CN1479673A - 用于制造眼科器件的模具 - Google Patents

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Abstract

眼科透镜由成镜混合物在模具内反应成聚合物而制成。然后将该聚合物从模具中脱模出来并加工成透镜成品。模具由至少两个部件构成，一个具有用来将聚合物成形为透镜一部分的表面的第一部件和一个具有将聚合物成形为透镜一部分的表面的第二部件。模具的第一和第二部件各有不同的表面能。

Description

用于制造眼科器件的模具
                        发明背景
本发明涉及用于制造眼科透镜如隐形眼镜(接触透镜)的模具和模具部件。
眼科透镜如隐形眼镜最常用浇注工艺制造。这类工艺包括将可聚合单体与其它材料的反应性成镜混合物注射进模具，并通过在有合适的光引发剂或催化剂存在下暴露在紫外光或热中来固化该混合物。这类模具通常由许多模腔组成，模腔具有用来成形曲面眼科透镜的阴和/或阳基面或曲面模具部件。透镜在模具表面的界面上成形。
一个普遍的问题是在模内形成的透镜粘附在一个或两个模具部件上。粘附性太大时，会出现边缘撕裂和掉屑、刻痕或其它表面缺陷以及在眼科透镜内部形成的孔洞、空穴、凹坑，即厚度非均匀区域，和熔潭(puddle)。这个问题在制造薄边或边缘几何形状复杂的透镜的工艺中更加严重。因此，对于商业透镜制造工艺来说，分开两个对合半模或模具部件而不损坏模内已成形的透镜是极其重要的。
处理该问题的一种方法曾是在模具材料中加进硬脂酸锌之类的添加剂或加入脱模剂。遗憾的是这些试剂会损害模具表面织构或聚合物整体性能。也曾用调节固化和脱模工艺的时间、温度和加热程序(profile)来影响透镜与模具部件中至少一个部件的粘附性。但是，可能有助于解决粘附问题的固化与脱模工艺的调节常对所制透镜的质量有负面影响。力学与光学性能会受到严重损失或改变。
日本公开申请JP 98-133667提出了一种第一模与第二模的组件(assembly)，第二模由基模和复盖在基模模腔边缘上的一层热塑性薄膜组成。基模由PMMA制成，带有一层聚乙烯膜，阴模由聚丙烯制成。
目前仍迫切需要有简单的方法来减少或消除因粘附在多个模具部件上造成的透镜产量的损失。
                       发明概述
本发明是一种通过使成镜混合物在模具内反应成聚合物而制造眼科透镜的方法。然后将该聚合物从模具内脱模下来并形成一个透镜成品。所述模具由至少两个部件(part)构成，一个具有用来将聚合物成形为透镜一部分的表面的第一部件和一个具有用来将聚合物成形为透镜一部分的表面的第二部件。模具的第一部件与第二部件各自有不同的表面能。
在本发明的另一个方面中，眼科透镜模具包含至少两个部件。第一部件有用来成形透镜一部分的表面以及第二部件有用来成形透镜一部分的表面。第一部件与第二部件分别由表面能不同的材料制成。第一模具部件与第二模具部件的组合构成一个模腔。眼科透镜由眼科透镜成形混合物的反应在模腔内形成。
在本发明的又一个方面中，眼科透镜制造成套(kit)模具包含至少一个第一模具部件和至少一个第二模具部件。第一模具部件与第二模具部件具有不同的表面能。它们组合起来时就在它们的界面上形成一个用来成形眼科透镜的模腔。
                        发明详述
“眼科透镜”是指眼内透镜、隐形眼镜或其它类似的器件，通过这些器件视力得以校正或在美容上提高眼睛的生理学作用(例如，眼球的虹彩色)但不妨碍视力。
“成镜混合物”，作为本说明书通篇使用的术语，是指一种能反应或固化形成眼科透镜的材料混合物。这种混合物包括可聚合组分(单体)、添加剂如紫外光屏蔽剂和轻度调色剂(tint)、光引发剂或催化剂，以及人们也许希望隐形眼镜或眼内透镜等眼科透镜内有的其它添加剂。合适的成镜混合物在美国专利5,849,209(包括交联剂与引发剂的反应性单体混合物)；5,770,669(包括单体和引发剂的预聚混合物)；和5,512,205(包括交联剂和引发剂的预聚体和单体体系)，各专利引入本文供参考。最优选制造硅基水凝胶透镜用的成镜混合物，包括含有硅氧烷/亲水大分子单体、硅基单体、引发剂和添加剂的那些在内。
“模具”和“模具组件”如本说明书通篇所用，是指带模腔的形式，在模腔内分配成镜混合物，这样在成镜混合物反应或固化时就得到所需形状的眼科透镜。本发明的模具和模具组件由一个以上的模具部件制成并通过部件的组合形成模具或模具组件。优选模具部件的组合是暂时性的。将模具部件合到一起就在它们之间形成一个模腔，在其中成形透镜，而在透镜已成形时，如下所述为了将透镜取出又要把模具分开成模具部件。
“模具部件”或“模块”，作为本说明书通篇所用的术语，是指模具的一部分，当它与模具的另一部分组合时就形成一副模具或模具组件。本发明的模具由至少两个模具部件构成。至少一个模具部件有其至少一部分表面与成镜混合物接触，这样，在混合物反应或固化时，该表面就提供所需的形状并形成与之接触的透镜的一部分。这一点对至少另一个模具部件也是正确的。
因此，例如，在一个优选实施方案中，一个模具由两个部件形成，一个阴模凹块(前模块)和一个阳模凸块(后模块)，在两者之间形成一个模腔。与成镜混合物接触的凹面部分具有拟在模具组件内制造的眼科透镜前曲面的曲率而且非常光滑，足以使通过与该表面接触的成镜混合物的聚合所形成的眼科透镜表面光学性能合格。优选该前模块还有一个与其成整体的围绕着圆形周边的环形法兰，并在垂直于凹结构轴线的平面延伸出去。后模块上有一个中心弯曲部分，带凹面、凸面和圆形周边，其中，与成镜混合物接触的凸面部分具有拟在模具组件内制造的眼科透镜后曲面的曲率而且非常光滑，足以使通过与该表面接触的成镜混合物的聚合所形成的眼科透镜表面光学性能合格。后曲面也有一个与其成整体的围绕着圆形周边的环形法兰，并在垂直于凸结构轴线的平面内延伸出去。前半模的内凹面确定透镜的外表面，而基半模的外凸面确定透镜的内表面。
在该组件中，后模块由一种表面能明显不同于前模块的材料制成。当一种材料的表面能明显不同于另一种材料时，则在由这类材料的模具部件制成的模具内聚合后以及在模具部件分开时，与每一模件表面接触而形成的透镜不会把一个模具部件粘附在与之接触的另一个模具部件上。而且，在没有脱模剂或表面活性剂时会出现至少与一个模具部件不粘附的现象。随单体聚合的进行，密度增加，或反之，体积收缩。如果透镜近似为薄壁半球壳，则这种收缩会使模塑零件倾向于粘附在凸模表面而倾向于与凹模表面分离。因此，按照Zisman的表面能概念估算，凹模表面的表面能应比凸模表面的材料的表面能高出至少约1.0mN/m(在透镜脱模的温度下)。优选该差值至少约5mN/m，更优选至少约9mN/m。在最优选的实施方案中，前曲模表面是由环烯烃(在下面更详细地描述)制造的表面能为35.9+/-1.0mN/m的TOPAZ牌聚合物，而基曲模是一个表面能为26.6+/-0.9mN/m的聚丙烯模表面。这一差值足以抵抗粘附在基曲面上的倾向。
本发明的模具部件具有依赖于组成的不同表面能，但不存在脱模剂或表面活性剂。优选模具部件包含单一的均匀组合物，以使它们具有所需的表面能。非常优选模具部件从其中至多只有加工助剂的净聚合物注塑成形。甚至更加优选无加工助剂的净聚合物。例如，在一个最优选的实施方案中，一个模具部件由净全同立构或间同立构聚丙烯组成，另一个模具部件由净环烯烃共聚物如乙烯-降冰片烯共聚物组成。也可能选择不一定是合成聚合物的不相似材料作模具部件之一。例如，一个模具部件可由合成材料制成，而另一个部件可以用金属、准金属(metaloid)、陶瓷或玻璃组合物制成，只要这两种不同的材料具有上述不同的表面能即可。
关于环烯烃共聚物，适用于制造它们的环烯烃有美国专利5,087,677和5,008,356的环状单体，各专利包括于此供参考。在该生产中有用的其它适用环烯烃共聚物也有商品可购或它们的生产方法是已知的，例如在美国专利5,545,829，5,567,776和5,567,777，欧洲专利申请203,799，355,682，485,893和503,422，这些参考文献均全文包括于此供参考。优选的此类环烯烃共聚物是通式如下的无规共聚物：其中，R1-R3各自独立地是H，C1-8脂族或脂环族基团；R4-R13各自独立地是H，C1-10烷基、环烷基、芳基、C3-10亚烷基、C3-10环烯基；X+Y＝1，以及X＝0.05-0.9。优选R1-R3是H或C1-7脂族基团；R4-R13是H；X是0.4-0.6以及Y是0.6-0.4。最优选R1-R13是H以及X与Y各为0.5。这类聚合物的玻璃化转变温度(Tg)为约77℃-315℃。为便于注塑成形，优选Tg为约77℃-110℃。
最优选的这类环烯烃共聚物是可购自Ticona Polymers(原名Hoechst)的商品名为TOPAS的聚合物。在TOPAS聚合物类中，最优选是乙烯与降冰片烯反应产物的那些无规共聚物。
对于用来制造本发明模具的至少两个不同的模具部件，其它优选的材料组合包括：
          前(凹)                  后(凸)
        TOPAS聚合物                聚丙烯
        TOPAS聚合物                聚苯乙烯
        TOPAS聚合物                聚乙烯
        聚苯乙烯                   聚丙烯
        聚苯乙烯                   聚乙烯
但是，作为一般规则，模具部件的其它组合将提供本发明的优点，只要它们具有上述不同表面能的特性即可。
虽然不大优选，但也可以用多层结构来制造表面能显著不同的模具部件。在这种结构中，模具本体由一种材料制造，而其表面包含一层具有所需表面能的不同材料。这种模具可以从模具部件的组合制成，其中，一个部件由聚酰胺制成，表面涂有聚丙烯，而另一个模具部件由乙烯-降冰片烯共聚物制成。优选这类材料用合适的连结层以共挤出工艺制造。或者也可以从由金属、陶瓷和其它材料制成的一个或多个模具部件加工成一副模具，只要一个模具的表面能与成形透镜在其中与之接触的另一个模具部件的有足够大的差别即可。
优选至少一个模具部件由一种对紫外光或可见光透明的材料制成。这有利于透镜材料固化的优选方法：通过光引发以促进软隐形眼镜后续聚合。关于这一点，无定形聚合物如无规立构聚苯乙烯一般都非常适用。模具部件的设计要使厚度(典型值为0.8mm)和刚度能有效地迅速传输热量并承受脱模期间为从模具上分开模具部件而施加的撬力。
眼科透镜用本领域内技术人员熟知的各种技术在本发明的模具内制造。一般地说，这些方法仅简单地包括从模具部件形成一副模具，将眼科透镜成形混合物注射进该模具的模腔，把透镜成形混合物固化成透镜，例如通过暴露在紫外光辐照中，脱模，使透镜仅成形在模具的一部分上，水合已成形的透镜，精加工并包装由此形成的透镜。该工艺的进一步描述可以见诸于授予Larsen的美国专利4,495,313，授予Larsen的4,565,348，授予Larsen等人的4,640,489，授予Larsen等人的4,680,336，授予Larsen等人的4,889,664以及授予Larsen等人的5,039,459，这些内容全包括于些供参考。
值得指出的是，在这些工艺中，脱模过程一般需要分开模具部件。在一种脱模技术中，要加热后曲面透镜模以产生加热模聚合物相对于较冷的透镜聚合物的膨胀差，从而使一个面相对于另一个面发生移动。由此产生的剪切力破坏聚合透镜/聚合物模具之间的粘附性并有助于分开模具部件。模具部件表面间的温度梯度越大，则剪切力越大，模具部件的分开越容易。当存在最大的温度梯度时，这一作用最大。随时间的推移，热量通过传导从后模件进入透镜聚合物再到前模具部件，然后全部散失在周围环境中。因此，加热的后模具部件要迅速取下，以使极少能量能转移到聚合物透镜，从而避免透镜热分解的可能性。加热可以本领域内技术人员熟知的技术实行，如蒸汽、激光等。激光脱模法在授予Ross等人的美国专利5,294,379中已有所述，其内容包括于此供参考。
如果加热步骤是热空气或蒸汽，则在加热步骤后，要把模具组件中的后曲面撬离前曲面。另一方面，如果加热方法是激光或红外能量，则不用撬力后曲面就会立即与前曲面分开。
后曲面模部件也可以人力撬离眼科透镜的前曲面部分以便人工暴露各位于透镜模内的眼科透镜，输送到水合站进行透镜的水合。
当模具按本发明由表面能明显不同的部件构成时，已成形但因包含掉屑或边缘撕裂或孔洞，即在浇注透镜中心的空穴等缺陷而没有用的透镜数大大减少了。例如，当前曲面透镜模部件由乙烯-降冰片烯的共聚物组成而后曲面透镜模具部件由聚丙烯组成时，在透镜的模具部件之间的撬力作用下，正如脱模期间发生，透镜将更容易从凸模部件上滑下来。
本发明还要用以下非限定实施例作进一步解释。实施例1(模具部件制造)
隐形眼镜模具在NETSTAL注塑机上注塑成形。生产如美国专利4,640,489所述的标准8腔型模具。前曲面半模用购自Hoecsht(现名Ticona Polymers)的乙烯-降冰片烯净“TOPAS”共聚物注塑成形。模塑条件是温度约104℃，注射压力约632kg/cm2，螺杆转速约150rpm。后曲面半模由购自Exxon Chemical公司商品名为“ESCORENEPP-EXXON PP1105”的无规立构聚苯乙烯和购自Huntsman Chemical公司商品名为“HUNTSMAN PS-202”的聚苯乙烯制成。
模具部件的表面能用Zisman表面能概念确定如下。制备每个宽4.5mm厚3mm框式样品并用一系列表面张力不同的检测液和一台CahnDCA 315仪器作前进接触角对表面张力的曲线。
对于同系列液体，每个样品的前进角是表面张力的线性函数。将每条直线外推到零接触角，得到临界表面张力，它等于给定样品的表面张力。
将框式样品在每一种检测液水(γ＝72.8mN/m)、甘油(γ＝63.4mN/m)、乙二醇(γ＝47.7mN/m)和苄基醇(γ＝39.0mN/m)中循环检测一遍。在每一检测液中取3个样品的平均值得到前进角数据。结果示于表1。
                    表1
    框式样品     表面能mN/m     均方差
  ToPas聚合物     35.86     0.9554
    聚苯乙烯     33.22     0.9448
    聚丙烯     26.64     0.9102
实施例2(透镜生产)
模具组件按美国专利4,640,489从按照实施例1所制模具部件的不同组合加工而成。模具A是具有一个由TOPAS共聚物制成的前曲面半模和一个由聚丙烯制成的后曲面半模的模具组件。
眼科透镜成形混合物由组合下列物质制成(所有的量均以组合物总重量的重量百分数计算)：大分子单体(～18％)；Si7-9单甲基丙烯酰氧基封端的聚二甲基硅氧烷(～28％)；甲基丙烯酰氧基丙基三(三甲基硅氧基)硅烷，“TRIS”(～14％)；二甲基酰胺，“DMA”(～26％)；羟基乙基甲基丙烯酸“HEMA”(～5％)；三甘醇二甲基丙烯酸酯，“TEGDMA”(～1％)；聚乙烯基吡咯烷酮，“PVP”(～5％)；其余的包含少量添加剂和光引发剂。大分子单体由约19.1mol甲基丙烯酸2-羟基乙基酯，2.8mol甲基丙烯酸甲酯，7.9mol甲基丙烯酰氧基丙基三(三甲基硅氧基)硅烷和3.3mol单甲基丙烯酰氧基丙基和单丁基封端的聚二甲基硅氧烷通过基团转移聚合(GTP)制备。大分子单体由每mol上述材料与2.0mol 3-异丙烯基-α，α-二甲基苄基异氧酸酯以二月桂酸二丁基锡为催化剂的反应而成。
然后将成镜溶液泵进每个如上所述的模具。为此，当框架在计量终端时，由8个分别控制的计量泵把单体输过8根管道，管道直接在8个前曲面框式模腔上终止。然后在氮气清扫下进行聚合并用5mW/c：m-2的紫外光进行光引发，紫外光由Andover公司生产的420PS10-25AM39565-02光过滤器产生。隐形眼镜在模内成形。然后用红外(IR)脱模机把模具撬开。将粘着透镜的模具部件浸在60∶40异丙醇/去离子水溶液中以水合该透镜，然后透镜从它们粘着的模具部件上脱下来，并在一台改性显微读数仪(DL-2)上以13倍进行检验。
IR脱模机把基曲面抬起并废弃之。任何粘着在各自基曲面上的透镜也要废弃。因透镜粘着在基面上的脱模而造成的损耗率从加工模腔数的约50％降到约5％。而且在脱模周期中，透镜的一部分可能仍粘着在基曲面上，而另一部分仍粘着在前曲面上，造成透镜的明显畸变和撕裂。这类损伤事件从所有加工模腔的10-15％降到约0％。下表给出了两批在TOPAS聚合物模具对上使用TOPAS聚合物的缺陷率与两批在TOPAS聚合物前曲面和聚丙烯基曲面上使用TOPAS聚合物的缺陷率的比较(全都有相同的边缘设计)。
批次                    1         2         3         4
模具对                  T/T       T/T       T/P       T/P
脱模和后续工艺中
的透镜损失率            68％      42％      11％      4％
熔潭                    2.4％     18.8％    1.3％     0.0％
过量                    3.5％     4.8％     24.4％    18.2％
孔洞                    18.3％    33.9％    33.3％    55.8％
边缘掉屑                21.0％    51.6％    1.3％     6.5％
边缘撕裂                42.9％    37.4％    14.1％    2.6％
表面撕裂          0.8％    1.3％    0.0％    0.0％
不完整透镜        4.4％    3.8％    1.3％    3.0％在更近期的批次中，孔洞缺陷率一般都小于5％，过量缺陷率一般小于10％。掉屑缺陷率为10-20％，以及边缘撕裂缺陷率一般小于10％。

Claims (15)

1.一种制造眼科透镜的方法，包括：使成镜混合物在模具内反应形成聚合物，从模具中脱模该聚合物以及将该聚合物加工成透镜成品；其中，所述模具包含至少两个部件，一个具有用来将所述聚合物成形为所述透镜一部分的表面的第一部件和一个具有用来将所述聚合物成形为所述透镜一部分的表面的第二部件；所述第一部件由表面能不同于所述第二部件的材料制成。
2.权利要求1的方法，其中用来成形第一部件的聚合物与用来成形第二部件的聚合物的表面能相差至少为约1.0mN/m。
3.权利要求1的方法，其中用来成形第一部件的聚合物与用来成形第二部件的聚合物的表面能相差至少为约9.0mN/m。
4.权利要求1的方法，其中所述第一部件由选自下列的聚合物制成：聚苯乙烯、聚丙烯和聚乙烯，以及所述第二部件由选自下列的聚合物制成：环烯烃共聚物和聚苯乙烯。
5.权利要求1的方法，其中，用来制造所述部件中至少一个部件的聚合物是无定形的。
6.权利要求1的方法，其中，用来制造所述部件中至少两个部件的聚合物是无定形的。
7.一种制造眼科透镜的模具，它包含至少两个部件，一个具有用来将所述聚合物成形为所述透镜一部分的表面的第一部件和一个具有用来将所述聚合物成形为所述透镜一部分的表面的第二部件；所述第一部件由表面能不同于所述第二部件的材料制成。
8.一个眼科透镜模具，它包含至少两个部件，一个具有用来成形为所述透镜一部分的表面的第一部件和一个具有用来成形为所述透镜一部分的表面的第二部件；所述第一部件由表面能不同于所述第二部件的材料制成；其中，所述第一部件与第二部件的组合在其间形成一个模腔，用来由其间的眼科透镜形成混合物的反应形成所述的眼科透镜。
9.权利要求8的模具，其中用来成形第一部件的材料与用来成形第二部件的材料的表面能相差至少约1.0mN/m。
10.权利要求8的模具，其中用来成形第一部件的材料与用来成形第二部件的材料的表面能相差至少约9.0mN/m。
11.权利要求8的模具，其中，所述第一部件由选自下列的材料制成：聚苯乙烯、聚丙烯和聚乙烯，以及所述第二部件由选自下列的聚合物制成：环烯烃共聚物和聚苯乙烯。
12.权利要求8的模具，其中，用来制造所述部件中至少一个部件的聚合物是无定形聚合物。
13.权利要求8的模具，其中，用来制造所述部件中至少两个部件的聚合物是无定形聚合物。
14.权利要求8的模具，其中，模塑零件粘附在凸模表面的趋势减少了。
15.权利要求8的模具，其中，所述第一部件或所述第二部件还包含通式如下的聚合物其中，R1-R3各自独立地是H，C1-8脂族或脂环族基团；R4-R13各自独立地是H，C1-10烷基、环烷基、芳基、C3-10亚烷基、C3-10环烯基；X+Y＝1，以及X＝0.05-0.9。
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