可成型的生物降解性聚合物的製作方法

2023-10-17 04:56:44

專利名稱：可成型的生物降解性聚合物的製作方法
技術領域：
本發明涉及對生物降解性高分子產品、特別是可注射成型的澱粉類聚合物的改善。
背景技術：
期望眾多塑料產品具有生物降解性的需求越來越強烈。已經成為關注對象的一種產品是棉條施用器，為了方便起見，它應當具有可水衝洗性、水分散性和生物降解性。但是在製造特別是用於注射成型的澱粉類聚合物時遇到困難。使澱粉增塑並使其通過擠出口模所需的剪切應力和溫度條件會對澱粉的分子結構造成不利影響。對於大多數的產品而言，應當避免發泡，由於澱粉含水因此通常需要關注發泡問題。美國專利5314754和5316578中提出，通過在熔融物排出口模之前對其進行脫氣處理可以避免發泡。後一項專利還可以避免向澱粉中添加水。正如美國專利5569692中所說明的，因為與澱粉結合的水不會產生蒸汽壓從而需要高壓，因此通過不進行澱粉乾燥並避免加入水，可以在120℃～170℃的溫度下處理澱粉。另一種改善澱粉的熔融加工性的方法是提供如美國專利5362777中所述的可以降低澱粉熔點的添加劑。所述添加劑選自二甲亞碸、經選擇的多元醇以及氨基化合物或醯胺化合物。
美國專利5043196披露了用於注射成型的高直鏈澱粉。
美國專利5162392披露了可注射成型的玉米澱粉和LDPE(低密度聚乙烯)生物降解性聚合物。
為製造用於特殊用途的澱粉聚合物，已經將這些聚合物與其他各種聚合物相混合。在美國專利5322866中披露了生物降解性吹塑薄膜，在該專利中將粗澱粉、聚乙烯醇和雲母與丙三醇和水混合。美國專利5449708披露了由澱粉、乙烯-丙烯酸共聚物與硬脂酸鹽再加上丙三醇類潤滑劑構成的組合物。在美國專利5374304中披露了柔軟並且清澈透明的片材。這些均由高直鏈澱粉和丙三醇增塑劑構成。還提出了將澱粉與高直鏈澱粉或改性澱粉組合使用。美國專利5314754和5316578中都提出了使用包含具有羥丙基取代基的澱粉的改性澱粉。據報導，羥丙基化增大了聚合物的斷裂伸長率和爆裂強度並改善了彈性。
專利WO00/36006披露了使用大量改性澱粉和少量水溶性聚乙烯醇的生物降解性水溶性製劑。這些製劑可通過受熱成型但是尚無可注射成型的組合物的例子。
生物降解性棉條施用器是許多專利的主題。
專利5759569披露了用於尿布面片(diaper top sheets)和棉條施用器的作為生物降解性聚合物的反式聚異戊二烯。
專利申請2003/0036721和2003/0040695涉及由聚氧化乙烯與其他組分所構成的可衝洗的棉條施用器。
美國專利5002526披露了聚乙烯醇棉條施用器。
美國專利5350354披露了由澱粉或改性澱粉、至少5％的增塑劑(如丙三醇)和水構成的棉條施用器。
美國專利5804653披露了用於棉條施用器的可成型的聚乙烯醇組合物。
本發明的目的是提供一種可注射成型的生物降解性聚合物，所述聚合物經加工可具有用於諸如棉條施用器等預定用途的可接受的性質。

發明內容
本發明提供一種可注射成型的生物降解性聚合物，所述聚合物具有以乾重計的下述組成a)50重量％～85重量％的澱粉和/或改性的高直鏈澱粉，b)4重量％～13重量％的選自聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯和乙烯-乙烯醇共聚物的水溶性聚合物，所述水溶性聚合物具有與所述澱粉組分的熔融狀態相容的熔點，c)10重量％～35重量％的多元醇增塑劑，d)0.5重量％～10重量％的聚氧化乙烯或聚乙二醇，
e)0重量％～1.5重量％的C12-22脂肪酸或其鹽，和f)0.25重量％～3重量％的食品級乳化劑。
所定義的組合物適於形成包括諸如尿樣收集器和棉條施用器等醫用器械的注射成型產品。改性澱粉含量的上限由其成本決定。該組分有助於使所得到的材料具有良好的粘結性和伸長性、良好的光學性質和防止凝沉等結構優點。術語凝沉已經被用於描述澱粉組分在加熱和冷卻操作之後的儲存過程中的重新結晶化。這個過程就是一般稱為老化的過程，並且解釋了澱粉類食品在長期的儲存過程中發生硬化(或變硬)的原因。
羥丙基化有助於抑制結晶。典型的改性澱粉包括具有羥烷基C2-6基團的澱粉或通過與二羧酸的酸酐發生反應而改性的澱粉。優選組分是羥丙基化直鏈澱粉。其他取代基可以是羥乙基或羥丁基以形成羥基醚取代物，或者使用諸如馬來酸酐、鄰苯二甲酸酐或辛烯基琥珀酸酐等酸酐來製造酯衍生物。取代度(一個單元中被取代的羥基的平均數目)優選為0.05～2。優選的澱粉是高直鏈玉米澱粉。優選的組分是Penford Australia銷售的羥丙基化高直鏈澱粉A939。所使用的羥丙基化物的最小含量為6.0％。典型值為6.1％～6.9％。
為了節省成本和使各種性質最優化，可以用下列組分代替所述澱粉中的一部分1)較高含量或較低含量的羥丙基化物；2)更高含量的未改性澱粉。特別是，如果改性澱粉中的羥丙基化物的含量增大，這將是可行的；3)由辛烯基琥珀酸酐(OSA)改性的澱粉，所述澱粉具有較高的疏水度。加入此類改性澱粉可以使耐水性隨取代度的增加而增加。OSA澱粉中的乙醯基鍵合可以確保所述材料在接觸水和具有生物活性的環境時保持生物降解性；4)澱粉共聚物，優選包含由澱粉接枝的苯乙烯-丁二烯共聚物。該材料可以改善產品的耐衝擊性。
其他澱粉組分可以是任何市售澱粉。它們可以來自小麥、玉米、馬鈴薯、稻米、燕麥、竹芋和豌豆等來源。含水量(溼重)通常為約5％～15％。未改性澱粉是來自可再生資源的廉價的生物降解性原料，能夠使最終產品具有阻隔性質，因而它們在這方面的用途非常具有吸引力。然而，其用途卻由於下列現象而受到限制出現凝沉(導致變脆的結晶化)、所得成型產品的光學透明度有限、成膜性質有限和拉伸彈性有限。高直鏈澱粉對凝沉不太敏感(這是因為在煮熟的澱粉中凝沉主要與Amylopectin(支鏈澱粉)的結晶化有關)。未改性澱粉作為澱粉的總量中的一部分時的優選濃度範圍為0％～50％。
組合物中的聚合物組分b)優選與澱粉相容、具有水溶性、生物降解性，並具有與澱粉的加工溫度相容的低熔點。聚乙烯醇是優選的聚合物，但是也可以使用乙烯-乙烯醇的聚合物、乙烯-乙酸乙烯酯的聚合物或與聚乙烯醇的混合物。所選定的聚合物優選在室溫條件下不具有水溶性。PVOH提供了優異的成膜特性與粘合特性的組合、良好的彈性，並有助於澱粉類製劑的加工。PVA(聚乙烯醇)是通過由乙酸乙烯酯單體的聚合反應而製得的聚乙酸乙烯酯的水解製造的。完全水解級幾乎不含(如果有的話)殘餘乙酸酯基團；而部分水解級保留了一部分殘餘乙酸酯基團。完全水解級溶於熱(200℉)水，並且當冷卻至室溫時仍保留在溶液中。PVOH的優選等級包括DuPont Elvanol 71-30和Elvanol 70-62。它們的性質列在表1中。
表1在本發明中使用的PVOH等級的性質

高分子量的等級減小了脆性，也潛在地降低了對水的敏感性。其最大含量主要由成本決定。PVOH的含量增大會明顯使楊氏模量減小。低於6％則成膜困難。用於注射成型材料的優選濃度範圍為6％～13％。
儘管赤蘚糖醇、乙二醇和二乙二醇也適合用作增塑劑，但優選的增塑劑是多元醇的混合物，具體為山梨糖醇與特別為麥芽糖醇、丙三醇、甘露醇和木糖醇等其他多元醇中的一種或一種以上的混合物。所述增塑劑起到三重作用它可以對擠出混煉工序和注射成型工序提供適宜的流變性，同時也對產品的機械性質產生正面影響。成本、食品接觸或皮膚/黏膜接觸是在選擇適宜的增塑劑時要關注的重要問題。最終產品的處理性能、機械性質和儲存期限取決於多元醇混合物的精確組成。在含水量為0或非常低時，所述增塑劑的含量優選為10％～35％，更優選為20％。與所使用的增塑劑的類型有關，由標準水分平衡法測定的注射成型產品的平衡含水量約為2％～5％。
山梨糖醇、麥芽糖醇和丙三醇的混合物特別適於改變製劑的機械性質，就如木糖醇以及木糖醇與山梨糖醇和丙三醇的混合物一樣。山梨糖醇和麥芽糖醇是特別好的溼潤劑。然而，特別是使用低於特定的閾值的丙三醇時，可能會發生反增塑，此時由增塑劑的存在所致的聚合物鏈的運動性臨時性增大可能會導致出現結晶化或至少高度有序化，從而導致這些製劑的剛性和脆性比未增塑的澱粉製劑大。此外，當單獨使用山梨糖醇時，觀察到結晶化。一些多元醇(特別是山梨糖醇和丙三醇)顯示出向表面的遷移，此時對於山梨糖醇的情況可能形成不透明的結晶膜，或對於丙三醇的情況則形成油狀膜。將各種多元醇混合可不同程度地抑制該效應。通過添加單硬脂酸甘油酯和硬脂醯乳酸鈉作為乳化劑可以提高穩定性。此外，與鹽的協同效應會對機械性質產生更強的作用。
另一種可選的增塑劑是5％～10％的環氧化的亞麻仔油。所述增塑劑優選由乳化體系穩定，所述增塑劑將有助於加工，但是不會導致楊氏模量的顯著減小。
混煉過程中水的存在可以確保適宜的澱粉凝膠化。混煉時過量的水可以通過通風或在線/離線式顆粒乾燥除去，也可以在注射成型之前例如通過加料鬥乾燥而將水分調節至所需含量。所選定的多元醇混合物的潤溼性質將決定產品的適宜、穩定的含水量。取決於所用的多元醇混合物，增塑劑的含量優選為10％～35％，含水量為10％～0％。對於高柔性的注射成型性組分，增塑劑的含量優選為高於用於剛性注射成型產品或片材產品的含量。
聚氧化乙烯和聚乙二醇兩者之一或一起可確保所述組合物具有生物降解性並可以用於與黏膜組織接觸的醫用器械，如尿樣收集器或棉條施用器。優選的聚氧化乙烯是分子量大於20,000的聚氧化乙烯。對於醫療用途而言，所述製劑必須通過細胞毒性(ISO 10993-5)、致敏性(ISO10993-10)和刺激性(ISO 10993.10)測試。優選的添加劑是以0.57％或2％添加的代替硬脂酸的聚氧化乙烯(PEG-5000，Mw為210,000)，它可以在細胞毒性測試中產生零溶菌(zero lysis)作用，當除了添加0.57％的硬脂酸之外還加入5％的所述添加劑時，也可以產生零溶菌作用。聚氧化乙烯和聚乙二醇兩者之一或一起可進一步增加製劑的耐水性，從而防止過度溶脹，所述過度溶脹可導致特別是多層構造體(MLS)中的分層。
脂肪酸或脂肪酸鹽組分優選以0.5％～1.5％的濃度存在。硬脂酸是優選的組分。還可以使用硬脂酸的鈉鹽和鉀鹽。同樣，成本也是選擇該組分的一個考慮因素，不過月桂酸、肉豆蔻酸、棕櫚酸、亞油酸和山嵛酸也都適於使用。硬脂酸是優選的潤滑劑，這是因為它顯示出與澱粉較好的相容性。與硬脂酸一樣，還可以使用諸如硬脂酸鈣等鹽類。硬脂酸可能會遷移到澱粉類聚合物的表面。
據認為，澱粉可以與脂肪酸形成絡合物。澱粉吡喃型葡糖苷(葡萄糖)是「椅」式構型的六元環。環的周邊是親水的，而面是疏水的。澱粉鏈形成螺旋，每轉角約六個殘基。所得物是具有親水性外表面和疏水性內表面的空心圓筒狀物。內部空間的直徑約為4.5，類似於硬脂酸的直鏈烷基分子能夠與之匹配。同樣，諸如GMS等乳化劑的脂肪酸部分可以與糊化澱粉形成絡合物，延遲澱粉的結晶化，因此減緩老化的過程。與直鏈澱粉(澱粉中的直鏈組分)和支鏈澱粉(澱粉中的支鏈組分)絡合的單酸甘油酯的量取決於乳化劑的脂肪酸部分的飽和度。不飽和脂肪酸具有由脂肪酸鏈中的雙鍵產生的彎曲，從而限制其形成絡合物的能力。硬脂酸是特別有用的加工助劑，不過在存在PEO或PEG時它可能不是必需的。對適宜的加工助劑的選擇主要受限於MLS中所需的抗分層性。
乳化劑優選為食品級乳化劑，它可參與維持脂質和親水性組分在組合物中的均勻分散。一般來說對乳化劑的選擇取決於HLB(親水親油平衡)值。優選的乳化劑選自HLB數為2～10的食品級乳化劑，並包括單硬脂酸乙二醇酯、單油酸甘油酯、單硬脂酸甘油酯、乙醯化甘油單酸酯(硬脂酸酯)、脫水山梨糖醇單油酸酯、丙二醇單月桂酸酯、脫水山梨糖醇單硬脂酸酯、大豆卵磷脂、單酸甘油酯的二乙醯酒石酸酯、硬脂醯乳酸鈉、脫水山梨糖醇單月桂酸酯。硬脂醯乳酸鈉和單硬脂酸甘油酯通常用於澱粉體系。
表2部分乳化劑的疏水/親水平衡(HLB)值

以1％～1.5％的含量添加的單硬脂酸甘油酯起到乳化劑的作用，從而可穩定機械性質並增大混合物的均一性。添加至增塑劑體系中的0.25％～1.5％的硬脂醯乳酸鈉可進一步穩定機械性質並增大混合物的均一性。硬脂醯乳酸鹽(例如鈉鹽或鈣鹽)還通常用作麵團強化劑，因此可以用作抗凝沉劑。單硬脂酸甘油酯與硬脂醯乳酸鈉的組合可以使得各種性質更快地穩定。HLB值遵循加和原則，對於SSL與GMS的適宜混合物該值約為4～10。
加入水以使澱粉「膠凝」(也稱為變性或融化)為高分子凝膠結構。水可以在最終產品中起到像增塑劑一樣的作用，這是因為水可以軟化材料或減小模量。材料的含水量可能會在水活度或相對溼度(RH)低於30％或高於75％時發生改變。在許多應用中，材料接觸的局部RH可達到直至90％的值。為穩定機械性質、層壓性質以及為了易於在各種溫度下進行加工，優選的是非揮發性增塑劑。因而在混煉階段中或之後和/或在隨後的注射成型或成膜的進料階段可以將部分或全部的水乾燥除去。這可以通過對擠出機料筒進行通風，和/或顆粒的在線乾燥而實施。可採用低至10％的水濃度來進行未增塑製劑的擠出加工，可以在注射成型前將具有多元醇增塑劑的製劑乾燥至游離水分為0％。優選的含水量是該製劑在最終產物的使用RH範圍內由吸溼實驗確定的平衡含水量。該含水量取決於製劑的具體組成，但一般為3％～12％。
對於棉條施用器來說，以乾重計的更優選的配方是a)50重量％～70重量％的澱粉，所述澱粉的50％～100％是改性澱粉，b)5重量％～13重量％的選自聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇和乙烯-乙烯醇共聚物的水溶性聚合物，所述水溶性聚合物具有與所述澱粉組分的熔融狀態相容的熔點，c)15重量％～35重量％的多元醇增塑劑，d)0.5重量％～5重量％的分子量大於20,000的聚氧化乙烯，e)0重量％～1重量％的C12-22脂肪酸或其鹽，和f)0.25重量％～1.5重量％的食品級乳化劑。
所述棉條施用器的含水量約為2％～4％。


在附圖中圖1描述了機械性質隨增塑劑種類的變化；圖2描述了機械性質隨增塑劑的量的變化；圖3描述了楊氏模量隨PVOH的量的變化；圖4描述了斷裂伸長率隨PVOH的量的變化；圖5描述了注射成型的拉伸棒的平衡含水量隨顆粒含水量的變化。
具體實施例方式
參考該製劑在諸如棉條施用器等產品方面的優選應用，將對優選的製劑進行描述，所述產品要求可以大量並且廉價地注射成型，可藉助廢水系統(例如衝水)而棄置，適用於食品接觸或醫用器械，並具有生物降解性。滿足全部這些標準的製劑目前在市場仍不可得。
棉條施用器通常是在一般具有多於100個型腔的多腔工具中對低密度聚乙烯進行注射成型而製造的。棉條施用器通常是包括下述部件的兩部件產品柱體(可選地具有由當將棉條前推時能夠展開的可變形翼構成的圓形尖端)和內部柱塞，所述兩部件與棉條組裝在一起並在流水包裝線上包裝。對於在棉條施用器中所使用的聚合物來說，其通常所需的機械性質為小於400MPa的楊氏模量、大於30％的斷裂伸長率和大於10MPa的斷裂拉伸應力。施用器在與水接觸時不應當顯示瞬時粘性，並且應當防止黴菌生長。
優選的棉條施用器包含55％～65％的羥丙基化高直鏈澱粉；11％～13％的聚乙烯醇；18％～21％的多元醇混合物，所述多元醇混合物包含山梨糖醇，和選自麥芽糖醇、丙三醇和木糖醇的至少兩種；1.5％～2.5％的分子量為100,000～400,000的聚氧化乙烯；0.5％～1.5％的單硬脂酸甘油酯和硬脂醯乳酸鈉；和0.7％～0.9％的硬脂酸。
基於成本和性能的考慮，用於棉條施用器的適宜配方(基於乾重和溼重)是表3

在該配方中，多元醇組成優選為[山梨糖醇]＞2[麥芽糖醇]≥[丙三醇]。取決於所使用的增塑劑的組成，由標準水分平衡方法測定的注射成型產品的平衡含水量約為2％～5％，見圖5。該平衡在24小時之內達到，或甚至在加工後立即達到，只要顆粒含水量低於10％即可。該製劑的楊氏模量為165MPa，斷裂應力為13.7MPa，斷裂伸長率為112％。
所述施用器具有生物降解性並且具有可與目前使用的非生物降解性材料相比擬的強度和柔性。生產的成本也是相當的。
通過使用同向旋轉或反向旋轉雙螺杆擠出機或選擇設計的單螺杆擠出機，利用擠出混煉可以製造所述材料。優選工序是雙螺杆同向旋轉式混煉，擠出壓力至少為20巴，螺杆轉速至少為100RPM。根據增塑劑的含量和性質可以在該工序中加入水(利用液體噴射與增塑劑一起加入)。利用用於擠出股材的對流乾燥、用於顆粒的離心機和流化床或料筒排氣或二者可以將水除去。利用水下成粒、模面切粒或股材冷卻切粒可以得到顆粒。
適宜的工序包括依次的混煉和注射成型，其中將擠出物積蓄在注射罐中然後再注入模具。此處使注射成型機入口的含水量最優化以獲得最佳的加工條件和最小的收縮率。
如果需要，還可以在烘道、乾燥筒或流化床中對注射成型部件進行進一步的乾燥。
使用利用熱流道體系或冷流道體系的傳統的螺杆驅動方法或注射驅動方法，可以將所述材料注射成型。在注射成型工序的典型剪切速率下，上述製劑的粘度與LDPE相當或低於其粘度。這意味著用於多型腔加工的壓力將與傳統方法相當。對用於本發明的精選製劑的單型腔注射成型條件來說，注射壓力為50巴～500巴，料筒溫度為90℃～180℃，噴嘴溫度為80℃～120℃，模具溫度為25℃～90℃。影響注射成型效率的其他關鍵方面是循環時間，所述循環時間主要由部件在成型後充分固化所需的時間決定。用於本發明的製劑的低加工溫度以及不存在實際的熔融狀態將導致固化時間縮短，因此獲得與聚乙烯相當的較短的循環時間。這使得所述製劑適合於大量注射成型操作。
對照例為了描述本發明的製劑如何獲得本發明的應用所特有的各種性質，將下面列舉出的實施例與對照例相比較，所述對照例是在專利說明書WO00/36006中描述的適用於熱成型應用的具有生物降解性的澱粉-PVOH類材料。
實施例1研製出一種製劑，所述製劑除了包含23％的增塑劑(以乾重計)之外含有與「對照」製劑相同等級和相對比例的澱粉、PVOH和硬脂酸。所述增塑劑體系由比率為3.3∶1.5∶1的丙三醇、麥芽糖醇和山梨糖醇的混合物構成。另外，該製劑包含1％的聚氧化乙烯以提供生物相容性和1.7％的單硬脂酸甘油酯作為乳化劑。如表5中所示，該製劑滿足棉條施用器所需的全部機械性質。
實施例2
除了增塑劑的組成不同之外第二製劑與實施例1的相同，所述增塑劑由比率為4.3∶1∶3.5的丙三醇、麥芽糖醇和山梨糖醇構成。如表4中所示，山梨糖醇的含量明顯增大導致楊氏模量增大。
實施例3對照製劑不適用於棉條施用器，這是因為它未能通過細胞毒性測試，該測試對於確保生物降解性達到IIA級醫用器械所需的水平是必要的。在本實施例中，去掉在細胞毒性方面起作用的硬脂酸並添加0.6％的PEO。
實施例4本實施例同樣是為驗證細胞毒性的決定性因素而建立，所述實施例的PEO含量為5.5％，同時維持與對照製劑相同的硬脂酸含量。
實施例5為與對照例、實施例3和實施例4進行比較，該製劑不包含硬脂酸，而是包含2％的PEO。後文將討論這些製劑的生物相容性並將其列於表8中。此外，除了PVOH的含量更高之外該製劑與實施例2的相似。與實施例2的比率0.11相比，該製劑中PVOH與(幹)澱粉的比率為0.20。分別如圖3和圖4以及表4中所示，這導致了楊氏模量的明顯減小，和斷裂伸長率的明顯增大。
實施例6該製劑用丙三醇、麥芽糖醇、山梨糖醇(實施例1的混合物)增塑至21％。它包含1％的GMS和0.28％的SSL的乳化劑體系，以及0.5％的PEO。如表5中所示，該製劑滿足棉條施用器所需的全部機械性質。
實施例7除了PVOH的含量更高之外該製劑與實施例1相似。與實施例1的比率0.11相比，該製劑中PVOH與(幹)澱粉的比率為0.23。分別如圖3和圖4以及表4中所示，這導致了楊氏模量的明顯減小，和斷裂伸長率的明顯增大。
實施例8該製劑用實施例1的多元醇混合物增塑至32％。較高程度的增塑化使楊氏模量、抗拉強度明顯減小，並顯著增大了斷裂伸長率。利用分別為1％和0.25％的GMS/SSL混合物穩定各種性質，並藉助1％的PEO克服了細胞毒性。
實施例9如圖2和表4中所示，建立下列三個實施例以將機械性質對所使用的增塑劑的含量的依賴性進行量化。所述增塑劑多元醇混合物是實施例1的混合物。該配方含有14％的增塑劑。GMS/SSL乳化劑以0.3％/0.1％的量混入，PVOH與對照例中的比率相同，並且不添加PEO。
實施例10除了將增塑劑的含量由14％變為23％之外，該配方具有與實施例9相同的PVOH/澱粉比率、相同種類和含量的乳化劑和相同種類的增塑劑。在平衡含水量為4％時，如表5中所示，所得的拉伸測試棒滿足棉條施用器所需的全部機械性質。
實施例11除了增塑劑的含量為32％之外，該配方具有與實施例9相同的PVOH/澱粉比率、相同種類和含量的乳化劑和相同種類的增塑劑。除了PVOH的含量降低之外，該配方還與實施例8相似。與實施例8的比率0.18相比，該製劑中PVOH與(幹)澱粉的比率為0.11∶1。分別如圖3和圖4以及表4中所示，這導致了楊氏模量的明顯減小，和斷裂伸長率的明顯增大。
實施例12如圖1和表4中所示，建立下列四個實施例以將機械性質對所使用的增塑劑的含量的依賴性進行量化。GMS/SSL乳化劑以1％/0.25％的量混入。PVOH與澱粉的比率為0.21，不添加PEO。四個配方均包含35％的增塑劑(以乾重計)。在該製劑中的增塑劑多元醇混合物由以4∶2∶1的比率混合的丙三醇、麥芽糖醇、山梨糖醇的混合物構成。如後文所述以及表6中所示，這些製劑顯示出不同的潤溼行為，據信，這有助於其機械性質和穩定性。
實施例13為比較多元醇增塑劑，該材料包含35％的山梨糖醇。山梨糖醇是三個進行比較的增塑劑體系中最強的潤溼劑，由此得到了如表6中所示的在130℃時的最小的水分損失測定值。山梨糖醇的潤溼行為和較高的熔化溫度導致了如圖1中所示的最高的楊氏模量。如表5中所示，它滿足棉條施用器所需的全部機械性質。然而，純的山梨糖醇表現出起霜效應，從而導致在注射成型體的表面上形成不透明的白色結晶層，可以像本發明的優選製劑中那樣通過將山梨糖醇與少量的麥芽糖醇和丙三醇混合而將其除去。
實施例14為比較多元醇增塑劑，該材料包含35％的木糖醇。
實施例15為比較多元醇增塑劑，該材料包含35％的丙三醇。
使其特別適合於諸如棉條施用器等ISO標準10993 2A級醫用器械的該製劑的優選性質如下1.低楊氏模量(＜400MPa)所述材料的硬度可以通過多元醇增塑劑的含量和組成來控制，其範圍可以是從用於未增塑製劑的1145MPa，至用於具有最高含量的增塑劑的實施例的10MPa。這使得這些等級適合於範圍很廣的注射成型應用。
如表4中所示，使用各種增塑劑體系，與僅包含水作為增塑劑的基礎製劑相比，(壓塑試塊(dogbones)的)楊氏模量明顯減小(測試方法ASTM638)。
表4增塑製劑的機械性質

2.斷裂應變(＞30％)所述材料的外延行為可以通過增塑劑的含量得到控制，其範圍可以是從用於未增塑製劑的最小值30％，直至用於具有最高含量的增塑劑和PVOH的實施例的約390％。這使得這些等級適合於範圍很廣的注射成型應用。
3.抗拉強度(＞10MPa)所述材料的抗拉強度可以通過增塑劑的含量得到控制，其範圍可以是從用於高度增塑製劑的4.5MPa至用於增塑劑的含量很低或沒有增塑劑的實施例的25MPa。因此，可以製得適合於範圍很廣的注射成型應用的等級。
表5總結了同時滿足全部機械性質要求的製劑。此處列舉的含水量(MC)是使用Perkin lemer HB43水分平衡儀在按照ASTM638將樣品調溼40小時後在130℃測定的。
表5滿足用於棉條施用器的機械要求的配方

以往的澱粉類聚合物存在由於水分的損失和/或結晶化作用而導致機械性質隨時間而發生變化的問題。此處研製的許多組合物顯示出持續的、不硬化的機械性質。達到平衡性質所需的時間取決於該過程中的乾燥階段以及所使用的增塑劑和乳化劑體系，及其潤溼性質。表6描述了與實施例12(丙三醇＞麥芽糖醇＞山梨糖醇的混合物)和實施例15(丙三醇)相比，在實施例13(山梨糖醇)和實施例14(木糖醇)中所使用的增塑劑體系的優異的潤溼性質。該表顯示出利用滷素水分平衡在130℃測定的含水量，並與為了所述測試而未被乾燥的混煉配方中的實際含水量進行比較。
表6具有不同潤溼劑組成的未乾燥顆粒在130℃的水分損失

為使在線的注射成型部件達到其平衡含水量，將料筒排氣與顆粒乾燥組合使用是可取的。未經顆粒乾燥/排氣而製得的製劑在第一個100小時內顯示出明顯的硬化。任何後續的硬化都將是結晶化作用和/或反增塑作用所致。如表7中所示，在含水量適宜的條件下加工的具有優選的多元醇組成的製劑不會顯示出機械性質的老化。在各實施例中任何觀測到的變化都與重複性的趨勢無關，而極有可能是樣品的小尺寸和部件製造的實驗規模所致。
表7機械性質的穩定性隨儲存條件的變化

4.與傳統LDPE相當的收縮率觀察注射成型拉伸測試棒的收縮。即使在任何加工優化之前，許多製劑也顯示出與LDPE相似的或低於其的收縮率。其他製劑顯示出較高的收縮率，因此需要進一步的優化，但是對於所有的等級來說收縮行為都是可控的。
實施例收縮率(加工方向)實施例6 6.6％±1.3％(N＝11)實施例12 4.5％±0.5％(N＝40)實施例14 2.9％±0.4％(N＝9)實施例13 2.6％±0.2％(N＝10)5.生物降解性根據國際標準特別是用於商用堆肥設備和廢水處理系統的EN134322000，本發明的組合物具有生物降解性和可堆肥性。根據EN 13432的要求，特別是堆肥中的ISO 14855和水性介質中的ISO 14851或ISO14852，進行了生物降解性測試。EN 13432規定的崩解測試表明了在用於商用堆肥的模擬條件下所需的崩解水平。
6.可衝洗性本發明的組合物在用於廢水處理的模擬條件下基本上崩解，因此可視為具有可衝洗性。測試兩種示例性材料(作為1mm厚的片材的對照配方和作為1mm厚的注射成型部件的實施例5配方)的可衝洗性以與衛生紙進行比較。
對於可衝洗性測試，使用標準方法CEN TC 249 WI 249510(「塑料—在廢水處理廠中的可棄置性的評價—用於最終驗收的測試方案和說明書」)的改進版。對所述方法所作的改進如下a)未進行樣品乾燥，這是因為對天然材料的徹底乾燥會改變微觀結構並由此改變材料的吸溼行為；b)使用不同的容器和攪拌條件從而更好地模擬被衝洗的材料所經歷的擾動狀況；c)用過量的水衝洗篩網上收集的殘留物以更好地再現廢物處理廠的篩選過程。「衝洗因子」定義為在水中攪拌16小時後通過10mm篩網的材料的分數。
發現對照例和實施例5的配方都可獲得1.0的衝洗因子，表明這些材料可視為具有可衝洗性。
7.生物相容性根據ISO標準10993「醫用器械的生物學評價」的2A級醫用器械的需要，進行生物相容性測試。該級別代表適合與黏膜進行單用途或多用途接觸或有可能進行24小時接觸的器械。該類型的器械必須通過下列測試細胞毒性(ISO 10993-5)藉助於細胞培養技術，這些測試可以確定細胞的溶胞(細胞死亡)、細胞生長的抑制和由醫用器械、材料和/或它們的抽提物造成的對細胞的其他影響。存在兩種可用來確定細胞毒性的方法。一種方法是ISO洗脫法，另一種是瓊脂覆層法。前者是更為靈敏的測試並用於本發明的評價。
致敏性(ISO 10993-10)
使用適宜的模型，這些測試評價了用於接觸致敏作用的醫用器械、材料和/或它們的抽提物的潛在問題。這些實驗是適宜的，這是因為暴露或接觸即使是微量的潛在浸出物也會導致過敏或致敏反應。在ISO10993-10中記載了致敏性測試。
對本發明的製劑進行該測試。
刺激性(ISO 10993-10)通過在適宜模型中使用諸如皮膚、眼睛和黏膜等用於植入組織的適宜位點，這些測試評估了醫用器械、材料和/或它們的抽提物的潛在刺激性。在ISO 10993-10中記載了刺激性測試。
生物降解性澱粉-PVOH材料不具有生物相容性，原因是其未能通過細胞毒性測試，這有可能是用作表面活性劑的硬脂酸對暴露的細胞所起的作用所致。為確保本發明的製劑具有生物相容性，可以以各種不同的含量加入聚氧化乙烯(或聚乙二醇)，結果證實，不論硬脂酸的存在與否所述添加都是有效的。表8總結了經歷生物相容性測試的製劑實例。
表8生物相容性測試結果

本發明的實施例3、實施例4和實施例5的製劑通過細胞毒性測試(ISO洗提法IX Minimal Essential Media Extract(MEM)，在37℃進行)。此外，本發明的對照製劑不含有旨在提高生物相容性的添加劑，並通過了刺激性測試，和對老鼠進行的USP系統毒性測試(該測試被建議作為致敏性測試的篩選測試)，因此不必對實施例3、實施例4和實施例5進行生物相容性測試。
8.低成本所述製劑的成本明顯低於滿足該應用所需的一部分關鍵標準的任何生物降解性材料的成本，並且與現有的非生物降解性或非衝洗性棉條施用器相比不是過於昂貴(至多是現有LDPE價格的2～3倍)。這種類型的製劑不會像石油衍生的聚合物那樣發生價格波動。
低楊氏模量、高斷裂伸長率、適宜的抗拉強度、生物相容性、生物降解性、可衝洗性和注射成型性的組合使得這些製劑非常適用於諸如棉條施用器等藥用器械和衛生器械。
棉條施用器的這種性能和外觀是可以接受的並且與傳統的非生物降解性施用器一樣好。雖然在這個階段還沒有獲得許可，但是所述材料比許多傳統的聚合物具有更柔軟、更自然的觸感。由本發明的組合物製造的施用器的顯著優點是棄置更簡單、更為方便和衛生。從上述說明書和實施例可以看出本發明提供了在價格和性能特徵上都與傳統的非生物降解性可注射成型聚合物相當的生物降解性澱粉聚合物。因此，棉條施用器由於具有環境友好性這一額外的優點而值得推薦和關注。
本領域的技術人員將認識到儘管本發明的闡述和棉條施用器有關，但通過根據產品所需的性質來定製具體的組成含量，本發明的注射成型用組合物還可用於其他用途。所述組合物可用於成型為其他醫用產品或和食品有關的產品，對於需要可衝洗性和生物降解性的情況，所述產品包括棉棒(cotton bud)、尿樣收集工具、餐具、醫用匙(scoop)和壓舌板。這些性質還使得所述組合物可用於當前引起垃圾或廢物處理問題的下列產品卷裝手紙紙芯、馬桶刷刷頭、用於包裝的夾子和帶子、用於肉類加工的食道夾、用於建築物的臨時下水道塞、教練彈藥模擬器、驅蚊筒。
權利要求
1.一種生物降解性可注射成型的聚合物，所述聚合物具有以乾重計的下述組成a)50重量％～85重量％的澱粉和/或改性的高直鏈澱粉，b)4重量％～13重量％的選自聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇和乙烯-乙烯醇共聚物的水溶性聚合物，所述水溶性聚合物具有與所述澱粉組分的熔融狀態相容的熔點，c)10重量％～35重量％的多元醇增塑劑，d)0.5重量％～10重量％的聚氧化乙烯或聚乙二醇，e)0重量％～1.5重量％的C12-22脂肪酸或C12-22脂肪酸鹽，和f)0.25重量％～3重量％的食品級乳化劑。
2.如權利要求1所述的組合物，其中，組分b)是聚乙烯醇。
3.如權利要求1所述的組合物，其中，所述多元醇增塑劑是山梨糖醇與至少一種其他多元醇的混合物。
4.如權利要求3所述的組合物，其中，所述其他多元醇選自由下列醇組成的組丙三醇、麥芽糖醇、木糖醇、赤蘚糖醇、甘露醇、乙二醇、二乙二醇和聚乙二醇。
5.如權利要求1所述的組合物，其中，組分d)是分子量為100,000～400,000的聚氧化乙烯。
6.如權利要求1所述的組合物，其中，所述食品級乳化劑的親水親油平衡值為2～10。
7.如權利要求6所述的組合物，其中，所述乳化劑選自單硬脂酸甘油酯、硬脂醯乳酸鈉或它們的混合物。
8.如權利要求1所述的組合物，其中，組分e)是硬脂酸。
9.一種醫用器械，所述器械通過將權利要求1所述的組合物注射成型而形成，並且其最終含水量為2重量％～3重量％。
10.一種通過注射成型製造的棉條施用器，所述施用器具有以乾重計的下述組成a)50重量％～70重量％的澱粉，所述澱粉的50％～100％被改性，b)5重量％～13重量％的選自聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇和乙烯-乙烯醇共聚物的水溶性聚合物，所述水溶性聚合物具有與所述澱粉組分的熔融狀態相容的熔點，c)15重量％～35重量％的多元醇增塑劑，d)0.5重量％～5重量％的分子量大於20,000的聚氧化乙烯，e)0重量％～1重量％的C12-22脂肪酸或C12-22脂肪酸鹽，和f)0.25重量％～1.5重量％的食品級乳化劑。
11.如權利要求10所述的棉條施用器，所述施用器包含55％～65％的羥丙基化高直鏈澱粉；11％～13％的聚乙烯醇；18％～21％的多元醇混合物，所述多元醇混合物含有山梨糖醇以及選自麥芽糖醇、丙三醇和木糖醇中的至少兩種多元醇；1.5％～2.5％的分子量為100,000～400,000的聚氧化乙烯；0.5％～1.5％的單硬脂酸甘油酯和硬脂醯乳酸鈉；和0.7％～0.9％的硬脂酸。
12.如權利要求11所述的棉條施用器，其中，所述產品的含水量為2％～4％。
13.一種注射成型產品，所述產品具有權利要求1所述的組成，並且其楊氏模量為70MPa～400MPa，抗拉強度為8MPa～15MPa，斷裂伸長率為30％～300％。
14.如權利要求11所述的棉條施用器，所述施用器的楊氏模量為160MPa～200MPa，抗拉強度為10MPa～15MPa，斷裂伸長率為50％～150％。
15.如權利要求11所述的棉條施用器，所述施用器在廢水中具有生物降解性並且能夠崩解，從而不會對廢水處理系統造成有害影響。
全文摘要
本發明提供一種生物降解性可注射成型的聚合物，所述聚合物具有以下組成a)50重量％～85重量％的澱粉和或改性的高直鏈澱粉，b)4重量％～13重量％的選自聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇和乙烯－乙烯醇共聚物的水溶性聚合物，所述水溶性聚合物具有與所述澱粉組分的熔融狀態相容的熔點，c)10重量％～35重量％的多元醇增塑劑，d)0.5重量％～10重量％的聚氧化乙烯或聚乙二醇，e)0重量％～1.5重量％的C
文檔編號C08L3/14GK101061167SQ200580039658
公開日2007年10月24日 申請日期2005年10月5日 優先權日2004年10月5日
發明者魯蘭·亨德森, 伊恩·約翰·帕特裡奇, 伊莉莎白·艾米莉·羅斯, 尼古拉斯·羅伊·奧克利 申請人:普朗蒂克科技有限公司