医疗器械用热塑性弹性体的制备及耐辐照性能

刘海洪，罗璐，张袁铖，3，张晓朦，3，崔喆，3，付鹏，3，庞新厂，3，刘民英，3

（1 郑州大学材料科学与工程学院，河南 郑州 450001；2 河南省先进尼龙材料及应用重点实验室，河南 郑州 450001；3 郑州大学产业技术研究院有限公司，河南 郑州 450001）

动态硫化热塑性弹性体是利用动态硫化（dynamic vulcanization）技术制备以橡胶相为分散相、 塑料相为连续相的热塑性硫化橡胶（thermoplastic vulcanizate，简称TPV）。动态硫化热塑性弹性体结合了传统热固性交联橡胶的优良弹性和热塑性塑料的良好熔融加工性及可回收性，在医疗器械橡塑配件（如药用卤化丁基橡胶塞、预灌封注射器用弹性体活塞和锥头护帽、药用气雾剂阀门用弹性体密封圈等产品）等领域得到了广泛应用。医疗器械用弹性体材料通常采用辐照的方式进行灭菌，以60Co射线为辐射源，辐照剂量在25kGy以下，具有穿透力强、无需解析时间、灭菌速度快以及可常温灭菌等特点，已成为主流灭菌方式[1]，这要求在受到辐射照射时，能够保持其物理性能和化学稳定性。

有文献报道采用反应挤出方法，在聚丙烯链上接枝反应受阻胺类稳定剂，制备抗辐射老化的聚丙烯（PP）弹性体[2]；利用聚丙烯粉料、聚烯烃热塑性弹性体、受阻胺类抗氧剂、亚磷酸酯类抗氧剂等制备了耐辐照聚丙烯合金材料[3]；郑州大学管兰芳等[4]在聚丙烯/热塑性聚氨酯弹性体中添加增容剂以提高其耐辐照性能；上海交通大学陈健等[5-6]开展了苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物（SEBS）热塑性弹性体的耐辐照稳定性研究，表明加入聚苯乙烯（PS）塑料可以改善耐辐照性能；北京化工大学程志远等[7]研究了抗氧剂、抗辐射剂以及弹性体SEBS 对PP 和聚氨酯（PU）两种材料辐照性能的影响。Scagliusi等[8-9]研究了不同辐照剂量对丁基橡胶（IIR）和氯化丁基橡胶（CIIR）混炼胶物理性能和热稳定性的影响，表明辐照剂量过大会引起分子链的降解和断裂。这些研究工作均是通过加入各种助剂来提高产品耐辐照性能，而对于医疗器械用弹性体材料，助剂的迁移和析出却会导致药物的污染。因此亟需简化材料配方和制备工艺，开发可用于医疗器械橡塑配件的耐辐照热塑性弹性体产品，降低辐照灭菌对力学性能、交联网络的影响，并减少助剂的添加量和迁移析出量，提高医用弹性体材料的使用安全性。

溴化聚(异丁烯-对甲基苯乙烯)（BIMS）侧基上有反应性苄基溴化物官能团（—C6H4CH2Br），且主链完全饱和，具有优异的耐热性、耐臭氧性和耐辐照性[10-14]；SEBS分子结构中以苯乙烯封端，苯乙烯的π 键共轭体系对辐照能量有较好的吸收和分散，耐辐照性能也较好[15-19]。因此，BIMS 和SEBS均可作为制备耐辐照热塑性弹性体的基体材料。

本研究以BIMS 为基体橡胶，与SEBS 进行共混，使用烷基苯酚二硫化物作为硫化交联剂，采用动态硫化技术制备一种具有耐辐照性能的医用热塑性弹性体。借助扫描电子显微镜（SEM）和能谱仪（EDS）、顶空气相色谱、红外图谱（FTIR）、热稳定性分析（TG）、动态热机械分析（DMA）和力学性能等表征手段，不同剂量（小于40kGy）辐照后TPV的热稳定性、力学性能等均保持较好，且未有小分子物质析出，结果表明该医用TPV 具有优异的耐辐照性能，可满足医用弹性体材料对辐照灭菌的性能要求，在医用橡胶塞、密封垫等领域有重要的应用价值。

1 原料与方法

1.1 实验原料

溴化聚（异丁烯-对甲基苯乙烯）（BIMS，牌号Exxpro3745，门尼黏度：45 MU），美国Exxon Mobil Chemical 公司；苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物（SEBS，牌号G1651，熔融指数＜27g/10min），美国Kraton 公司；纳米氧化锌（AZ12N），山东兴亚新材料有限公司；烷基苯酚二硫化物（牌号V710），法国Arkema 公司；生物基增塑剂（牌号SD03），湖南中海顺达新材料有限公司；炭黑（N550），卡博特（中国）投资有限公司；钛白粉（TLA-100），攀枝花有限公司，炭黑和钛白粉两种填料一同使用以获得灰色胶料。

1.2 实验仪器

密炼机，X(S)N-3/3.2-32 型加压式，大连诚信橡塑机械有限公司；开炼机，XK-250G 型，大连诚信橡塑机械有限公司；哈普转矩流变仪，HAPRO RM200 型，哈尔滨哈普电气技术有限责任公司；平板硫化机，MEDI-22/40 型，东莞市锡华检测仪器有限公司；AI-7000S 型微电脑拉力机，高铁检测仪器有限公司；钴60Co γ 射线辐照装置（400万居里），郑州宏源生物工程有限公司辐照中心；热重分析仪，Q50 型，美国TA Instruments 公司；傅里叶变换红外光谱仪（FTIR），TENSOR Ⅱ型，德国BRUKER 公司；动态机械性能分析仪，Q800型，美国TA Instruments公司。

1.3 样品制备

胶料制备：第一步，将Exxpro3745 橡胶、钛白粉和炭黑加入X(S)N-3/3.2-32 型加压式密炼机，在45Hz 频率条件下混炼1～2min；第二步，加入G1651弹性体进行混炼，直至显示温度120～130℃；第三步，分批加入SD03 生物基增塑剂，混炼30～45min；第四步，加入纳米氧化锌，混炼1～2min，排料；第五步，排出的胶料在XK-250G 开炼机上拉刀降温两遍，加入硫化交联剂烷基苯酚二硫化物V710，打三角包翻炼15～20遍，出片；第六步，将开炼所得半成品胶料分批加入哈普转矩流变仪，在150r/min 和170℃条件下进行动态硫化，最终得到动态硫化胶料，硫化交联机理如图1所示。

图1 BIMS和硫化剂V710的交联机理

模塑试样制备：将动态硫化胶料加入开炼机进行混炼后，裁剪成略小于模具的试片，放入模具。将模具放到平板硫化模压硫化机上，首先在温度（180±5）℃下预热480s，然后在6～9MPa 压力下保持2min，接着将热模具迅速取出，并放置在冷却模压机上，闭合模具，在6～9MPa压力下保持8～10min，冷却取出后供后续测试表征使用。

本工作所涉及的配方如表1所示。

表1 药用热塑性弹性体TPV原材料配比

1.4 测试与表征

TPV理化性质：参照《注射用无菌粉末用卤化丁基橡胶塞》（YBB00042005—2015）标准进行检测。

表面形貌：首先用液氮对TPV 样品进行淬断，然后对截面进行喷金处理，在场发射扫描电子显微镜下观察表面形貌，同时利用能谱仪对表面进行能谱面分布与半定量成分分析。

顶空气相色谱分析：将不同辐照剂量的TPV样品，切碎，取0.5g，采用气相色谱仪，色谱柱是DB-624，30m × 0.250mm，1.40μm，载气是氮气，柱温程序是50℃保持1min，以7℃的速率升温至250℃，保持30min，色谱柱流速1.0mL/min。将样本置于20mL顶空瓶中，80℃下平衡30min，定量环为90℃，传输线为100℃，进样持续时间为0.1min，GC循环68min。

傅里叶变换红外光谱测试（FTIR）：采用全反射模式（ATR）分析压制好的TPV硫化胶，分辨率为4cm-1，扫描范围为4000～650cm-1。

热失重分析（TGA）：在氮气气氛下，气体流量为60mL/min，以10℃/min 升温速率将待测样品从室温加热至670℃。

动态热机械性能分析（DMA）：将样品制备成尺寸为30mm × 6mm × 0.5mm的样条，并置于DMA夹具上，测试振幅为1Hz，温度范围为-110～50℃，升温速率为3℃/min；

力学性能：参照标准GB/T 529—2008，利用万能试验机测得样品的应力-应变曲线，然后从曲线得到拉伸强度、断裂伸长率等数据，同时可利用万能试验机测得撕裂强度；邵尔A 硬度则参照标准GB/T 531.1—2008进行测定。

溶胀指数：剪取试样厚度为0.5～1.0mm、质量约40mg的硫化胶，将其放入装有50mL环己烷的棕色磨口瓶中，置于（30 ± 0.5）℃的恒温水浴中4h 以上，使其达到溶胀平衡。用镊子夹取出试样，并迅速用滤纸擦去溶胀试样表面溶剂后，立即转入天平托盘中称量，通过计算溶胀后质量Wb与溶胀前质量Wa的比值得到溶胀指数。

2 结果与讨论

2.1 热塑性弹性体的制备

将混炼好的胶料投入到哈普转矩流变仪中，记录转矩随时间的变化（图2）。在转速为130r/min、温度为150℃条件下，胶料的最终温度只有174℃，加料完成后扭矩只有轻微上升，说明未达到最佳硫化温度，BIMS 和硫化剂的反应程度较低；当温度提高到170℃后，最终胶料温度可达190℃，在胶料温度达到175℃时扭矩开始上升，说明交联反应开始进行，最终平衡扭矩为18N·m，硫化效果较好；在温度170℃下，再将转速提高到150r/min 后，平衡扭矩增加到20N·m，交联更充分。该条件下，胶料最终温度已达197℃，为防止焦烧，不再提高温度和转速，动态硫化条件确定为：转速150r/min，温度170℃，时间6min。

图2 TPV动态硫化曲线图

2.2 热塑性弹性体的表面形貌

利用SEM 观察了TPV 的表面形貌（图3），TPV样品表面光滑致密，分散均匀，没有明显熔体破裂现象。这是因为BIMS与SEBS结构中均带有苯环，共轭结构使其具有较好的相容性，所以在动态硫化过程中，橡胶相和塑料相的弛豫行为基本一致，且交联程度适宜，未引起明显的相分离现象。从EDS 结果中可以看出（表2），TPV 截面中富含C、O，含有少量的Si、Ti、Zn、Br，这和材料组分中分子所含的元素组成是一致的。

图3 TPV样品的表面形貌

表2 TPV的表面元素组成

2.3 热塑性弹性体的基本理化性质

首先对不同辐照剂量下TPV 的基本理化性质进行表征，数据如表3所示。可以看出，0、20kGy、30kGy和40kGy辐照剂量下，TPV的电导率、pH变化值、澄清度、颜色、铵离子、锌离子、重金属、吸光度、易氧化物、不挥发物和挥发性硫化物波动均很小，没有出现明显变化。说明该TPV 的化学结构基本未受辐照灭菌的影响，没有小分子物质脱出，具有较好的耐辐照性能，可满足YBB00042005—2015标准的要求，医用安全性较好。

表3 不同辐照剂量下TPV的基本理化性质

2.4 热塑性弹性体的顶空气相色谱分析

进一步地，对TPV 进行不同剂量的辐照灭菌后，采用顶空气相色谱仪对半挥发性可提取物进行对比分析，从而判断不同剂量辐照灭菌后是否产生新物质。从图4可以看出，在0～40kGy不同辐照剂量灭菌后，TPV 的GC 图谱基本一致，并未检出新的半挥发性和挥发性物质，这也说明所制备的TPV在40kGy剂量以下辐照灭菌可正常使用。

图4 不同辐照剂量下TPV的顶空气相色谱图

2.5 热塑性弹性体的红外光谱分析

将所制备的动态硫化热塑性弹性体TPV 压片，分别进行0、20kGy、30kGy和40kGy剂量辐照后的红外谱图测试，如图5所示。2921cm-1、1456cm-1和1228cm-1处的吸收峰分别是BIMS中—CH2的伸缩振动峰、—CH3的弯曲振动峰和C—C的伸缩振动峰，698cm-1处的吸收峰是SEBS 中单取代苯环的C—C特征吸收峰。不同辐照剂量后TPV红外图谱上的特征峰基本保持一致，未出现新增特征峰，这说明在40kGy辐照剂量以下，对TPV结构基本是没有影响的。

2.6 热塑性弹性体的热重分析

热重分析常用来测试聚合物热老化降解行为。当聚合物分子结构上含有芳香环时，由于苯环具有共轭π键，苯环的“海绵效应”可以减少辐照对聚合物分子链的损伤，使其具有一定耐辐照性。本文对不同辐照剂量下药用热塑性弹性体TPV 进行了热重分析，TG 和DTG 曲线如图6 所示，初始分解温度Td,5%和最大分解温度Td,max总结在表4 中。刚制备好的TPV 初始分解温度和最大分解温度分别为322℃和416℃，在不同剂量辐照后，Td,5%和Td,max变化很小，这是因为辐照仅使TPV 少量分子链断裂，且未有新的基团产生，其热稳定性基本不受影响，具有较好的耐辐照性能。

图6 不同辐照剂量下TPV的热重曲线

表4 不同辐照剂量下TPV的初始分解温度和最大分解温度

2.7 热塑性弹性体的DMA分析

橡胶分子链结构是是影响材料阻尼性能的根本因素，BIMS 橡胶的饱和分子链上含有较多甲基，使得其链段松弛过程中的阻力增加，内耗增大，而且BIMS 在玻璃化转变温度（Tg）附近存在次级转变，使得BIMS阻尼峰较宽；SEBS分子链是嵌段结构的，聚（乙烯-丁烯）弹性嵌段将聚苯乙烯聚集形成的微球连接起来形成三维网状结构，增大链段内聚能，从而也提高了SEBS 自身的阻尼性能；所使用的生物基增塑剂，其在BIMS 中扩散产生附加弛豫，也能大大改善阻尼性能。本文所制备的TPV弹性体采用BIMS 橡胶、SEBS 共聚物和硫化剂V710，它们均含有苯环，结构相似，相容性较好；首先通过BIMS橡胶和SEBS共聚物的预混，得到组分均匀的预混物，然后在动态硫化过程中，SEBS橡胶融化成小液滴后在交联剂和高温作用下迅速原位交联，并和SEBS 较好融合，得到结构致密均匀的TPV弹性体。

利用DMA 可以测得TPV 弹性体的损耗因子tanδ，如表5 和图7(a)所示：在不同辐照剂量下，TPV 的损耗因子Tanδ无明显变化，且相应的玻璃化转变温度Tg也基本一致，仍保持良好的弹性行为，而低温下的储能模量随辐照剂量的增加轻微下降，高温下则基本一致[图7(b)]，这是因为辐照会破坏少量TPV 的交联网络。这些结果说明在低于40kGy的辐照剂量下，TPV的交联网络虽然受到轻微破坏，但其弹性行为仍较为优异，能够满足药用包装材料的需求。

图7 不同辐照剂量下TPV的DMA曲线

表5 不同辐照剂量下TPV的玻璃化转变温度

2.8 热塑性弹性体的力学性能

优异的力学性能是该TPV 作为医疗器械用弹性体材料的基础，本文对不同辐照剂量下TPV 的力学性能进行了系统考察，应力-应变曲线如图8所示，相关数据总结在表6中。从表中数据可以看出，TPV的断裂伸长率、拉伸强度等力学性能指标基本无变化，说明辐照灭菌对该TPV 分子结构和聚集态结构的影响均很小。

图8 不同辐照剂量下TPV的应力-应变曲线

表6 不同辐照剂量下TPV的力学性能

进一步地，对TPV 的耐穿刺和密封性能进行表征，如表7所示。从表中数据可以看出，TPV弹性体在辐照灭菌后仍能保持优异的自密封性和耐穿刺性能，可用于医用橡胶塞、密封垫等领域。

表7 不同辐照剂量下TPV的耐穿刺和密封性能

2.9 热塑性弹性体的溶胀指数

交联高聚物在特定溶剂中只能溶胀，不能溶解，交联密度低，溶胀指数（Wb/Wa）大，反之，则溶胀指数小；由交联高聚物的溶胀指数可初步判别其交联密度的大小。由表8可知，在辐照剂量0～40kGy 范围内，溶胀指数在4.96～5.11 之间，变化很小，也说明所制备的TPV 耐辐照性能较好，辐照灭菌未对TPV的交联网络产生破坏。

表8 不同辐照剂量下TPV的溶胀指数

3 结论

（1）以BIMS为橡胶相，SEBS为塑料相，烷基苯酚二硫化物作为硫化交联剂，配合生物基增塑剂，采用动态硫化技术，制备了一种耐辐照热塑性弹性体TPV。由于体系中含有大量苯环，其共轭π键可有效减少辐射能量对分子链的破坏作用，提高弹性体的耐辐照性能。

（2）借助SEM、EDS、顶空气相色谱、红外图谱、热稳定性分析、动态热机械性能分析和力学性能分析等表征手段，对比和分析不同辐照剂量下TPV的各项性能，发现所制备的TPV具有优异的耐辐照性能，在辐照剂量小于40kGy时，产品的理化性质和机械性能等保持良好，可满足医疗器械用弹性体制品对耐辐照性能的要求。