ПОГЛОЩАЮЩАЯ КИСЛОРОД ПЛАСТИКОВАЯ СТРУКТУРА
PLASTIC OXYGEN-ABSORBING STRUCTURE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к термосвариваемым пластиковым пленочным и листовым структурам, пригодным для упаковки чувствительных к кислороду продуктов и имеющим способность поглощать остаточный кислород, захваченный в упаковке после герметизации, и обеспечивать высокоактивный барьер для проникновения кислорода, независимый как от диффузии влаги, так и от катализаторов на основе переходных металлов.
Предшествующий уровень техники
Многие фармацевтические лекарственные продукты являются чувствительными к влаге и для сохранения своей активности требуют содержания их в сухой окружающей среде. Некоторые из новейших лекарственных препаратов также чувствительны к кислороду окружающей среды, присутствие которого в упаковке может обусловливать быстрое окисление существенных компонентов продукта, часто приводя к утрате активности и сокращению срока годности при хранении продукта. Общепринятые фармацевтические продукты включают таблетки, капсулы, гелевые капсулы и другие твердые составы однократной дозы, обычно называемые как «таблетки». Предписываемые требования к хранению, предъявляемые к упаковке многих фармацевтических продуктов, часто включают условие сохранности в течение по меньшей мере двух лет. Блистерная упаковка, такая как показано на фиг.1, создает удобный способ инкапсулирования отдельной таблетки между металлической фольгой и термосвариваемым пластиковым листом, который подвергают термоформованию для создания серии полостей для упаковки каждой таблетки в ее собственной индивидуальной полости. Такие блистерные упаковки дают возможность использовать таблетки из упаковки по отдельности, не подвергая другие таблетки в упаковке воздействию внешней окружающей среды.
Кислород, присутствующий внутри продукта, в свободном пространстве упаковки и в стенках упаковки после герметизации упаковки, называют остаточным кислородом. Оксидативное повреждение упакованного продукта может быть замедлено и/или задержано при использовании упаковочных материалов и структур с высокими «пассивными» барьерными характеристиками и комбинировании их со способами упаковки в модифицированной атмосфере, такими как вакуумная упаковка и/или заполнение свободного пространства упаковки инертным газом перед герметизацией. Пассивный барьер против проникновения кислорода действует как физическая преграда, которая сокращает или устраняет диффузионный транспорт кислорода сквозь стенку контейнера, но химически с кислородом не взаимодействует. Такие способы защиты часто недостаточны для обеспечения требуемой продолжительности хранения и предотвращения потери активности продукта.
Применявшиеся ранее способы «активной» упаковки для увеличения продолжительности срока годности чувствительных к кислороду продуктов путем поддерживания бескислородной среды внутри упаковки включали размещение внутри упаковки поглотителей, химически реагирующих с кислородом. Материалы, способные абсорбировать кислород в ходе химических реакций, необратимых в условиях хранения, обычно назывались поглотителями кислорода. Поглотители кислорода, помещенные внутри упаковки в форме отдельных пакетиков, сумочек или саше, снижают количество остаточного кислорода и реагируют с проникающим кислородом, однако они неспособны предотвращать доступ кислорода через стенки контейнера путем простой диффузии. Поэтому часто требуется дополнительный защитный барьер в форме пассивных высокобарьерных материалов, которые характеризуются низким коэффициентом проникновения в них кислорода. Кислород, проникающий через упаковку, затем конкурентно потребляется поглотителем и чувствительным к кислороду продуктом. Для продуктов с высокой нестабильностью часто требуется чрезмерно высокая активность вложенного поглотителя в отношении кислорода, чтобы предотвратить преимущественное окисление упакованного продукта. Проблемой, связанной с использованием пакетиков, является потенциальная опасность проглатывания пакетиков или их содержимого домашними животными, детьми и взрослыми потребителями.
Из соображений ограничения использования вложенных поглотителей кислорода было предложено вводить поглотители кислорода в упаковочный материал, образующий стенки контейнера. Такие структуры называются «активными барьерами» для проникновения кислорода, поскольку они не только физически ограничивают скорость диффузии кислорода сквозь барьер, но и химически реагируют с проникающим кислородом, тем самым еще больше сокращая реальную скорость проникновения кислорода. Такие активные барьеры также являются преимущественными потому, что они потенциально могут абсорбировать кислород, захваченный внутри упаковки, подобно вложенным поглотителям. Как отмечено Solovyov и Goldman [Int. J. Polym. Mater., 2005, vol. 54, pp. 71-91], самые низкие скорости пропускания кислорода и самое значительное улучшение барьерных свойств получены, когда быстро реагирующие части поглотителя кислорода вводят внутрь матричного материала с самыми высокими барьерными характеристиками, более конкретно, материала с самым низким коэффициентом диффузии кислорода в них. Показатель улучшения барьерных свойств определяют как отношение реального потока кислорода через активный барьерный слой к потоку через пассивный барьерный слой, изготовленный по существу из того же матричного материала. Таким образом, показатель улучшения барьерных свойств характеризует относительное сокращение скорости проникновения скорее в результате химической реакции, нежели барьерную функцию структуры самой по себе. Понятие реального потока имеет отношение к результирующей скорости диффузионного массопереноса через границу барьера ниже по потоку (то есть границу, обращенную к содержимому упаковки). PVOH (полимер поливинилового спирта), EVOH (сополимер этилена и винилового спирта) и определенные полиамидные смолы представляют собой примеры таких пассивных высокобарьерных полимерных материалов, пригодных в качестве полимерных матриц для размещения в них частиц поглотителей кислорода и для получения высокоэффективных активных барьеров. Однако известно, что кислородно-барьерное действие материалов на основе PVOH и EVOH быстро деградирует при повышении относительной влажности окружающей их среды. Поэтому такие материалы не могут быть использованы по отдельности для формирования кислородно-барьерной структуры, и часто их нужно защищать от диффузии влаги с помощью дополнительного(ных) барьерного(ных) для водяных паров слоя(ев), например, сделанного(ных) из полиолефинов.
Когда кислород присутствует с обеих сторон барьера, активный барьер в принципе может абсорбировать его с обеих сторон, обеспечивая сокращение количества остаточного кислорода, захваченного внутри упаковки после герметизации. Условие реализации этого эффекта было выведено Solovyov и Goldman [та же ссылка] для однослойного барьера с однородной активностью. Такие полимерные материалы, как PVOH и EVOH, пригодные для получения наиболее эффективных активных барьеров против проникновения кислорода, в то же время плохо пригодны в качестве матриц для быстрого поглощения кислорода в свободном пространстве изнутри упаковки введенным поглотителем. Причиной этого является низкая способность растворять кислород и низкая скорость диффузии кислорода в таких материалах, что препятствует эффективному транспорту кислорода к реакционным центрам поглотителя внутри матрицы. Результирующая скорость поглощения кислорода в матрице является слишком низкой для эффективного удаления остаточного кислорода в свободном пространстве. Более того, такая скорость поглощения прогрессивно снижается по мере расходования или дезактивации поглотителя кислорода локализованной реакционно-диффузионной волной (подобно реакционно-диффузионной волне горения с расходованием твердотопливного стержня), распространяющейся изнутри упаковки сквозь толщу реакционной стенки. Существует необходимость в преодолении этой проблемы и в достижении эффективного поглощения как кислорода, проникающего из окружающей среды, так и остаточного кислорода, присутствующего в упаковке после герметизации.
При разработке фармацевтической упаковки общепринятым путем достижения максимальных газобарьерных характеристик является изготовление индивидуальных полостей из металлического катаного материала в виде фольги, герметизированных еще одним катаным фольговым материалом. Для герметизации фольговой упаковки один или оба из верхнего и нижнего слоев рулонной фольги обычно покрывают адгезивным герметиком. Такие упаковки не являются тем, что обычно понимают как блистерные упаковки, так как они характеризуются отсутствием прозрачности и четко определенной геометрической формой вокруг заключенной в них таблетки, фактически образующей мини-пакет для каждой таблетки. В результате потребитель при осмотре не может сразу определить, содержит ли отдельный пакет таблетку или нет. С другой стороны, термоформованный жесткий или полужесткий прозрачный пластиковый лист, подвергнутый термосвариванию с рулонной фольгой с получением блистерной упаковки, такой как на фиг.1, будучи предпочтительным для потребителей благодаря удобству распределения и возможности видеть продукт, образует блистерную упаковку, для которой часто характерны нежелательно высокие скорости проникновения водяных паров и кислорода сквозь пластик. Существует необходимость в ослаблении высокой проницаемости пластических листовых материалов для кислорода, чтобы сделать их пригодными для изготовления блистерных упаковок с увеличенным сроком годности при хранении.
При изготовлении фармацевтической блистерной упаковки в листе из термопластичного полимера формируют многочисленные полости с использованием одного из известных способов термоформования. Когда для улучшения газобарьерных свойств блистера используют многослойные листовые структуры, то компоновку слоистой структуры, выбор материала для каждого слоя и параметры процесса термоформования, такие как продолжительность предварительного нагревания листа, температура формования, скорость формования и способ формования, необходимо регулировать, чтобы облегчить деформирование структуры в желаемую форму, повысить производительность и в то же время сократить усадку пленки и предотвратить перегрев и обусловленные этим разложение и термический распад полимерных материалов слоев. Эти задачи часто требуют использования полимерных материалов для слоев с перекрывающимися диапазонами технологических условий термической обработки, то есть не каждую пару полимерных материалов можно использовать в качестве субстрата для термоформования блистерных упаковок.
Были предложены многочисленные органические и неорганические композиции поглотителей кислорода и их комбинации. Такие композиции различаются в том, окисляется ли проникающим кислородом органический или неорганический субстрат, составляющий часть композиции. Неорганические поглотители кислорода чаще всего основываются на окислении восстановленных переходных металлов, сульфитов до сульфатов, и других подобных химических принципах, таких как описано в патентах США 5262375 (на имя McKedy, 1993), 5744056 (на имя Venkateshwaran и др., 1998), 2825651 (на имя Loo и Jackson, 1958), 3169068 (на имя Bloch, 1965), 4041209 (на имя Scholle, 1977). Описанные органические поглотители кислорода основываются на окислении углерод-углеродных двойных связей в скелетах полимерных цепей и боковых группах (этиленовая ненасыщенность подвергается автоокислению), катализируемом переходными металлами окислении определенных полиамидов, окислении определенных фотовосстановленных хинонов, окислении аскорбатов, бутилированных гидроксианизолов (ВНА), бутилированного гидрокситолуола (BHT), ферментов, определенных металлоорганических лигандов и других соединений, таких как описано в WO 02/076916 (на имя Horsham и др.), патент США 6517728 (на имя Rooney), патент США 6123901 (на имя Albert), патент США 6601732 (на имя Rooney), WO 04/055131 (на имя Scully и др.) и WO 02/051825 (на имя Horsham и др.). В то время как неорганические поглотители на основе переходных металлов часто имеют более высокую активность в отношении абсорбции кислорода на единицу массы композиции, органические поглотители кислорода являются предпочтительными во многих случаях благодаря их способности смешиваться или ковалентно связываться с пассивным барьерным полимером без сообщения нежелательного цвета, утраты прозрачности и ухудшения механических и/или потребительских свойств барьерной полимерной структуры. В зависимости от химического строения органического поглотителя и матричного полимера частицы органических поглотителей могут быть диспергированы в матрице во время компаундирования или ковалентно связаны с матричным полимером, как описано в патентах США 5627239, 5736616, 6057013, WO 99/48963 автором Ching и др. (1997-2000). Последнее обстоятельство является предпочтительным, поскольку побочные продукты окисления с низкой молекулярной массой, часто присутствующие в барьере после завершения реакции поглощения, могут мигрировать в упаковку и вызывать нежелательное загрязнение продукта или вредно влиять на его свойства еще одним негативным путем. Для предотвращения миграции побочных продуктов окисления предпочтительно, чтобы как частицы поглотителя, так и реакционные продукты преимущественно были ковалентно связаны с матричным полимером. Частицы поглотителя кислорода, не связанные с матричным полимером, также зачастую непригодны для контакта с продуктом, предназначенным для потребления человеком, по описанным выше соображениям и по причине отсутствия правительственных разрешений, специфических для каждой страны. Такие частицы поглотителей часто должны быть помещены в отдельные слои барьерной структуры, которые изолированы от продукта пассивным(ыми) барьерным(ыми) слоем(ями) для сокращения или предотвращения миграции побочного продукта.
В патентах США 6646175, на имя Yang и др., 5350622, на имя Speer, и 6569506, на имя Jerdee, и WO 98/12127 представлены материалы с более чем одним поглощающим кислород слоем. В патенте США 6682791, на имя McKnight, представлены упаковки и упаковочные структуры по меньшей мере с двумя поглощающими кислород материалами, имеющими различные характеристики поглощения кислорода и размещенных в качестве слоев внутри упаковочной структуры. Предусмотрено различие поглотителей кислорода и/или концентраций катализатора между слоями.
Остается насущной потребность в абсорбирующей кислород структуре, пригодной для быстрой (например, в течение часов) абсорбции остаточного в свободном пространстве кислорода и обеспечивающей эффективное поглощение кислорода и высокие барьерные характеристики против проникновения кислорода при долговременном хранении (например, в течение многих лет) в упаковочных изделиях, таких как блистерные упаковки.
Сущность изобретения
Изобретение предоставляет многослойную абсорбирующую кислород структуру, включающую по меньшей мере два активных поглощающих кислород слоя, размещенных в последовательности: быстро абсорбирующая система с высокой активностью поглощения кислорода, включающая проницаемый для кислорода матричный полимер и поглотитель кислорода, и слой долговременного действия, включающий пассивный высокобарьерный для кислорода матричный полимер и поглотитель кислорода.
Краткое описание некоторых видов чертежей
Фиг.1 представляет поперечное сечение обычной блистерной упаковочной структуры.
Фиг.2 представляет двухслойную абсорбирующую кислород пластиковую структуру.
Фиг.3 представляет трехслойную абсорбирующую кислород «активно-активно-пассивную» пластиковую структуру.
Фиг.4 представляет трехслойную абсорбирующую кислород «активно-пассивную» пластиковую структуру с необязательными адгезивными связующими слоями, покрытиями и поверхностными обработками.
Фиг.5 представляет начальную скорость проникновения кислорода и сорбции в однослойной активной пленке в сравнении с активностью пленки (начальный модуль Тила ϕ активного слоя). Все скорости нормализованы по коэффициенту проницаемости для кислорода в стационарном состоянии в пассивной пленке с идентичными характеристиками транспорта кислорода, включающей тот же матричный материал и толщину пленки.
Фиг.6 представляет профили парциального давления кислорода в (а) однослойной активной структуре и (b) описываемой в изобретении двухслойной абсорбирующей кислород «активно-активной» структуре. Двухслойная пленка проявляет более высокую скорость абсорбции кислорода изнутри упаковки и более низкую скорость проникновения через активный барьерный слой, как определено по наклонам кривых давления кислорода на поверхности раздела слоя с содержимым упаковки и между абсорбирующим кислород слоем и кислородно-барьерным слоем, соответственно.
Подробное описание изобретения
Изучение настоящего изобретения предоставляет путь к созданию и изготовлению упаковочных структур с двойственными функциональными возможностями быстрой абсорбции из свободного пространства в упаковке и долговременного барьера против проникновения кислорода.
Изобретение имеет многочисленные преимущества перед предшествующим уровнем техники. Изобретение предоставляет структуру материала, который обеспечивает высокую скорость абсорбции кислорода из свободного пространства в упаковке. Активный барьерный материал согласно настоящему изобретению также создает долговременный барьер проникновению кислорода в упаковку через структуру согласно изобретению. Далее, изобретение предоставляет полимерную упаковку, которая может быть сделана почти непроницаемой как для кислорода, так и для водяных паров. Кроме того, упаковочный материал может быть сформирован обычным способом инкапсулирования для лекарственных препаратов, пищевых продуктов и компонентов электронных устройств. Эти и другие преимущества настоящего изобретения будут очевидны из приведенного ниже подробного описания.
Изобретение предоставляет многослойную абсорбирующую кислород пластиковую листовую или пленочную структуру, включающую по меньшей мере два активных поглощающих кислород слоя, параллельных плоскости пленки, размещенных в следующей последовательности: первый быстро абсорбирующий слой, размещенный ближе к упакованному продукту, состоящий из матричного полимера с высокой проницаемостью для кислорода, объединенного с системой поглощения кислорода, имеющей высокую активность, и второй слой долговременного действия, размещенный ближе к внешней окружающей среде и состоящий из высокобарьерного для кислорода матричного полимера, объединенного с системой поглощения кислорода, имеющей высокую активность, с образованием активного барьерного слоя долговременного действия с высокой активностью в отношении кислорода. Пассивные полимерные матрицы быстро абсорбирующего слоя и кислородно-барьерного слоя химически различаются и характеризуются разной, на несколько порядков величиной проницаемости для кислорода через них. Система поглощения кислорода и концентрация поглотителя в обоих слоях могут быть одинаковыми или они могут быть различными, в зависимости от выбора полимерной матрицы для соответствующего слоя. В частности, для практической реализации изобретения преимущественно используют органические системы поглощения кислорода, активируемые УФ-излучением, независимые от катализаторов на основе металлов. Возможности конкретного выбора толщины активных слоев, материалов матриц слоев и систем поглощения кислорода описаны ниже.
На фиг.1 проиллюстрирован способ инкапсулирования согласно прототипу. На фиг.1 показана упаковка, которая содержит таблетку 12. Донная часть упаковки включает алюминиевый лист 14. Таблетку для применения извлекают из упаковки продавливанием сквозь лист 14. Упаковка 10 состоит из полимерного листа 16 со сформированной термоформованием структурой и адгезивного герметизирующего слоя 18. Прозрачный полимерный лист 16 обычно может быть сформирован из такого полимера, как сложные полиэфиры РЕТ (полиэтилентерефталат), PETG (модифицированный гликолем полиэтилентерефталат), PEN (полиэтиленнафталат) и их смеси, PVC (поливинилхлорид), PCTFE (полихлортрифторэтилен) и разнообразные полиамиды, потенциально с барьерными для водяных паров покрытиями (например, из аморфного диоксида кремния или PVDC (поливинилиденхлорида)), или такой(ие) слой(и), как полимер LDPE (полиэтилен низкой плотности). Предпочтительный полимер PETG имеет циклогександиметанол, добавленный к полимерному каркасу вместо некоторого количества этиленгликоля, чтобы уменьшить кристалличность и снизить температуру плавления, чтобы способствовать термоформованию. Герметизирующий слой 18 обычно может быть сформирован из адгезивного материала, такого как этилен-винилацетатный сополимер, термосвариваемые акриловые смолы и гидроксипропилцеллюлоза. Герметизирующий слой и структурный слой в основном являются прозрачными в видимой области диапазона длин волн. Такая упаковка, хотя и защищенная от неумелого обращения и экономичная в производстве и формовании, не обеспечивает существенной защиты таблетки от проникновения кислорода.
На фиг.2 проиллюстрирована структура 20 стенки упаковки согласно изобретению, имеющей два поглощающих кислород слоя. Структура стенки согласно изобретению может быть использована в такой упаковке, как упаковка известного уровня на фиг.1, и может замещать слои 16 и 18. Структура включает быстро абсорбирующий поглощающий кислород активный слой 22, размещенный ближе к внутренней части упаковки и характеризуемый высокой скоростью абсорбции кислорода в слое, и поглощающий кислород активный слой 24 долговременного действия, размещенный ближе к наружной стороне упаковки и создающий высокоактивный барьер для проникновения кислорода. Слой 22 обычно может быть использован в качестве герметизирующего слоя для применения в блистерной упаковке таким образом, что лист может быть использован для упаковки инкапсулированных лекарственных препаратов и пищевых продуктов. Слой 24 долговременного действия функционирует как первичный пассивный барьерный слой, в то же время имея высокую активность в отношении кислорода для дополнительного сокращения реальной скорости проникновения кислорода сквозь него. Принципы и определения слоя с высокой способностью абсорбировать кислород, барьерного слоя с высокой активностью описаны ниже в разделе «Теоретические основы».
На фиг.3 проиллюстрирована трехслойная «активно-активно-пассивная» структура 30 согласно изобретению. Структура 30 также пригодна в качестве стенки для упаковочного контейнера и в особенности пригодна для использования в инкапсулировании индивидуальных доз лекарственных препаратов в блистерных упаковках. Структура 30 включает быстро абсорбирующий слой 22 с высокой скоростью абсорбции кислорода, слой 24 с высокой активностью в отношении кислорода, изготовленный из пассивного высокобарьерного для кислорода материала долговременного действия, и третий пассивный структурный несущий слой 32, обеспечивающий прочность и жесткость упаковки и несущий на себе два поглощающих кислород слоя 22 и 24.
На фиг.4 проиллюстрирована секция стенки 40, также предназначенной в качестве листа для упаковки или инкапсулирования лекарственных средств или пищевых продуктов. Стенка 40 состоит из быстро абсорбирующего активного слоя 22 с высокой проницаемостью, проявляющего высокую скорость абсорбции кислорода, кислородно-барьерного слоя 24 долговременного действия, включающего пассивный высокобарьерный для кислорода полимер и поглощающий кислород материал с высокой активностью. Пассивный структурный несущий слой 32 приклеен к кислородно-барьерному слою 24 долговременного действия с помощью адгезивного связующего слоя 46. Слои 22 и 24 соединены адгезивным связующим слоем 44. В структуре стенки 40 на фиг.4 также предусмотрено барьерное покрытие 42, которое будет создавать дополнительный пассивный барьер для проникновения кислорода и/или пропускания водяных паров через структуру. Связующие слои 44 и 46 являются необязательными и нужны только тогда, когда материалы слоев 22, 24, 32 недостаточно хорошо сцепляются друг с другом или если сформированы по отдельности и затем соединены. Связующие слои обычно формируют из любого подходящего термоклеевого средства.
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
Для кислородно-барьерного слоя долговременного действия, включающего пассивный высокобарьерный для кислорода матричный полимер и поглощающий кислород материал с высокой активностью, коэффициент проницаемости кислорода пассивного матричного материала составляет от 0,001 до 10 см·мм/(м·день·атм) в условиях использования (обычно при температуре окружающей среды около 20 градусов Цельсия и относительной влажности 40-60%). Предпочтительный коэффициент проницаемости составляет менее 2,5 см·мм/(м·день·атм). Наиболее предпочтительный диапазон величин проницаемости составляет от 0,01 до 2,5 см·мм/(м·день·атм). Для активного материала, формирующего матрицу быстро абсорбирующего поглощающего кислород слоя, коэффициент проницаемости кислорода составляет более 250 см·мм/(мдень·атм) в условиях использования. Предпочтительный коэффициент проницаемости кислорода для материала матрицы абсорбирующего кислород слоя составляет от 500 до 10000 см·мм/(м·день·атм).
Настоящее изобретение описывает компоновку многослойной структуры, имеющей по меньшей мере один быстро абсорбирующий активный слой и по меньшей мере один пассивный абсорбирующий кислород слой долговременного действия, используемые для формирования полимерного упаковочного изделия, пригодного для эффективного удаления остаточного кислорода из упаковки и сокращения или предотвращения проникновения кислорода в упаковку, путем выбора местоположения, матричного материала и реакционной способности активных поглощающих кислород слоев, а также соответствующих композиций структуры и способа получения такой структуры. Более конкретно, изобретение главным образом направлено на термосвариваемую полимерную структуру, пригодную для упаковки фармацевтических препаратов и пищевых добавок одноразовыми дозами в термоформуемых блистерных упаковках. Специалистам в данной области будет очевиден тот факт, что изобретение не ограничивается фармацевтическими блистерными упаковками, и что другие варианты применения барьерных упаковок с заявленными компоновками структуры, целенаправленным одновременным сокращением проникновения кислорода в упаковку и удалением остаточного кислорода из внутренности упаковки возможны не отходя от существа изобретения. Такой способ включает инкапсулирование упаковываемого продукта между двумя листами материала согласно изобретению. Другие такие материалы представляют собой пищевые продукты, химические реагенты, компоненты электронных устройств и биологические материалы.
Изобретение основывается на достижении на первый взгляд несовместимой компоновки упаковочной структуры для обеспечения долговременного активного барьера проникновению кислорода и одновременно средства быстрого удаления остаточного кислорода из упаковки. Это сделано с помощью оптимизированной многослойной конструкции упаковочной структуры или ее части, путем введения по меньшей мере двух активных поглощающих кислород полимерных слоев в специфическом порядке и изготовленных из различных полимерных материалов по существу с различными характеристиками пассивного транспорта кислорода. Система поглощения кислорода и концентрации поглотителей в активных слоях могут быть одинаковыми или различными, в зависимости от конкретных требований к защитной упаковке, таких как необходимая продолжительность барьерной защиты от поступления кислорода из окружающего воздуха, площадь поверхности упаковки, максимальная толщина упаковочной структуры, объемная доля заполненного газом свободного пространства в упаковке и количество остаточного кислорода в упаковке после герметизации.
Быстро абсорбирующий активный слой, который размещают ближе к содержимому упаковки или в контакте с ним, предпочтительно делают из термосвариваемого полимера с высокой проницаемостью для кислорода (такого как термосвариваемый адгезив на акриловой основе, термоклей из модифицированного термопластичного материала на основе целлюлозы или этилен-винилацетатного (EVA) сополимера), в который вводят частицы поглотителя кислорода, диспергированные в матричном полимере или, предпочтительно, ковалентно связанные с ним. Альтернативно, такие поглощающие кислород активные частицы, ковалентно связанные с некоторым другим полимером, который сам по себе не может служить в качестве термосвариваемого слоя, могут быть смешаны с основой из указанного термосвариваемого полимера для сочетания свариваемости базового материала с ковалентно связанной функциональностью в отношении поглощения кислорода, характеризуемого сокращенной или ничтожно малой миграцией. На примере конкретных поглощающих кислород частиц на основе антрахинона, ковалентно связанных с герметизирующим слоем матричного полимера или диспергированных в нем, включающем этилен-винилацетатный сополимер, такая матрица должна иметь средства для активации поглощающей активности антрахинона по механизму фотовосстановления. Для достижения этого матричный полимер преимущественно выбирают таким образом, чтобы он содержал большую молярную долю вторичных гидроксильных функциональных групп, доступных для быстрого переноса протонов с гидроксильной группы на кетонный атом кислорода в антрахиноне. В то же время термосвариваемая матрица должна иметь высокие уровни пропускания УФ-излучения в ультрафиолетовом диапазоне длин волн, необходимые для эффективной активации поглотителя.
Быстро абсорбирующий герметизирующий слой, поглощающий кислород, служит в качестве средства для удаления остаточного кислорода путем быстрого растворения кислорода в полимерной матрице и быстрой диффузии его к внедренным поглощающим кислород частицам. Такой слой, который может быть сплошным или пористым, отличается от вложенных поглотителей кислорода и прикрепленных внутри адгезивных наклеек, содержащих поглотитель кислорода, поскольку (1) он содержит поглощающую кислород функциональную группу, постоянно связанную с термосвариваемой полимерной матрицей или связанную с нетермосвариваемым полимерным компонентом, примешанным к термосвариваемому полимеру, и тем самым он по существу предотвращает миграцию и высвобождение побочных реакционных продуктов, (2) он дополнительно служит в качестве адгезивного термосвариваемого слоя, пригодного для герметизации упаковки. Предпочтительный абсорбирующий кислород слой включает термосвариваемый акриловый полимер, этилен-винилацетатный сополимер (EVA), гидроксипропилцеллюлозу, другие модифицированные пластики на основе целлюлозы или их смеси с полиолом, поливиниловым спиртом (PVOH) или сополимером этилена и винилового спирта (EVOH), примешанных к ним в количестве от 0% до 50% по массе.
Кислородно-барьерный активный слой долговременного действия, размещенный ближе к наружной стороне упаковки, который может быть открыт в окружающую среду или защищен от нее пассивным полимерным структурным слоем, делают из пассивного высокобарьерного для кислорода полимера (такого, как PVOH или EVOH) с реакционно-способными поглощающим кислород частицами, диспергированными в матричном полимере или ковалентно связанными с ним. Поглощающий кислород слой долговременного действия создает долговременный активный барьер для проникновения кислорода с высокой активностью в отношении кислорода, который не проникает сквозь барьер, что обеспечивает практически нулевую скорость поступления кислорода в упаковку, пока ресурсы активности поглотителя не будут исчерпаны в ходе реакции. Чем ниже скорость диффузии кислорода через такой слой, тем дольше он будет захватываться до полного исчерпания ресурсов активности поглотителя и превращения данного активного слоя в пассивный барьерный слой. В примере поглотителей кислорода на основе антрахинона, диспергированных в матрице из PVOH/EVOH, матрица также представляет собой готовый источник атомов водорода во вторичных гидроксильных группах, предпочтительных для эффективной кето-енольной таутомеризации антрахинона, индуцируемой УФ-излучением, которая необходима для активации его способности поглощать кислород. Это не исключает использования других полимеров (таких, как пластики на основе целлюлозы и полиолы), содержащих первичные или, предпочтительно, вторичные гидроксильные функциональные группы, в качестве матриц для введения в них поглотителей кислорода на основе антрахинона. Предпочтительно защищать кислородно-барьерный слой долговременного действия структурным несущим слоем, предпочтительно слоем, который обладает барьерными для водяных паров свойствами, так как это позволяет сделать барьерный слой более тонким и защитить слои из PVOH/EVOH от ухудшения их кислородно-барьерных характеристик вследствие абсорбции водяных паров. Предпочтительный барьерный слой включает полностью или частично гидролизованную PVOH-матрицу с диспергированными органическими поглощающими кислород частицами, которые активируются УФ-излучением, такими как антрахинон, его 2-сульфонатные соли и производные, предназначенные для повышения его растворимости в PVOH-матрице и совместимости с нею. Необязательный третий слой (фиг.3 и фиг. 4) представляет собой такой материал, как, например, прозрачный для видимого и УФ-излучения лист из РЕТ, PETG или полиолефина, обращенный к окружающей среде. Он, предпочтительно, является жестким или полужестким и преимущественно служит в качестве структурной подложки для металлической фольги и обоих активных слоев, которые обычно формируют в виде тонких гибких мембран, защищает чувствительный к влаге PVOH/EVOH-слой от диффузии водяных паров и последующей деградации его кислородно-барьерных характеристик, создает дополнительный пассивный барьер для проникновения кислорода (тем самым удлиняя период времени до полной дезактивации активности поглотителя), и он может быть подвергнут термоформованию общепринятыми способами. Такой необязательный третий слой не должен быть однородным, и он сам может представлять собой многослойную пассивную барьерную структуру с дополнительными желательными признаками, такими как улучшенные барьерные для водяных паров свойства, барьерные для кислорода и водяных паров покрытия, поверхностные обработки, цветовые оттенки и поверхностный слой, пригодный для печати.
Преимущественным является наличие в распоряжении поглощающего кислород полимерного материала, реакционная способность которого может быть активирована или стимулирована при необходимости некоторым внешним инициатором. Таким путем полная активность поглотителя в отношении поглощения кислорода может быть законсервирована до того момента, когда она реально потребуется в упаковке, направленной на хранение. Активность поглотителя кислорода на основе переходного металла часто инициируется диффузией влаги, в то время как химические принципы действия многих органических поглотителей кислорода предусматривают инициирование воздействием актиничного излучения в УФ-диапазоне. Для достижения высокой степени активации таких поглотителей структура предпочтительно должна иметь высокую прозрачность для света с длинами волн УФ-диапазона, который запускает фотовосстановление по конкретному химическому механизму поглощения. Низкая степень активации поглотителя приводит к большой доле реакционно-способных функциональных групп, не использованных для цели поглощения кислорода. Это сокращает реально достижимую эффективность активации и повышает общую стоимость поглощающей композиции в расчете на упаковку. Предпочтительные поглощающие кислород материалы представляют собой поглощающие кислород композиции на основе антрахинона, которые могут быть эффективно подвергнуты фотовосстановлению при воздействии УФ-излучения с длинами волн ниже 380 нм, предпочтительно в присутствии вторичных гидроксильных функциональных групп в матричном полимере, без наличия каких-либо катализаторов на основе переходных металлов. Наблюдаемая 60-80%-ная эффективность кето-енольной таутомеризации антрахинона при фотовосстановлении ведет к образованию многочисленных активных центров, пригодных для быстрого и эффективного поглощения проникающих молекул кислорода. В одном конкретном варианте осуществления в качестве термосвариваемых материалов производные антрахинона с функциональными группами могут быть преимущественно ковалентно связанными с акриловыми полимерами.
Изобретение реализует структурные конструкции поглощающей кислород барьерной упаковки, которая (1) имеет двойственное назначение в сокращении или устранении проникновения кислорода через стенки контейнера в течение весьма продолжительного времени (например, от нескольких месяцев до 2-3 лет) и быстром поглощении остаточного кислорода, остающегося в упаковке после герметизации (например, в течение нескольких часов), (2) позволяет эффективно активировать поглощающую активность воздействием УФ-излучения, (3) обладает способностью поглощать кислород независимо как от диффузии влаги, так и от катализаторов на основе переходных металлов, (4) может быть подвергнута термосвариванию с другими субстратами с образованием более сложных упаковочных структур, (5) может быть получена термоформованием общепринятыми способами.
Два описываемых различных абсорбирующих кислород слоя, быстро абсорбирующий и долговременного действия, могут быть нанесены в виде покрытия из раствора, составлены ламинированием, отлиты или соэкструдированы на структурный несущий слой или на удаляемую рулонную подложку (для последующего использования в качестве части других спроектированных барьерных структур). Способность поглощать кислород обоих абсорбирующих кислород слоев может быть активирована при необходимости от внешнего инициатора, при условии, что введенная поглощающая кислород композиция дает возможность активировать ее активность. В зависимости от химической природы поглощающего кислород агента поглощающая кислород функциональная группа может быть активирована различными механизмами в каждом слое абсорбирующей кислород структуры. Актиничное излучение в УФ-диапазоне (200-400 нм) представляет собой предпочтительный способ активации, который может преимущественно обеспечить активацию «сквозь толщу» диспергированных поглощающих кислород частиц в обоих активных слоях одновременно. Активация излучением с длинами волн, близкими УФ-области (350-400 нм), предпочтительна благодаря широкой коммерческой доступности и меньшей стоимости источников такого УФ-излучения. Предпочтительным поглотителем кислорода является антрахинон, натриевая соль антрахинон-2-сульфокислоты и/или еще одно производное антрахинона с функциональной группой, позволяющей ковалентно связывать антрахиноновый фрагмент с акриловым базовым полимером. Такой предпочтительный поглотитель кислорода удобно активировать в предпочтительно близкой УФ-области. Антрахиноновые поглотители кислорода являются предпочтительными благодаря легкости их активации и их способности связываться с полимерными матрицами.
Описываемые двухслойные «активно-активные» и трехслойные «активно-активно-пассивные» пластиковые структуры предпочтительно получают нанесением покрытия мокрым способом из водного раствора PVOH-полимера с диспергированными поглощающими кислород частицам на основе антрахинона на структурный несущий слой (такой, как прозрачный лист из полиэтилентерефталата (РЕТ)), с последующей сушкой в конвекционной печи или туннельном нагревателе. Поверх высушенного PVOH-слоя предпочтительно наносят покрытие из поглощающего кислород акрилового слоя (из раствора или расплава) с использованием подходящей щелевой фильеры, устройства для нанесения покрытий поливом, путем экструзионного нанесения покрытия или подобным способом. Герметизирующий абсорбирующий кислород слой предпочтительно содержит поглотитель кислорода на основе антрахинона с функциональной группой, ковалентно связанной с матричным полимером для предотвращения миграции побочных продуктов окисления в закрытую упаковку. Не отходя от существа изобретения, поверхностные обработки термоформуемых субстратов, барьерные покрытия, адгезивные связующие слои, адгезивные грунтовочные покрытия и тому подобное могут быть использованы между структурными слоями для улучшения межслойной адгезии и пассивных барьерных характеристик структуры. Абсорбирующая кислород структура согласно изобретению пригодна для активации, термоформования, заполнения и герметизации в последовательности стадий на одной и той же поточной упаковочной линии, приводя к снижению стоимости изготовления блистерной упаковки в дополнение к описанным преимуществам.
Полимерные слои, образующие слои согласно изобретению из материалов настоящего изобретения, могут содержать известные полимерные добавки, не оказывающие существенного влияния на кислородно-барьерные свойства и характеристики поглощения. Обычно могут присутствовать такие известные добавки и остаточные материалы, включающие компатибилизаторы, технологические добавки, красящие вещества, биоциды, фунгициды, остаточный растворитель, пластификаторы, вещества для повышения клейкости, модификаторы адгезии, остаточные отвердители и сшивающие реагенты.
Теоретические основы
Проницаемость Р изотропного пассивного барьерного материала в отношении конкретного проникающего вещества, такого как газообразный кислород, обычно определяют как произведение кинетического коэффициента диффузии кислорода D и термодинамического коэффициента растворимости кислорода S в материале:
P=DS (1)
При конкретной температуре, относительной влажности (RH) и разности Δр парциальных давлений кислорода в пределах барьера. Затем измеренную скорость TR пропускания кислорода в стационарном состоянии в пределах барьера с равномерной толщиной L можно прогнозировать как:
TR=P/L (2)
Поток J кислорода (массовый расход потока кислорода через единицу площади поверхности пассивного барьера) определяют как:
,
out
in
где Δp=p-p означает разность парциальных давлений кислорода на противоположных сторонах барьера, снаружи и внутри упаковки, соответственно. Когда величины давления кислорода выше по потоку и ниже по потоку поддерживают постоянными, картина проницаемости в стационарном состоянии сводится к пассивному слою после определенной задержки, называемой временем запаздывания. В стационарном состоянии в пределах однородного гомогенного пассивного слоя существует профиль независимой от времени концентрации кислорода. В условиях такого стационарного состояния скорость сорбции кислорода в слое равна скорости проникновения кислорода сквозь слой и соответственно равна скорости поступления кислорода в находящуюся ниже по потоку среду. Активные поглощающие кислород частицы, присутствующие в материале пассивного слоя, меняют картину проницаемости в стационарном состоянии на переходное (зависимое от времени) поведение, которое сохраняется в активном слое вплоть до исчерпания ресурсов его активности в реакции с проникающим кислородом. Чем выше реакционная способность слоя в отношении кислорода, тем выше скорость сорбции кислорода в слое и тем ниже скорость проникновения кислорода сквозь слой, по сравнению с пассивным слоем.
0
Мгновенная активность однородного гомогенно активного поглощающего кислород барьера с толщиной L описывается безразмерным начальным модулем Тила ϕ активного слоя [Solovyov S.E. J. Phys. Chem. B2004, vol. 108, pp. 15618-15630]:
,
0
0
где k означает начальную константу скорости реакции псевдопервого порядка для полностью активированного активного слоя, которая, в свою очередь, зависит от общих стехиометрических параметров μ реакции поглощения (в молях кислорода, потребленного на моль или единицу массы поглощающей композиции), реальной общей константы скорости K прямой реакции между кислородом и поглощающими частицами при отсутствии диффузионных ограничений для скорости реакции в объеме, и начальной концентрации R поглощающих частиц в материале матрицы. Для обычно наблюдаемых бимолекулярных реакций поглощения кислорода в целом второго порядка эта начальная константа скорости выражается как:
0
0
k=μKR (5)
0
in
0
0
ss
Безразмерный модуль Тила соотносит скорость реакционной абсорбции кислорода внутри слоя со скоростью диффузии кислорода сквозь слой. Большие начальные модули Тила ϕ>>1 активного слоя соответствуют ситуации быстрых, контролируемых диффузией реакций, которые эффективно удаляют (перехватывают) проникающий кислород во время его транспорта сквозь барьер. Эффективность такого активного барьера в отношении проницаемости для кислорода характеризуется показателем улучшения барьерных характеристик. Для случая с нулевым давлением кислорода внутри упаковки p=0 начальный показатель γ улучшения барьерных характеристик соотносит поток J(P) кислорода через пассивный барьер с начальным реальным потоком J(P) кислорода через границу χ=0 ниже по потоку активированного активного барьера с такими же свойствами пассивного транспорта, как [та же ссылка]:
.
L
При таких же условиях начальной скорости сорбции показатель γ улучшения для сорбции кислорода на границе χ=L активного слоя выше по потоку, для случая каталитического поглотителя кислорода, который не расходуется в реакции:
.
0
0
0
0
Для поглощающих систем с высокой активностью, образующих активные слои с большим значением ϕ: tanh(ϕ)→1; поэтому для высокобарьерных материалов с низкой растворимостью кислорода в них скорость сорбции в стационарном состоянии увеличивается в линейной зависимости от ϕ, если поглотитель имеет избыточную реакционную способность, то есть он временно действует как катализатор. Такая скорость часто недостаточна для обеспечения эффективной сорбции кислорода в активном слое в течение любого значительного периода времени, поскольку она требует поддерживания слишком высокой избыточной реакционной способности по сравнению с количеством кислорода, удаляемого из свободного пространства в упаковке. Во многих вариантах применения создание такой избыточной способности экономически нецелесообразно. Для достижения быстрого удаления остаточного кислорода абсорбирующим кислород слоем без избыточной реакционной способности предпочтительно использовать материалы матрицы слоя с высокими значениями растворимости кислорода и коэффициента диффузии. Даже если высокий коэффициент диффузии кислорода в полимерной матрице снижает начальную активность ϕ слоя, высокая подвижность кислорода в таких матрицах делает все частицы поглотителя кислорода, распределенные в слое, легкодоступными для диффундирующего остаточного кислорода. В результате такой слой с высокопроницаемой матрицей будет эффективно удалять остаточный кислород благодаря быстрой сорбции и реакции с активированным поглотителем по всей толщине герметизирующего слоя.
0
0
0
0
Как продемонстрировано на фиг.5, скорость проникновения кислорода в каталитически активные барьеры экспоненциально снижается с ростом реакционной способности ϕ слоя; однако скорость сорбции кислорода в слое является только линейно пропорциональной его реакционной способности (сравни уравнения 6 и 7). Поэтому активные слои с высокой активностью, характеризуемые большим начальным модулем Тила ϕ (для практических целей с ϕ>3-5), в особенности хорошо пригодны в качестве кислородно-барьерных слоев. Высокая активность слоя приводит к значительному улучшению барьерных характеристик в сравнении с пассивной или неактивированной матрицей слоя. Активные слои с ϕ=10 обеспечивают реальные скорости проникновения, в 1000 раз меньшие, чем может обеспечить слой только с пассивной полимерной матрицей, тем самым делая активный слой практически непроницаемым для кислорода. Улучшение барьерных характеристик измеряют относительно скорости пассивного пропускания слоя, поэтому улучшение пассивных барьерных характеристик активного слоя выбором полимерной матрицы или ее модификацией дает в результате улучшенную эффективность активного барьера при максимально повышенных пассивных барьерных характеристиках. Результатом использования полимера с повышенными пассивными барьерными свойствами в качестве матрицы слоя для добавления к ней поглотителя кислорода является синергическое улучшение общей барьерной работоспособности такого слоя. Соответствующий практический вывод настоящего изобретения состоит в том, что для создания конечного активного барьерного слоя нужно выбирать для слоя матричный материал с наивысшими пассивными барьерными для кислорода характеристиками и затем добавлять к нему поглотитель кислорода с наивысшей активностью (константой скорости реакции с кислородом в объеме). Конструкции, в которых для создания активного барьерного слоя используют низкие концентрации поглотителя кислорода или поглощающие системы с более низкой активностью (такие, как заявленные McKnight в патенте США 6682791), в лучшем случае просто неэффективны. При снижении концентрации поглотителя или активности поглотителя в таких барьерных слоях начальный модуль Тила слоя пропорционально сокращается, приводя к экспоненциальному снижению показателя улучшения барьерных характеристик. Согласно формуле (4), матричный материал, используемый для барьерного слоя с более низким коэффициентом диффузии кислорода в нем, требует повышения начальной активности слоя. Результатом выбора такого материала для барьерного слоя является резкий рост улучшения характеристик активного барьера для кислорода при самой низкой скорости проникновения кислорода через такую пассивную матрицу с наивысшими барьерными характеристиками. Данное раскрытие формирует основу для надежного создания высокоэффективных активных барьерных слоев.
На фиг.6 показаны профили давления кислорода в стационарном состоянии в однослойной активной пленке (а) и в раскрываемой двухслойной «активно-активной» пленке с абсорбирующим кислород и кислородно-барьерным слоями. Увеличением активности кислородно-барьерного слоя (например, увеличением его толщины, концентрации поглотителя кислорода в нем или степени активации поглотителя) с одновременным улучшением его пассивных барьерных характеристик (с более низким коэффициентом диффузии и растворимости кислорода в матрице слоя) достигают цели превосходной барьерной функции такого активного слоя за счет снижения скорости абсорбции кислорода в таком слое. Для улучшения характеристик сорбции кислорода активными поглощающими кислород слоями на практике должна быть разрешена проблема конечной реакционной способности расходуемых поглотителей кислорода и связанных с этим затрат на пополнение такой способности активного слоя при ограниченной толщине. В таких расходуемых системах в любой момент в течение периода времени, когда истощаются ресурсы реакционной способности поглотителя, сорбция в стационарном состоянии не имеет места. Следующее изложение описывает, как улучшить переходные (зависимые от времени) характеристики сорбции кислорода активным слоем для быстрого удаления остаточного кислорода из внутренности упаковки.
0
В случае некаталитического поглотителя кислорода, который расходуется во время его стехиометрической реакции с кислородом, введенного в слой, который имеет большую начальную активность ϕ, как известно, реакция поглощения протекает в форме локализованной реакционно-диффузионной волны, распространяющейся по толщине слоя от границы слоя и истощающей все ресурсы поглощающей реакционной способности на своем пути. Все известные в настоящее время поглотители кислорода являются расходуемыми, то есть в целом некаталитическими, даже если они катализируются третьим веществом.
u
Зависимое от времени положение L(t) фронта узкой реакционно-диффузионной волны, распространяющейся выше по потоку через некаталитический активный барьер от внутренности упаковки и расходующей поглотитель, выражают как:
,
in
u
NC
где p означает фиксированное или медленно изменяющееся парциальное давление кислорода внутри упаковки. Когда реакционно-диффузионная волна спустя время t достигает положения L(t), общее количество Q(t) кислорода, потребленного поверхностью слоя, с площадью А в течение этого времени, находят как:
.
0
C
С другой стороны, при использовании результата (7) и допущении высокой активности ϕ>>1 каталитического (или сравнительно с избыточной активностью) активного слоя, общее количество Q(t) кислорода, каталитически удаленного поверхностью слоя с площадью А, находят как:
.
0
0
0
В обоих случаях некаталитических и каталитических активных абсорбирующих кислород слоев (результаты (9а) и (9b), соответственно) более высокие значения обоих параметров, коэффициента диффузии D и растворимости S в матрице активного слоя, являются преимущественными для более быстрого распространения фронта реакционной волны (в некаталитическом слое) и для соответственно более быстрой абсорбции остаточного кислорода в ходе диффузионно-контролируемой быстрой реакции поглощения. Поэтому практический вывод настоящего изобретения для создания эффективного абсорбирующего кислород слоя для удаления остаточного кислорода состоит в использовании полимера с наивысшей проницаемостью для кислорода P=DS в нем в качестве матрицы для внедрения поглощающей кислород системы с высокой активностью. Для практической реализации изобретения по-прежнему требуется высокая начальная активность ϕ поглощающего кислород слоя с ϕ>3-5. В противном случае, удаление кислорода либо каталитической, либо некаталитической реакцией поглощения будет неэффективным, и скорость удаления будет недопустимо низкой (как показано на фиг.5 для скорости сорбции). При данной активности в объеме конкретной системы поглощения кислорода (константа K скорости реакции в объеме) выбор материала полимерной матрицы и ее толщины для введения поглотителя, чтобы удовлетворить требование ϕ>3-5 компоновки слоя, может быть без труда осуществлен специалистами в данной области согласно определениям (4) и (5).
0
В то же время скорость проникновения сквозь барьер экспоненциально снижается с ростом величины ϕ согласно результату (6), поэтому для создания эффективного барьера проникновению кислорода предпочтительно выбирают материалы с самыми низкими возможными значениями растворимости и коэффициента диффузии кислорода для внедрения в них поглотителя кислорода. Низкая подвижность кислорода в полимерной матрице (ввиду более низкого коэффициента диффузии) увеличивает время пребывания молекулы кислорода внутри барьерного слоя и, как представляется, тем самым, увеличивает вероятность реакции кислорода с распределенными активными поглощающими кислород частицами. Низкая растворимость кислорода в матрице сокращает концентрацию растворенного кислорода в матрице и поэтому продлевает время, в течение которого исчерпываются ресурсы реакционной способности поглотителя в результате реакции со стехиометрическим количеством кислорода.
Структурная компоновка
Поглотитель кислорода в полимере обычно представляет собой сложную химическую систему для абсорбции кислорода. В то время как можно вообразить одиночный материал, который ведет себя как поглотитель кислорода, многие поглотители являются сложными системами, включающими многочисленные различные компоненты. Некоторые поглотители не растворяются в полимерах, то есть они существуют отдельно от полимерной матрицы, и активируются без какой-либо помощи от матрицы (подобно неорганическим порошкам на основе железа): такие системы могут быть названы автономными. Органические поглощающие системы могут нуждаться в катализаторах, инициаторах, донорах протонов и ингибиторах, в дополнение к способному к окислению субстрату. Даже если такие системы являются автономными, их собственная активность в отношении кислорода в их «чистой» форме по большей части не соотносится с их активностью в состоянии, когда они внедрены в полимерные слои. Точное количественное определение активности в объеме чистых автономных систем, как правило, является невозможным, поскольку она зависит от физической формы автономной поглощающей системы (жидкость, смола, порошок, размер частиц, форма, морфология, структура, условия испытания при воздействии газообразного кислорода и т.д.). Для применения существенно то, какова реакционная способность системы в полимере: данная реакционная способность при взаимодействии между сложной поглощающей системой и кислородом, растворенным в полимерной матрице (скорее таким, нежели в газообразном состоянии). В такой ситуации константа К в полимере может очень отличаться от К в газовой фазе (это к тому, почему последняя не имеет отношения к делу). Поэтому каких-либо фиксированных значений К нельзя указать даже для «чистых» поглощающих систем, но они могут быть рассчитаны по результатам измерений проницаемости для поглотителей, внедренных в конкретные полимерные матрицы. Таким образом, для описания активности поглотителя важную роль играет полимерная матрица. Другими словами, без конкретной полимерной матрицы и знаний о физической форме конкретной поглощающей системы нельзя определить, высокую или низкую активность имеет сам поглотитель. То что может быть определено и измерено, так это реакционная способность активного слоя, содержащего поглотитель (то есть его начальный модуль Тила), а именно реальная скорость реакции может быть соотнесена со свойствами окружающей матрицы в отношении пассивного транспорта кислорода.
В быстро абсорбирующей низкобарьерной (высокопроницаемой) матрице диффузия кислорода является быстрой, поэтому для того чтобы поглощающая система имела «высокую активность», она должна реагировать с кислородом даже быстрее, чем кислород диффундирует через матрицу. В высокобарьерной матрице долговременного действия диффузия кислорода является медленной, поэтому поглощающая система, которая работает неприемлемо медленно в низкобарьерной матрице, теперь может реагировать достаточно быстро, чтобы опережать протекающую с низкой скоростью диффузию: это делает такой поглотитель «высокоактивным» в данной конкретной высокобарьерной матрице, хотя тому же поглотителю в низкобарьерной матрице нельзя приписать высокую активность. Все указания на поглотители с высокой активностью следует интерпретировать с вышеуказанной позиции (то есть неотделимо от характеристик пассивного транспорта кислорода в матрице).
В предпочтительных поглощающих системах на основе антрахинона «система» не только не является завершенной, но и не может быть активирована без гидроксильных функциональных групп, присутствующих в матрице. Таким образом, поглощающая система не существует в «чистом» состоянии, и ее активность обусловливается близостью и концентрацией доступных гидроксильных групп вокруг антрахиноновых центров, поглощающих кислород. Этот факт делает полимеры PVOH и EVOH с многочисленными гидроксильными функциональными группами, особенно пригодными в качестве матриц для поглотителей кислорода на основе антрахинона.
С учетом описанных основополагающих принципов реакционно-диффузионного массопереноса в барьерных и абсорбирующих кислород слоях изобретение раскрывает комбинацию двухслойной «активно-активной» барьерной структуры или субструктуры, где каждый активный слой имеет разное назначение (фиг.2). Первый быстро абсорбирующий слой, обращенный к содержимому упаковки, включает полимерную матрицу с высокой проницаемостью для кислорода P=DS, в которую внедрен поглотитель кислорода с высокой активностью. Поглощающие частицы предпочтительно ковалентно связаны с полимерной матрицей или одним из полимерных компонентов матрицы, если матрица включает смесь полимеров. Благодаря этому поглощающие частицы и, предпочтительно, побочные продукты окисления остаются связанными с матрицей и как таковые не могут мигрировать наружу из барьера и негативно влиять на продукт или его окружение. Альтернативно, поглощающие частицы могут быть диспергированы в матрице во время стадии компаундирования расплава, при условии, что измеренный уровень миграции (утечки) поглощающих частиц и/или побочных продуктов их окисления не превышает законодательных ограничений, специфических для каждой страны.
Чтобы служить в качестве герметизирующего слоя, первый активный слой преимущественно включает термосвариваемую смолу или смесь полимеров с термосвариваемой смолой. В качестве матриц или компонентов матриц для термосваривания могут быть использованы известные термоклеевые материалы, такие как смолы на основе этилен-винилацетатных сополимеров (EVA), с содержанием винилацетата от умеренного до высокого. Акриловые термосвариваемые смолы, такие как поли(НЕМА) [поли(2-гидроксиэтилметакрилат)] и поли(НРА) [поли(2-гидроксипропилакрилат)], также преимущественно обеспечивают возможность ковалентного связывания производных антрахинона, которые способны служить в качестве фотовосстанавливаемых поглотителей кислорода в присутствии первичных и вторичных гидроксильных групп, имеющихся в приведенных акриловых смолах.
Второй активный кислородно-барьерный слой долговременного действия следует непосредственно за первым активным слоем с высокой скоростью абсорбции кислорода или он необязательно может быть присоединен тонким адгезивным связующим слоем для улучшения межслойной адгезии. Второй активный слой долговременного действия включает полимерную матрицу с низкой проницаемостью для кислорода (по меньшей мере на 2-3 порядка величины ниже, чем проницаемость для кислорода матрицы герметизирующего слоя в условиях использования), в которую внедрены диспергированные поглощающие кислород частицы, или, альтернативно, ковалентно связанные поглощающие кислород функциональные группы. В предпочтительном варианте осуществления для эффективной долговременной барьерной защиты от кислорода проницаемость для кислорода полимерного материала, формирующего абсорбирующий кислород слой, по меньшей мере в 100 раз превышает проницаемость для кислорода кислородно-барьерного слоя. Когда в основу первого активного слоя положены химические принципы поглощения кислорода фотовосстанавливаемым производным антрахинона, то является преимущественным создание подобного химизма поглощения кислорода и во втором слое долговременного действия, чтобы активировать активность обоих слоев с использованием одного и того же внешнего активирующего средства. Идея активации одним источником также преимущественно применима к любому другому химическому принципу поглощения кислорода, который может быть использован в обоих активных слоях. Поэтому предпочтительный вариант осуществления второго активного слоя состоит в получении его из PVOH- или EVOH-полимера с высокими кислородно-барьерными характеристиками, с диспергированными поглощающими кислород функциональными группами на основе антрахинона, активируемыми актиничным излучением в УФ- или близкой УФ-области. В предпочтительной структуре для обеспечения характеристик прочного адгезивного сцепления EVA-сополимер содержит 8-35% винилацетата по массе.
out
LR
Два описанных активных слоя, быстро абсорбирующий и долговременного действия, могут быть получены очень тонкими (что является экономически благоприятным, если иметь в виду высокую относительную стоимость поглощающих кислород компонентов) и, тем не менее, удовлетворяющими требованиям продолжительного хранения и удаления остаточного кислорода. Для хорошего кислородно-барьерного действия предпочтительная толщина каждого из быстро абсорбирующего слоя и слоя долговременного действия составляет от 0,1 до 2 мил (от 2,5 до 50 микрометров) и от 1 до 5 мил (от 25 до 125 микрометров), соответственно. В таком случае двухслойная структура часто не будет иметь необходимой жесткости, чтобы образовать термоформованную полость со стабильными размерами. Чтобы сделать термоформуемую структуру с требуемой размерной стабильностью полости, преимущественно иметь третий пассивный полимерный слой, обращенный во внешнюю окружающую среду, в качестве части структуры (фиг.3). Такой третий слой служит в качестве термоформуемой структурной подложки для активных слоев, а также включает дополнительный пассивный барьер для проникновения кислорода и влаги. В предпочтительном варианте осуществления толщина третьего слоя составляет от 1 до 20 мил (от 25 до 500 микрометров) перед формованием, и указанный слой является структурным несущим слоем. Падение парциального давления кислорода в пределах пассивного структурного слоя дает в результате более низкое давление p кислорода на границе второго активного слоя выше по потоку, в сравнении с парциальным давлением кислорода в окружающей атмосфере. Достигаемая в результате продолжительность активной барьерной фазы преимущественно увеличивается согласно результатам Siegel и Cussler для увеличения времени t запаздывания в стехиометрических активных барьерах для проникновения газов с однородным распределением поглотителя по толщине барьера [J. Membr. Sci., 2004, vol. 229, pp. 33]:
.
0
out
Увеличению времени запаздывания в активном барьерном слое способствуют как более низкий коэффициент диффузии D и коэффициент растворимости S в матрице активного слоя, более высокая введенная реакционная способность μR (более высокая концентрация активированных активных частиц), более низкое наружное парциальное давление p кислорода, так и увеличенная толщина L активного слоя.
В качестве полимерного слоя для пассивного структурного несущего слоя могут быть использованы прозрачный РЕТ (полиэтилентерефталат), PEN (полиэтиленнафталат) и смеси PET-PEN (полиэтилентерефталат-полиэтиленнафталат), преимущественно обработанные коронным разрядом для стимулирования адгезии или покрытые повышающей адгезию грунтовкой на стороне активного барьерного слоя и, возможно, с обработкой для создания барьера против влаги, покрытия или наслоения на стороне, обращенной в окружающую атмосферу.
Необязательный третий пассивный слой должен обеспечивать возможность эффективной активации поглотителя кислорода в обоих активных слоях по выбранному механизму активации поглотителя. В случае поглотителей кислорода на основе антрахинона в обоих активных слоях, активируемых воздействием УФ-излучения, третий пассивный слой преимущественно делают прозрачным в диапазоне длин волн активирующего УФ-излучения. Примеры таких прозрачных для УФ-излучения материалов включают гомополимерные РЕТ и PEN и их сополимеры. Более низкий коэффициент пропускания кислорода в третьем пассивном барьерном слое также будет снижать парциальное давление кислорода на границе активного барьерного слоя 2 выше по потоку в структуре и, тем самым, способствовать увеличению времени запаздывания благодаря реакции в данном барьерном слое. В фармацевтической блистерной упаковке ожидаемый срок годности при хранении многих лекарственных средств предполагается достигающим по меньшей мере 2 лет. Варианты осуществления настоящего изобретения описывают конкретные компоновки, пригодные для создания бескислородной атмосферы в каждой блистерной полости в течение по меньшей мере 2 лет в обычных условиях хранения.
Введение эффективного количества поглощающих кислород частиц в первый быстро абсорбирующий активный слой, предназначенный для удаления остаточного кислорода из свободного пространства упаковки, определяется количеством остаточного кислорода в герметизированной полости (по парциальному давлению кислорода в объеме полости), открытой площадью поверхности барьера, толщиной активного слоя, способностью активных частиц абсорбировать кислород и желательным временем для удаления остаточного кислорода. Введение эффективного количества поглотителя во второй слой долговременного действия, предназначенный для перехватывания проникающего кислорода, определяется активностью поглотителя, проницаемостью полимерной матрицы для кислорода, толщиной слоя, парциальным давлением кислорода во внешней окружающей среде и желательным временем, в течение которого предотвращается проникновение кислорода через второй слой, согласно уравнению (10).
Способ получения представленной структуры весьма зависит от выбора материалов слоев. В случае применения необязательного третьего пассивного слоя в качестве структурной подложки и дополнительного барьера для кислорода два активных слоя с поглотителями кислорода могут быть нанесены из раствора, нанесены в виде экструзионного покрытия, отлиты или наслоены на структурный несущий слой без отклонения от существа изобретения. В предпочтительном варианте осуществления кислородно-барьерный слой долговременного действия формируют приготовлением водного раствора 10-20% по массе PVOH и 1-2% по массе подходящей соли антрахинона (далее называемой AQ) путем последовательного растворения AQ и PVOH в воде или водно-спиртовой смеси, с обеспечением одновременного регулирования массового соотношения “AQ/PVOH” в растворе и вязкости раствора для управления процессом нанесения покрытия мокрым способом и временем высушивания покрытия. Также предпочтительно, хотя и не обязательно, чтобы быстро абсорбирующий слой формировали из водного раствора для облегчения производственного процесса, скомпонованного как процедура двухстадийного нанесения покрытия. Экструзионное нанесение покрытия, литье и наслоение абсорбирующего кислород герметизирующего слоя на кислородно-барьерный слой также могут быть реализованы на практике в пределах объема изобретения.
Предпочтительные варианты осуществления конкретных композиций абсорбирующих кислород структур и способы их получения описаны в нижеследующих примерах.
Пример 1
Доступные в настоящее время анализаторы проницаемости для кислорода в основном рассчитаны на применение метода газа-носителя [стандарт ASTM D1434-82]. Метод газа-носителя для измерения коэффициента пропускания кислорода включает помещение пленочного образца в закрытую камеру и создание потока чистого газообразного кислорода вдоль одной стороны пленки (выше по потоку) и потока газа-носителя (обычно сверхчистого газообразного азота) вдоль другой стороны пленки (ниже по потоку). Газ-носитель подхватывает любые количества кислорода, проникшего ниже по потоку, и выносит его к детектору кислорода, тем самым обеспечивая возможность измерения мгновенных скоростей проникновения. Данный метод не позволяет одновременно измерять проникновение кислорода через барьер и абсорбцию остаточного кислорода из свободного пространства упаковки. Для подтверждения двойственной функциональности изобретения два отдельных испытания проводили на образцах субструктур, чтобы оценить различную функциональность каждого слоя по отдельности. Показанные величины толщины слоя в «милах», обычно используемые в США, имеют отношение к 1/1000 доле дюйма (1 мил=25,4 микрон (25,4 мкм)).
3
2
3
2
3
3
Способ получения осуществляли в устройстве с УФ-излучением от источников света, снабженных светофильтрами. На лист прозрачного РЕТ толщиной 7-10 мил (177-254 микрометра) наносили покрытие толщиной 10-20 мил (254-508 микрометров) из 10-20%-ного по массе водного раствора PVOH, содержащего 80-85% по массе гидролизованного на 90% PVOH и 10-15% по массе натриевой соли антрахинон-2-сульфоновой кислоты (далее сокращенно называемой AQ). Описываемая композиция для покрытия содержала 0-5% по массе глицерина (в расчете на общее содержание твердых веществ в сухом покрытии) в качестве пластификатора для улучшения гибкости сухого покрытия. Мокрое покрытие затем сушили до PVOH-AQ-покрытия толщиной 1-2 мил (25,4-50,8 мкм) в обычном сушильном шкафу или туннельном нагревателе с непрерывной сушкой. Полученную субструктуру тестировали отдельно, чтобы оценить ее активные барьерные характеристики, путем измерения коэффициента пропускания кислорода через нее при активации AQ-поглотителя кислорода в течение 5-15-секундной экспозиции светом коммерческого источника УФ-излучения (F300S от фирмы Fusion UV Systems Inc., Гейтерсберг, Мериленд, работающего с полной мощностью 1,8 кВт) с обеих сторон, и с последующим подверганием со стороны РЕТ воздействию 100%-ного кислорода при давлении 1 атмосфера (101,3 кПа). Измеренный начальный коэффициент пропускания кислорода составлял 0,0 см/(м·день) при относительной влажности (RH) 0%, и 0,0 см/(м·день) при относительной влажности 50%, в 100%-ном кислороде при давлении 1 атмосфера (101,3 кПа) выше по потоку и температуре 23°С (реальные измеренные коэффициенты пропускания были слегка отрицательными вследствие абсорбции небольших количеств остаточного кислорода из азотного носителя ниже по потоку, приводя к измеренным коэффициентам ниже нулевого базового уровня, установленного для самого азотного носителя). Оценочная реакционная способность активированного поглотителя кислорода в активном кислородно-барьерном слое составляла 6-8 кубических сантиметров (см) кислорода на см покрытия. На основе характеристик транспорта кислорода через использованные PVOH-полимер и РЕТ-лист активность рассчитали как достаточную для достижения двухлетнего активного времени запаздывания до истощения всех ресурсов реакционной способности двухслойной структуры при проникновении кислорода из окружающей атмосферы.
2
Во втором испытании на прозрачный пассивный субстрат из РЕТ толщиной 7 мил (177,8 мкм) наносили экструдированием слой толщиной 1 мил (25,4 мкм) из акриловой поли(НЕМА)-смолы, ковалентно связанной с 10-20% по массе антрахинон-2-сульфоната. Полученную субструктуру активировали в течение 5-15 секунд воздействием УФ-излучения с покрытой стороны, чтобы оценить эффективность абсорбции остаточного кислорода. Начальное количество в 20,5 объемных процентов кислорода в окружающей атмосфере, содержащейся в свободном пространстве упаковки емкостью 10 мл, с площадью поверхности субструктуры 100 см, обращенной внутрь упаковки, сократилось до менее чем 0,2 объемных процента в течение 12-48 часов, по измерениям с помощью кислородного зонда MOCON в свободном пространстве (фирма Modern Controls Inc., Миннеаполис, Миннесота). Данное испытание продемонстрировало высокую способность абсорбирующего кислород слоя быстро сокращать количества остаточного кислорода внутри упаковки до уровней, безопасных для продолжительного хранения чувствительных к кислороду продуктов.
Таким образом, было обнаружено, что вся трехслойная «активно-активно-пассивная» структура пригодна для одновременного быстрого удаления остаточного кислорода и по существу предотвращения поступления кислорода из окружающей атмосферы в течение 2 лет для поддержания бескислородной атмосферы внутри упаковки. Конечную трехслойную структуру получали экструзионным нанесением покрытия из расплава производного антрахинона и акриловой поли(НЕМА)-смолы на РЕТ-подложку, покрытую раствором PVOH-AQ.