 < < < < < < < < < < < < < < < < 20,5 barva brez brez brez brez brez brez brez brez brez brez brez brez brez brez brez brezbarven vonj brez brez brez brez brez brez brez brez brez brez brez brez brez brez brez brez vonja mastenje na površini brez brez brez brez brez brez brez brez brez brez brez brez brez brez brez brez mastenja fragmentacija delci 0/30 0/30 0/30 0/30 0/30 0/30 0/30 0/30 0/30 0/30 0/30 0/30 0/30 0/30 0/30 <0/30 penjenost se ne peni se ne peni se ne peni se ne peni se ne peni lepljivost se ne lepijo se ne lepijo se ne lepijo se ne lepijo se ne lepijo 5 Literatura 1 N. Harmsworth: Kauts. Gummi Kunstst., 48, 1995, 40 2N. K. Dutta. D. K. Tripathy: Kauts. Gummi Kunstst., 43, 1990, 880 3 D. C. Edwards: Elastomerics, 22, 1990, 20 4 J. A. Brydson: Rubber Chemistry, Applied Science Publishers, London, 1978, 247-251 5 Rubber Business Group: Butyl and Halobutvl Compounding Guidefor Non-tyre Applications, Bayer Polysar, Leverkusen, 1992, Section 2 6 A. Y. Coran: Science and Technology of Rubber, R R. Eirich Ed, Aca-demic Press, New York 1978, Chap. 7 7 Interni predpisi Save, Razvojno-tehnološki inštitut Sava, Kranj * Yay B. Class: Rubber & Plastics News. 1995, October 9. 91-92