CN110510873A - 硼硅酸盐玻璃及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种硼硅酸盐玻璃及其制备方法,该玻璃包含SiO2、Al2O3、B2O3、Na2O、MgO和CaO,其中SiO2的含量为67%~77%,Al2O3的含量为4%~8%,B2O3的含量为8%~13%,Na2O的含量为5%~9%,MgO的含量为0.1%~3%,CaO的含量为0.5%~3%,且满足满足0.7<Na2O/(CaO+3MgO)<2.6,且0.4<(Al2O3‑B2O3)/(CaO+MgO‑Na2O)<3.2。该玻璃高温粘度曲线通常变得更陡,降低了熔化温度,有利于通过降低液相线温度而促进成形;更有效的是较低的软化温度,使的玻管制瓶中燃烧器加热时B2O3、Na2O等的蒸发量降低;同时该玻璃具有良好的耐碱性和耐水性。
Description
技术领域
本发明涉及玻璃生产领域,特别涉及一种硼硅酸盐玻璃及其制备方法。
背景技术
在医药领域,硼硅酸玻璃作为包装材料被广泛应用。硼硅酸玻璃具有高透明度、抗机械性能、低渗透性、高化学稳定性等优点,对于保持药用物质的品质乃至其功效来说是很关键的。
药用玻璃容器或初级包装通常与所容纳的药用物质直接接触,并由此要遵循严格的要求。它们要能够以合适的方式取出内容物,同时尽量不出现内容物的损失和改变,优选不出现内容物的物理或化学变化。所述内容物的品质不应由于与容器或初级包装的直接接触而发生变化,以致超出所要求的极限值。无论如何要确保玻璃材料不会释放出能影响药用物质稳定或者甚至对使用者有毒的一定量的物质。
在玻管加热制备成小瓶子(小瓶)或安瓿时,硼硅酸玻璃由于B2O3、K2O、Na2O等蒸发,在小瓶子(小瓶)或安瓿底部形成的碱金属硼酸盐的环形沉淀。这种环形沉淀在消毒过程中或通过与盛放的药用物质的反应,引起药液变质、药液pH升高,甚至还可能在药液中产生玻璃碎屑。
发明内容
本发明的目的是提供一种硼硅酸盐玻璃及其制备方法,该硼硅酸玻璃具有合适的熔化温度、不容易析晶、膨胀系数合适以及较低的软化温度,使得玻管制瓶中燃烧器加热时B2O3、Na2O等的蒸发量降低。同时该硼硅酸玻璃具有良好的耐水性和耐碱性。
为了实现上述目的,本发明提供了一种硼硅酸盐玻璃,该硼硅酸盐玻璃以氧化物为基准,按质量百分比计,包括:
且满足0.7<Na2O/(CaO+3MgO)<2.6,且0.4<(Al2O3-B2O3)/(CaO+MgO-Na2O)<3.2。
优选地,该硼硅酸盐玻璃以氧化物为基准,按质量百分比计,包括以下组分:
且满足1.3<Na2O/(CaO+3MgO)<2.2,且0.7<(Al2O3-B2O3)/(CaO+MgO-Na2O)<1.1。
该硼硅酸盐玻璃的玻璃膨胀系数49-7/℃~51×10-7/℃,粘度为102泊时对应的熔化温度为T2<1645℃,粘度为104泊时对应的成形温度T4<1210℃,析晶温度T1<1030℃,软化点T2<800℃。该硼硅酸盐玻璃的98℃耐水性为一级,121℃耐水性为HC1级,耐碱性为一级。
本发明还提供一种硼硅酸盐玻璃的制备方法,该方法包括:将玻璃用组合物依次进行混合、熔融、均化、成型和退火等工艺,得到硼硅酸盐玻璃;其中,所述玻璃用原料以氧化物为基准,按照质量百分比,包括以下组分:
且满足0.7<Na2O/(CaO+3MgO)<2.6,且0.4<(Al2O3-B2O3)/(CaO+MgO-Na2O)<3.2。
优选地,所述玻璃用原料以氧化物为基准,按照质量百分比,包括以下组分:
且满足1.3<Na2O/(CaO+3MgO)<2.2,且0.7<(Al2O3-B2O3)/(CaO+MgO-Na2O)<1.1。
本发明的硼硅酸盐玻璃具有优异的综合性能得益于玻璃组分中SiO2、Al2O3、B2O3、Na2O、CaO和MgO之间的组合,其中:玻璃中钠离子半径与钙离子半径相当,镁的半径略小,MgO是网络外体,在玻璃结构中填充网络空隙,增加了空隙的填充率。当玻璃结构中存在Mg时,特别是Si-O-B键的形成。碱土金属氧化物在铝硼硅酸盐玻璃结构中按照MgO<CaO的顺序优先与B2O3结合,由于CaO优先与B2O3作用,影响了硼的配位状态,而MgO则优先与Al2O3结合,对硼的配位影响很小。另外,因为CaO、MgO的碱性比Na2O大,在玻璃结构中更容易与酸性的B2O3结合,并且Mg2+、Ca2+的正电荷可以补偿[BO4]四面体所带的负电荷。通过合理的控制,0.7<Na2O/(CaO+3MgO)<2.6,且0.4<(Al2O3-B2O3)/(CaO+MgO-Na2O)<3.2,玻璃高温粘度曲线通常变得更陡,降低了熔化温度,有利于通过降低液相线温度而促进成形;更有效的是较低的软化温度,使的玻管制瓶中燃烧器加热时B2O3、Na2O等的蒸发量降低;同时该玻璃具有良好的耐碱性和耐水性。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是,此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明,并不用于限制本发明。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值,这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说,各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间,以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围,这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
对于本发明的一种硼硅酸玻璃及其制备方法,将玻璃组成限定于上述范围内的理由说明如下。
SiO2是构成玻璃网络的成分之一。SiO2是用于根据本发明的特别稳定的药物初级包装的玻璃的基础组分。SiO2含量的范围为67%~77%,优选为72.4%~75.8%。如果SiO2的含量过少,则化学上的耐久性下降,医药容器用硼硅酸盐玻璃所要求的耐酸性变低。另一方面,如果SiO2的含量过多,熔融温度和加工温度明显升高,玻璃难易澄清。在制造工序容易发生失透,生产性下降。另外,作业温度变高。
Al2O3是抑制玻璃的失透而且使化学耐久性和耐水解性提高的成分,Al2O3含量的范围为4%~8%,优选为5.5%~6.8%。如果Al2O3的含量过少,则无法得到上述效果。另一方面,如果Al2O3的含量过多,则玻璃的粘度上升,作业温度变高,导致加工成医药容器时所需要的热量变多。
B2O3不仅使玻璃的熔点下降,还具有使液相粘度上升、抑制失透的效果。B2O3含量的范围为8%~13%,优选为9.3%~10.9%。如果B2O3的含量过少,则作业温度变高,导致加工成医药容器时所需要的热量变多。另一方面,如果B2O3的含量过多,则耐水解性、化学耐久性下降。
Na2O具有使玻璃的高温粘度下降,且使线性热膨胀系数上升的效果。Na2O含量的范围为5%~9%,优选为6.4%~7.6%。如果Na2O的含量过少,玻璃熔化温度降低不明显,则作业温度变高,导致加工成医药容器时所需要的热量变多。另一方面,如果Na2O的含量过多,则耐水解性下降。
MgO的加入可以降低玻璃高温粘度,而不增加的热加工温度,同时提高化学耐久性的效果。MgO含量的范围为0.1%~3wt%,优选为0.3%~1.2%。如果MgO的含量过少,则无法得到上述效果。如果MgO的含量过多,则容易析晶。
CaO可以降低玻璃高温粘度,提高玻璃的耐水性。CaO含量的范围为0.5%~3%,优选为1%~2.2%。如果CaO的含量过少,则无法得到上述效果。如果CaO含量过多,则耐水解性下降。
另外,作为澄清剂,硼硅酸玻璃也可以含有F、Cl、SnO2、Na2SO4等中的一种或多种。采用外加法,其含量为配合料总量的0.5%以下、0.4%以下,特别优选为0.3%以下。另外,在这些澄清剂中,从熔融温度和对环境的影响少这样的理由考虑,优选使用Cl、SnO2。在使用Cl的情况下,其含量优选为0.5%以下、0.4%以下,特别优选为0.2%以下。在使用SnO2的情况下,其含量优选为0.5%以下、0.4%以下,特别优选为0.01-0.3%。
在本发明中,合理控制玻璃组分,0.7<Na2O/(CaO+3MgO)<2.6,且0.2<(Al2O3-B2O3)/(CaO+MgO-Na2O)<3.2。更优选的1.65<Na2O/(CaO+3MgO)<2.2,且0.3<(Al2O3-B2O3)/(CaO+MgO-Na2O)<1.1。
玻璃中钠离子半径与钙离子半径相当,镁的半径略小,MgO是网络外体,在玻璃结构中填充网络空隙,增加了空隙的填充率。当玻璃结构中存在Mg时,特别是Si-O-B键的形成。碱土金属氧化物在铝硼硅酸盐玻璃结构中按照MgO<CaO的顺序优先与B2O3结合,由于CaO优先与B2O3作用,影响了硼的配位状态,而MgO则优先与Al2O3结合,对硼的配位影响很小。另外,因为CaO、MgO的碱性比Na2O大,在玻璃结构中更容易与酸性的B2O3结合,并且Mg2+、Ca2+的正电荷可以补偿[BO4]四面体所带的负电荷。通过合理的控制,0.7<Na2O/(CaO+3MgO)<2.6,且0.4<(Al2O3-B2O3)/(CaO+MgO-Na2O)<3.2;玻璃高温粘度曲线通常变得更陡,降低了熔化温度,有利于通过降低液相线温度而促进成形;更有效的是较低玻璃的软化温度,使的玻管制瓶中燃烧器加热时B2O3、Na2O等的蒸发量降低;同时该玻璃具有良好的耐碱性、耐水性。
本发明的硼硅酸盐玻璃的制备方法,包括:
将玻璃用原料依次进行混合、熔融、均化、成型和退火等工艺,得到硼硅酸盐玻璃;其中,所述玻璃用原料以氧化物为基准,按照质量百分比,包括以下组分:
且满足0.7<Na2O/(CaO+3MgO)<2.6,且0.4<(Al2O3-B2O3)/(CaO+MgO-Na2O)<3.2。
优选地,所述玻璃用原料以氧化物为基准,按照质量百分比,包括以下组分:
且满足1.3<Na2O/(CaO+3MgO)<2.2,且0.7<(Al2O3-B2O3)/(CaO+MgO-Na2O)<1.1。
本发明中的玻璃用原料可以为已知的玻璃生产的化工原料或矿物原料。将玻璃原材料混合均匀,得到玻璃配合料。将该玻璃配合料连续投入到1600~1650℃的熔融窑中,进行熔融、澄清后,在将所得到的熔融玻璃卷绕在旋转的耐火物上的同时,一边从耐火物前端部吹出空气,一边从该前端部将玻璃以管状拉出。接着,将拉出的管状玻璃切割成预定长度,得到医药容器用或电光源玻璃管。
玻璃配合料的熔化、澄清、均化在熔化窑中进行,玻璃制品的成形采用丹纳法、维络法,得到成形的玻璃制品。
由于涉及的熔化、澄清、均化、成型均为玻璃技术领域的常规工序,在此不再展开赘述。
以下将通过实施例和对比例对本发明进行详细描述。以下实施例和对比例中,如无特别说明,所用的各材料均可通过商购获得,如无特别说明,所用的方法为本领域的常规方法。
在本公开中,在未作相反说明的情况下,所述玻璃组合物的热膨胀系数根据ASTME228-1985《用透明石英膨胀仪测定固体材料线性热膨胀的试验方法》测定得到。
在本公开中,在未作相反说明的情况下,软化点通过ASTM C338的方法进行了测定。
在本公开中,在未作相反说明的情况下,通过ASTM C965使用旋转高温粘度计测试玻璃高温粘度曲线,其中粘度102泊对应的熔化温度为T2;104泊对应的成形温度T4,单位为℃。
在本公开中,在未作相反说明的情况下,通过ASTM C829使用梯温炉法测试玻璃析晶上限温度。
在本公开中,在未作相反说明的情况下,玻璃的耐化学稳定性参考,98℃耐水性测测试依据《YBB00362004-2015玻璃颗粒在98℃耐水性测定法》,121℃耐水性测试依据《YBB00252003-2015玻璃颗粒在121℃耐水性测定法》,耐碱性测试依据《YBB00352004-2015玻璃耐沸腾混合碱水溶液浸蚀性测定法》。
根据设计玻璃组分,计算所需玻璃原材料,澄清剂采用NaNO3和CeO2,二者比例满足7:3,添加量为配合料总量的0.3%。将玻璃原材料混合均匀。将混合料倒入铂铑坩埚中,然后在1600~1650℃下加热7小时并混合均匀。随后取出坩埚,将熔制的玻璃液倒入预热的模具中浇注成块,待成型后,放入600℃的马弗炉内保温2小时,进行精密退火处理,关电源,待马弗炉降温至室温取出。根据上述玻璃性能测试要求,对玻璃的性能进行测试。
表1
表2
从表1中实施例1-8的测试结果可以看出,按本发明中的配方制备的中性硼硅玻璃膨胀系数49×10-7/℃~51×10-7/℃;粘度为102泊对应的熔化温度为T2<1645℃;粘度为104泊对应的成形温度T4<1210℃;析晶温度T1<1030℃;软化点T3<800℃。其中98℃耐水性一级,121℃耐水性HC1级,耐碱性一级。
通过实施例1-8和对比例1、对比例2的数据对比,实施例1-8的膨胀系数,耐化学稳定性等都接近。实施例1-8的熔化温度、成形温度、软化点小于对比例1、对比例2。可知的较低的软化点可以使的玻璃管在制瓶需要的加工温度低,相对应的B2O3、Na2O等从玻璃中的蒸发量低。
上述结果显示本发明的含碱金属的硼硅玻璃适用于在医药领域的药物初级包装,并且尤其适用于水性或含水的药用物质的药物初级包装。
以上详细描述了本发明的优选实施方式,但是,本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内,可以对本发明的技术方案进行多种简单变型,包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合,这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容,均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种硼硅酸盐玻璃,其特征在于,以氧化物为基准,按质量百分比计,包括以下组分:
且满足0.7<Na2O/(CaO+3MgO)<2.6,且0.4<(Al2O3-B2O3)/(CaO+MgO-Na2O)<3.2。
2.如权利要求1所述的硼硅酸盐玻璃,其特征在于,以氧化物为基准,按质量百分比计,包括以下组分:
且满足1.3<Na2O/(CaO+3MgO)<2.2,且0.7<(Al2O3-B2O3)/(CaO+MgO-Na2O)<1.1。
3.如权利要求1或2所述的硼硅酸盐玻璃,其特征在于,所述硼硅酸盐玻璃的玻璃膨胀系数49×10-7/℃~51×10-7/℃。
4.如权利要求1或2所述的硼硅酸盐玻璃,其特征在于,所述硼硅酸盐玻璃的粘度为102泊时对应的熔化温度T2<1645℃。
5.如权利要求1或2所述的硼硅酸盐玻璃,其特征在于,所述硼硅酸盐玻璃的粘度为104泊时对应的成形温度T4<1210℃。
6.如权利要求1或2所述的硼硅酸盐玻璃,其特征在于,所述硼硅酸盐玻璃的析晶温度T1<1030℃。
7.如权利要求1或2所述的硼硅酸盐玻璃,其特征在于,所述硼硅酸盐玻璃的软化点T3<800℃。
8.如权利要求1或2所述的硼硅酸盐玻璃,其特征在于,所述硼硅酸盐玻璃的98℃耐水性为一级,121℃耐水性为HC1级,耐碱性为一级。
9.一种硼硅酸盐玻璃的制备方法,其特征在于,包括:
将玻璃用原料依次进行混合、熔融、均化、成型和退火等工艺,得到硼硅酸盐玻璃;其中,所述玻璃用原料以氧化物为基准,按照质量百分比,包括以下组分:
且满足0.7<Na2O/(CaO+3MgO)<2.6,且0.4<(Al2O3-B2O3)/(CaO+MgO-Na2O)<3.2。
10.如权利要求9所述的硼硅酸盐玻璃的制备方法,其特征在于,所述玻璃用原料以氧化物为基准,按照质量百分比,包括以下组分:
且满足1.3<Na2O/(CaO+3MgO)<2.2,且0.7<(Al2O3-B2O3)/(CaO+MgO-Na2O)<1.1。
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