DE102016113825A1

DE102016113825A1 - Verfahren zum chemischen Vorspannen eines zylindrischen Glas-Halbzeugs oder Glas-Behälters durch ein feldunterstütztes Ionenaustauschverfahren sowie Glasbehälter oder zylindrisches Glas-Halbzeug und Verwendung hiervon

Info

Publication number: DE102016113825A1
Application number: DE102016113825.8A
Authority: DE
Inventors: Edgar Pawlowski; Wolfram Beier
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott Pharma AG and Co KGaA
Priority date: 2016-07-27
Filing date: 2016-07-27
Publication date: 2018-02-01

Abstract

Bei einem Verfahren zum chemischen Vorspannen eines zylindrischen Glas-Halbzeugs, insbesondere eines Glasrohrs, oder eines Glas-Behälters zur Ausbildung von Primärpackmitteln für pharmazeutische Zwecke durch Ionenaustausch, wird das Glas-Halbzeug oder der Glas-Behälter in ein Salzbad, insbesondere in ein Kaliumsalzbad, eingebracht und wird ein feldunterstützte Ionenaustausch unter Einwirkung eines elektrischen Feldes bewirkt, wobei das elektrische Feld in dem Salzbad (3) mittels einer Innenelektrode (52) innerhalb des Glas-Halbzeugs oder Glas-Behälters (30) und einer Außenelektrode (60) außerhalb des Glas-Halbzeugs oder Glas-Behälters (30) angelegt wird. Erfindungsgemäß kann die Geometrie und die Anordnung von Innen- und Außenelektrode in einfacher Weise auf die Geometrie und die Abmessungen des Glas-Halbzeugs oder Glas-Behälters abgestimmt werden. Dadurch können erfindungsgemäß optimierte Interdiffusionsprofile im Glasinneren und damit erhöhte Festigkeiten in allen relevanten Partien der Glasprodukte erreicht werden, insbesondere im Bereich von verengten oder verbreiterten Abschnitten oder Rändern oder Böden der Behälter. Während des feldunterstützten Ionenaustauschs kann eine Strömung in dem Salzbad ausgebildet vorherrschen, um einer Anreicherung von Ionen, insbesondere Na-Ionen, auf oberflächennahen Abschnitten der Glas-Halbzeuge oder Glas-Behälter aufgrund der Strömung entgegenzuwirken.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum chemischen Vorspannen eines zylindrischen Glas-Halbzeugs oder Glas-Behälters durch ein feldunterstütztes Ionenaustauschverfahren und betrifft weiter Glasbehälter oder zylindrische Glas-Halbzeuge sowie deren Verwendung als Primärpackmittel für pharmazeutische Zwecke
STAND DER TECHNIK
Glasbehältnisse oder Primärpackmittel für pharmazeutische Zwecke stehen in der Regel in direktem Kontakt mit einem enthaltenen Arzneimittel und unterliegen daher strengen Anforderungen. Diese sollen daher so beschaffen sein, dass möglichst keine physikalischen oder chemischen Einwirkungen auf den Inhalt auftreten. Die Qualität des Inhalts darf durch den direkten Kontakt mit dem Behältnis oder Primärpackmittel nicht so verändert werden, dass gesetzlich geforderte Grenzwerte überschritten werden. In jedem Fall muss sichergestellt sein, dass das Glasmaterial keine Substanzen in Mengen abgibt, die die Stabilität des Arzneimittels beeinträchtigen oder gar toxisch für den Anwender sein könnten.
An heutige Glaspharmapackmittel werden weiterhin sehr hohe Anforderungen zur Festigkeit und zur hydrolytischen Beständigkeit gestellt. Der Bruch von Glasverpackungen kann während des Transportes und/oder beim Prozessieren (z.B. Abfüllen) vereinzelt auftreten. Als besonders kritisch sind durchgehende Risse anzusehen, die die Sterilität der Behälter beeinträchtigen und die Kontamination der Arzneimittel begünstigen. Durch den Bruch und die Rissbildung entstehen extrem hohe Kosten, weil ganze Chargen gesperrt werden müssen.
Eine mechanische Spannung in Glas geht einher mit einer elastischen Verformung. Diese elastische Verformung entspricht einer Speicherung von Energie im Volumen des Glases. Insbesondere durch Zugspannungen eingebrachte Energie kann dann durch die Bildung von Rissen in der Glasoberfläche abgebaut werden. Eine niedrige zentrale Zugspannung im Glasinneren (CT: central tension), also niedrige Triebkraft für Sprödbruch, führt daher auch zu einem geringeren Risiko für Bruch.
Weiterhin sind auch Druck- und/oder Zugspannungsspitzen im Glasbehälter zu vermeiden. Eine homogene Spannungsverteilung über die Behältergeometrie ist daher in der Regel von Vorteil.
Darüber hinaus sollten Pharmaprimärpackmittel aus Glas chemisch beständig gegen Auslaugungen durch flüssige Arzneien und gegenüber der Freisetzung von Glasbestandteilen in die Arznei sein. Da es sich hierbei um Oberflächeneffekte handelt, reicht es aus, nur die Glasoberfläche zu modifizieren. Bei den Freisetzungen von Glasbestandteilen ist insbesonders die Al-Abgabe kritisch, weil die Aufnahme von Aluminium die Entwicklung der charakteristischen Betaamyloid-Plaques und damit Alzheimer begünstigen soll.
WO 2013130721 A1 offenbart einen chemisch vorgespannten Glasbehälter, mit eine Druckspannung in oberflächennahen Bereichen und Zugspannung im Volumen der Behälterwand, wobei die Zugspannung größer oder gleich 15 MPa ist, um die Bruchgefahr zu minimieren. Die genannte Prozesszeit liegt hier bei 4h. Für Fiolax^® werden Prozesszeiten von 20 h benötigt.
WO 2016025144 A1 offenbart einen Träger zum Aufnehmen von Glasbehältern bei einem Ionenaustausch-Prozess.
US 20100047521 A1 , US 8168295 B2 , US 6333285 B1 und US 6516634 B1 offenbaren Glaszusammensetzungen mit reduzierter Rissbildung.
Aus dem Stand der Technik sind weiterhin feldunterstützte Ionenaustauschverfahren zum chemischen Vorspannen bekannt. Diese werden jedoch an Flachglas oder flächigen Glassubstraten ausgeführt und tragen nicht einer komplizierteren Geometrie von Glas-Halbzeugen oder Glasbehältern Rechnung, wie diese insbesondere zur Ausbildung von Primärpackmitteln für pharmazeutische Zwecke erforderlich sind. Dort können insbesondere an Stellen mit geringem oder variablem oder großem Krümmungsradius, an geschlossenen Bodenabschnitten und/oder an Stellen mit unterschiedlichen Dicken unerwünschte Spannungsüberhöhungen und auch zu geringe mechanische Druckspannungen auftreten.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum chemischen Vorspannen eines zylindrischen Glas-Halbzeugs, insbesondere eines Glasrohrs, oder eines Glas-Behälters zur Ausbildung von Primärpackmitteln für pharmazeutische Zwecke durch Ionenaustausch bereitzustellen, womit sich insbesondere eine Rissbildung weiter reduzieren lässt und eine hohe Festigkeit bei hoher hydrolytischer Beständigkeit erzielen lässt. Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt sollen ein verbesserter Glasbehälter oder ein verbessertes zylindrisches Glas-Halbzeug sowie Verwendungen hiervon bereitgestellt werden.
Diese Aufgaben werden gemäß der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren zum chemischen Vorspannen eines zylindrischen Glas-Halbzeugs, insbesondere eines Glasrohrs, oder eines Glas-Behälters nach Anspruch 1, durch einen Glasbehälter oder ein zylindrisches Glas-Halbzeug nach Anspruch 21 sowie durch die Verwendungen nach Anspruch 29 oder 30 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der rückbezogenen Unteransprüche.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum chemischen Vorspannen eines zylindrischen Glas-Halbzeugs, insbesondere eines Glasrohrs, oder eines Glas-Behälters zur Ausbildung von Primärpackmitteln für pharmazeutische Zwecke durch Ionenaustausch bereitgestellt, mit den folgenden Schritten: Einbringen des Glas-Halbzeugs oder Glas-Behälters in ein Salzbad, insbesondere in ein Kaliumsalzbad; und Bewirken eines feldunterstützten Ionenaustauschs in dem Salzbad, insbesondere Kaliumsalzbad, unter Einwirkung eines elektrischen Feldes; wobei das elektrische Feld in dem Salzbad, insbesondere Kaliumsalzbad, mittels einer Innenelektrode innerhalb des Glas-Halbzeugs oder Glas-Behälters und einer Außenelektrode außerhalb des Glas-Halbzeugs oder Glas-Behälters angelegt wird.
Die verwendeten Gläser können dabei folgende Zusammensetzungen in Gew.-% und z.T. auch in Mol% auf Oxidbasis haben:
Erfindungsgemäß kann durch den feldunterstützten Ionenaustausch die Prozesszeit mindestens um den Faktor 10 gegenüber einem konventionellen Ionenaustausch verringert werden. Eine geringe Austauschtiefe (z.B. 1–5 µm) verbessert überwiegend die hydrolytische Beständigkeit, während eine höhere Austauschtiefe (z.B. 5–50 µm) zusätzlich die mechanische Beständigkeit erhöht. Die gemessene Zugspannung im Glasinneren (CT; "central tension") liegt erfindungsgemäß unter 10 MPa. Dies führt überraschenderweise zu einer Erhöhung der Bruchfestigkeit.
Die Elektrodengeometrie und die Elektrodenanordnung von Innen- und Außenelektrode können in einfacher Weise geeignet angepasst werden, insbesondere auf die Geometrie und die Abmessungen des Glas-Halbzeugs oder Glas-Behälters abgestimmt werden. Dadurch können erfindungsgemäß optimierte Interdiffusionsprofile im Glasinneren und somit erhöhte Festigkeiten in allen relevanten Abschnitten der Glasprodukte erreicht werden. Als Elektrodenmaterial ist Platin besonders geeignet.
Während herkömmlich beim Ionenaustausch bei Glas-Halbzeugen oder Glasbehältern mit komplizierter Geometrie, beispielsweise bei Fläschchen (Vials) für pharmazeutische Zwecke, Spannungsüberhöhungen und auch zu geringe mechanische Druckspannungen an Stellen mit geringem oder variablem oder großem Krümmungsradius, im Bereich des Bodens und/oder an Stellen mit unterschiedlichen Dicken auftreten, können solche Variationen erfindungsgemäß durch geeignete Auslegung der Elektrodengeometrie und Elektrodenanordnung von Innen- und Außenelektrode in einfacher Weise gezielt kompensiert werden. Insbesondere können Verlauf und Stärke des elektrischen Feldes durch geeignete Auslegung der Elektrodengeometrie und Elektrodenanordnung gezielt auf die Geometrie des Glas-Halbzeugs oder Glas-Behälters abgestimmt werden, um für homogenere Prozessbedingungen während des feldunterstützen Ionenaustauschs zu sorgen. Insbesondere kann erfindungsgemäß durch geeignete Auslegung der Elektrodengeometrie und Elektrodenanordnung gewährleistet werden, dass das elektrische Feld unter einem im Wesentlichen konstanten vorbestimmten Winkel die Wandung des Glas-Halbzeugs oder Glas-Behälters durchtritt. Insbesondere kann die Elektrodengeometrie und Elektrodenanordnung erfindungsgemäß so gewählt werden, dass dieser Winkel im Wesentlichen 90 Grad über die gesamte Wandung des Glas-Halbzeugs oder Glas-Behälters beträgt. Allenfalls in gekrümmt ausgebildeten Bereichen oder im Bereich von Ecken oder Kanten des Glas-Halbzeugs oder Glas-Behälters kann dieser Winkel von dem vorbestimmten Winkel abweichen, wobei die Abweichung bevorzugt weniger als etwa 30 Grad beträgt, bevorzugter weniger als etwa 20 Grad beträgt.
Gemäß weiteren Ausführungsformen wird durch geeignete Auslegung der Elektrodengeometrie und Elektrodenanordnung gewährleistet, dass die durch den feldunterstützten Ionenaustausch bewirkte chemische Verfestigung bzw. chemische Vorspannung des Glases überall an dem Glas-Halbzeug oder Glasbehälter im Wesentlichen gleich groß ist oder an bestimmten Abschnitten, beispielsweise im Bereich eines geschlossenen Bodens eines Behälters (z.B. Fläschchen) oder im Bereich einer Verengung oder Verbreiterung des Querschnitts oder einer Mündung, besonders groß oder besonders klein ist.
Als Primärpackmittel im Sinne der vorliegenden Anmeldung seien insbesondere Glasfläschchen (Vials), Glaskarpulen (cartridges), Glasspritzenkörper (syringes) und andere Glasbehälter verstanden. Als Glas-Halbzeug im Sinne der vorliegenden Anmeldung seien insbesondere Rohre oder Rohrkörper verstanden, auch solche mit komplizierterer Geometrie, beispielsweise auch mit nicht kreisrunden Querschnitten, insbesondere mit ovalem Querschnitt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Form der Innenelektrode und/oder der Außenelektrode zumindest abschnittsweise an die Geometrie des Glas-Halbzeugs oder Glas-Behälters angepasst. So kann/können die Innenelektrode und/oder der Außenelektrode beispielsweise so ausgebildet sein, dass diese sich zumindest abschnittsweise unter einem konstanten Abstand zur Innen- bzw. Außenoberfläche des Glas-Halbzeugs oder Glas-Behälters erstreckt/erstrecken, wodurch eine konstante Feldstärke auf der Innen- bzw. Außenoberfläche erzielt werden kann und somit konstante Bedingungen während des feldunterstützen Ionenaustauschs erzielt werden können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Innenelektrode einen elektrisch leitenden Schaft auf, der zentriert innerhalb des Glas-Halbzeugs oder Glas-Behälters angeordnet ist und sich entlang der Längsachse des zylindrischen Glas-Halbzeugs oder Glas-Behälters erstreckt, wobei entlang des Schafts zumindest ein in Radialrichtung verbreiterter Abschnitt vorgesehen ist. Bei der bevorzugt zugrunde gelegten, zumindest abschnittsweise vorherrschenden Axialsymmetrie des Glas-Halbzeugs oder Glas-Behälters sorgt der Schaft im Zusammenwirken mit der Außenelektrode für eine konstante elektrische Feldstärke auf der Innenoberfläche des Glas-Halbzeugs oder Glas-Behälters. Mit dem in Radialrichtung verbreiterten Abschnitt lassen sich zumindest näherungsweise bei Abschnitten des Glas-Halbzeugs oder Glas-Behälters, die von dieser Axialsymmetrie abweichen, beispielsweise am Boden eines Fläschchens oder im Bereich eines verengten Halsabschnitts eines Fläschchens, ebenfalls eine konstante elektrische Feldstärke auf der Innenoberfläche des Glas-Halbzeugs oder Glas-Behälters realisieren. Dies führt erfindungsgemäß zu noch homogeneren Bedingungen während des feldunterstützen Ionenaustauschs. Diese Überlegungen gelten auch, wenn das Glas-Halbzeug oder der Glas-Behälter nicht einen axialsymmetrischen Querschnitt aufweist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Außenelektrode auf der Außenseite des Glas-Halbzeugs oder Glas-Behälters zumindest abschnittsweise als zylindrischer Käfig ausgebildet, der konzentrisch und unter einem konstanten Abstand zum zylindrischen Glas-Halbzeug oder Glas-Behälter angeordnet ist. Damit lässt sich zumindest abschnittsweise eine konstante elektrische Feldstärke auch auf der Außenoberfläche des Glas-Halbzeugs oder Glas-Behälters realisieren, was zu noch homogeneren Bedingungen während des feldunterstützen Ionenaustauschs führt. Der zylindrische Käfig kann dabei grundsätzlich durchbrechungsfrei ausgebildet sein, weist jedoch gemäß einer bevorzugten Ausführungsform Durchbrechungen auf, um einem Aufbau von unerwünschten Konzentrationsgradienten in der Kaliumschmelze entgegenzuwirken.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Außenelektrode an einem unteren Ende einen Boden auf, der korrespondierend zu einem geschlossenen Boden des Glas-Halbzeugs oder Glas-Behälters ausgebildet und unter einem konstanten Abstand zu diesem angeordnet ist. Auf diese Weise lässt sich insbesondere im Bereich des Bodens des Glas-Behälters eine konstante elektrische Feldstärke realisieren, was zu noch homogeneren Bedingungen während des feldunterstützen Ionenaustauschs auch in diesem Bereich führt.
Zur noch geeigneteren Anpassung der Geometrie der Außenelektrode an die Geometrie des Glas-Halbzeugs oder Glas-Behälters ist gemäß einer weiteren Ausführungsform entlang der Außenelektrode zumindest ein verengter Abschnitt und/oder zumindest ein verbreiterter Abschnitt und/oder zumindest ein sich schräg radial einwärts oder auswärts erstreckender Abschnitt vorgesehen, wobei dieser Abschnitt sich bevorzugt unter einem konstanten Abstand zur Außenoberfläche des Glas-Halbzeugs oder Glas-Behälters erstreckt. Dies führt insbesondere zu noch homogeneren Bedingungen während des feldunterstützen Ionenaustauschs auf der Außenoberfläche des Glas-Halbzeugs oder Glas-Behälters. Um das Einführen der Behälter zu erleichtern, kann die Außenelektrode z.B. aus zwei Hälften zusammengesetzt sein.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist die Innenelektrode zumindest abschnittsweise als leitende Beschichtung auf der Innenseite des Glas-Halbzeugs oder Glas-Behälters vorgesehen und/oder ist die Außenelektrode zumindest abschnittsweise als leitende Beschichtung auf der Außenseite des Glas-Halbzeugs oder Glas-Behälters vorgesehen, was sich insbesondere durch eine Metall- oder Metalloxid-Beschichtung, bevorzugt durch eine Indiumzinnoxid-Beschichtung (ITO), in einfacher Weise realisieren lässt. Dadurch kann eine optimale, da konturengenaue Anpassung der Geometrie der Innen- und/oder Außenelektrode an die Geometrie des Glas-Halbzeugs oder Glas-Behälters realisiert werden.
Ein noch rascherer und zuverlässigerer Ionenaustausch lässt sich gemäß einer weiteren Ausführungsform dadurch realisieren, dass die leitende Beschichtung porös ist. Insbesondere können Ionen dann durch die Poren der als Elektroden wirkenden Metall-Beschichtungen hindurch diffundieren, um die gewünschte chemische Verspannung des Glases zu bewirken. Durch die Einstellung der Porösität, insbesondere des mittleren Porendurchmessers, über einen Temperprozess, sowie der Dicke der leitenden Beschichtung kann die Diffusionskonstante für die zur chemischen Vorspannung hindurchtretenden Ionen geeignet eingestellt werden. Insbesondere kann durch geeignete Wahl des mittleren Porendurchmessers sowie anderer Eigenschaften der leitenden Beschichtung auch selektiv eine unterschiedliche Diffusionskonstante für unterschiedliche Ionentypen in dem elektrischen Feld realisiert werden, sodass das Interdiffusionsprofil im Glasinneren weiter gezielt variiert werden kann und damit erhöhte Festigkeiten in allen relevanten Abschnitten der Glasprodukte erreicht werden können.
Gemäß weiteren Ausführungsformen werden die Bedingungen bei dem feldunterstützten Ionenaustausch so gewählt, dass die Glasprodukte gezielt nur innen, nur außen oder innen und außen chemisch verfestigt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das elektrische Feld durch Anlegen einer Gleichspannung (DC) an die Innenelektrode und an die Außenelektrode erzeugt, wobei die Richtung des elektrischen Feldes während des feldunterstützten Ionenaustauschs zumindest auch umgekehrt werden kann. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass sich bei Feldumkehr netto Diffusionseffekte einstellen, weil im Realfall aufgrund der Feldunterstützung nicht nur K-Ionen eindiffundieren, sondern auch Na-Ionen heraus diffundieren und sich mit den K-Ionen im Salzbad vermischen. Also ist hinterher auf beiden Seiten der Glaswandung eine gewisse Menge Kalium vorhanden, insbesondere nur in sehr dünnen Schichten (einige µm). Dies führt zu einer weiteren deutlichen Verbesserung der chemischen Beständigkeit bei geringem Aufwand und kurzer Prozesszeit.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist dabei die Ionenaustauschzeit, wenn das elektrische Feld in eine erste Richtung zeigt, länger als die Ionenaustauschzeit, wenn das elektrische Feld nach einer Feldumkehr in eine zweite Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung zeigt. Dadurch kann netto die Einstellung eines Diffusionseffekts im Glasinneren gezielter unterstützt werden. Durch Einstellung der Ionenaustauschzeiten kann dabei das Diffusionsprofil gezielt eingestellt werden, wobei in jedem Fall die Gesamt-Prozesszeit bei dem erfindungsgemäßen feldunterstützten Ionenaustausch erheblich kürzer ist als bei herkömmlichen Ionenaustauschverfahren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird zum feldunterstützten Ionenaustausch die Richtung des elektrischen Feldes während des feldunterstützten Ionenaustauschs nur einmal umgekehrt, wobei die Temperatur des Kaliumsalzbads nach der Feldumkehr abgesenkt wird, wodurch sich unterschiedliche Diffusionskonstanten in den beiden Phasen des Ionenaustauschs und somit ein netto-Diffusionseffekt in einfacher Weise einstellen lässt. Alternativ ist es auch möglich, einen der beiden Schritte ganz ohne angelegtes elektrisches Feld ablaufen zu lassen, also der vor- oder nachgeschaltete Ionenaustausch würde dann rein thermisch erfolgen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der feldunterstützte Ionenaustausch nur lokal angewandt. Z.B. kann es bei einigen Ausführungsformen ausreichend sein, nur den Glasboden chemisch vorzuspannen, da dieser oft beim Prozessieren beschädigt wird.
Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform wird das elektrische Feld durch Anlegen einer Wechselspannung (AC) an die Innenelektrode und an die Außenelektrode erzeugt. Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass ein feldunterstützter Ionenaustausch in einer Kaliumsalzschmelze auch bei Anlegen einer Wechselspannung (AC) erzielt werden kann vergleichsweise kurz ist, beispielsweise höchstens etwa 10 min beträgt. Der Effekt ist, dass in der ersten Phase der Wechselspannung permanent auf der einen Seite der Glaswandung K-Ionen in das Glasinnere hinein gezwungen und auf der anderen Seite wieder hinaus gezwungen werden, danach während der zweiten Phase der Wechselspannung bei inverser Orientierung des elektrischen Feldes umgekehrt usw. Überraschenderweise hat sich herausgestellt, das sich auch so ein netto-Diffusionseffekt einstellen lässt, weil im Realfall nicht nur K-Ionen diffundieren, sondern auch Na-Ionen heraus diffundieren. Somit ist nach dem Ionenaustausch auf beiden Seiten der Glaswandung noch eine gewisse Menge Kalium vorhanden. Dies führt zu einer deutlichen Verbesserung der chemischen Beständigkeit bei geringem Aufwand und kurzer Prozesszeit. Die chemische Beständigkeit des Glases kann dabei weiter gesteigert werden durch Zugabe weiterer Ionen zur Kaliumsalzschmelze, insbesondere von weiteren Alkali- oder Erdalkali-Ionen, sodass dann sog. Misch-Alkali-Effekte oder Misch-Erdalkali-Effekte auftreten.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Mehrzahl von Glas-Halbzeugen oder Glas-Behältern in einen Träger eingebracht, beispielsweise in einen mit Durchgangsöffnungen versehenen Korb aus einem Edelstahl, und wird der feldunterstützte Ionenaustausch in dem Salzbad, insbesondere in dem Kaliumsalzbad, ausgeführt, während die Mehrzahl von Glas-Halbzeugen oder Glas-Behältern in diesem Träger angeordnet sind, wobei während des feldunterstützten Ionenaustauschs eine Strömung in dem Salzbad, insbesondere Kaliumsalzbad, ausgebildet wird, um einer Anreicherung von Ionen, insbesondere von Na-Ionen, auf oberflächennahen Abschnitten der Glas-Halbzeuge oder Glas-Behälter aufgrund der Strömung entgegenzuwirken. Somit kann an der Grenzfläche zwischen Salzbad, insbesondere Kaliumsalzbad, und Glasoberfläche stets ein optimaler Konzentrationsgradient realisiert werden, sodass die Geschwindigkeit des Ionenaustauschs wirkungsvoll erhöht werden kann und sich gewünschte Eindringtiefen und -profile noch zuverlässiger einstellen lassen. Die Strömung braucht dabei nicht notwendigerweise permanent ausgebildet werden. Ein intermittierendes Ausbilden einer geeigneten Strömung kann vielmehr ausreichend sein, was insbesondere von der Geometrie und den Prozessparametern während des Ionenaustauschs abhängig sein kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Strömung von mindestens einer Rührvorrichtung ausgebildet, die jeweils auf einer Außenseite der Mehrzahl von Glas-Halbzeugen oder Glas-Behälter angeordnet ist. Die Geschwindigkeit des Ionenaustauschs kann so auf der Außenseite der Behälter wirkungsvoll erhöht werden. Insbesondere lassen sich so gewünschte Eindringtiefen und -profile auf der Außenseite der Behälter zuverlässig einstellen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Strömung ergänzend oder alternativ von einer Mehrzahl von Rührvorrichtungen ausgebildet wird, die jeweils im Innenraum der Mehrzahl von Glas-Halbzeugen oder Glas-Behälter angeordnet sind. Die Geschwindigkeit des Ionenaustauschs kann so auch auf der Innenseite der Behälter wirkungsvoll erhöht werden. Insbesondere lassen sich so gewünschte Eindringtiefen und -profile auf der Innenseite der Behälter zuverlässig einstellen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die Rührvorrichtungen jeweils ein hohles Rohr auf, über das eine Füllung und/oder Entleerung der Glas-Halbzeuge oder Glas-Behälter mit der Salzschmelze, insbesondere Kaliumsalzschmelze, erfolgt, wobei das Rohr gleichzeitig auch als Innenelektrode während des feldunterstützten Ionenaustauschs in dem Salzbad, insbesondere Kaliumsalzbad, verwendet wird. Hierzu ist das Rohr aus einem elektrisch leitenden Material ausgebildet oder mit einem solchen Material zumindest beschichtet. Durch das permanente oder intermittierende Einströmen von frischer, noch unverbrauchter Salzschmelze, insbesondere Kaliumsalzschmelze, oder der Salzschmelze, insbesondere Kaliumsalzschmelze, von außerhalb in das Innere der Glas-Halbzeuge oder Glas-Behälter können dieselben Prozessbedingungen innerhalb und außerhalb der Glas-Halbzeuge oder Glas-Behälter eingestellt werden und kann einer Anreicherung von Ionen, insbesondere von Na-Ionen, auf oberflächennahen Abschnitten der Glas-Halbzeuge oder Glas-Behälter weiter entgegengewirkt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Strömung in der Salzschmelze, insbesondere Kaliumsalzschmelze, mittels der zumindest einen Rührvorrichtung so ausgebildet, dass die Strömung zumindest abschnittsweise tangential zu einer Außen- und/oder Innenoberfläche der Mehrzahl von Glas-Halbzeugen oder Glas-Behälter verläuft, sodass eine frische, unverbrauchte Ionenkonzentration an der Grenzfläche zwischen Salzbad und Glasoberfläche wirkungsvoll eingestellt werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthält das Schmelzenbad, insbesondere Kaliumsalzbad, Salze, insbesondere Kaliumsalze (KNO₃), mit einem Anteil von mindestens 95 Gew.-%.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt der Ionenaustausch bei einer Temperatur zwischen 400°C und 550°C, bevorzugt zwischen 450 °C und 500 °C, besonders bevorzugt bei höchstens 500°C.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Glasbehälter oder ein zylindrisches Glas-Halbzeug bereitgestellt, hergestellt aus einem chemisch vorgespannten Glas, das gekennzeichnet ist durch einen Übergang im Interdiffusionsprofil, der angenähert einen rechteckigen Verlauf hat, wobei die Breite des Übergangs im Interdiffusionsprofil weniger als 0,4·DoL beträgt, bevorzugt im Bereich zwischen 0,2·DoL und 0,4·DoL liegt, und noch bevorzugter im Bereich zwischen 0,1·DoL und 0,2·DoL liegt, wobei DoL die Druckspannungstiefe ist (DoL: depth of layer). Bei den Proben, die dem Ionenaustauschprozess unterzogen wurden, wurde die maximale Oberflächenspannung (CS: compressive stress) und die Tiefe der Druckspannungszone (DOL: depth of layer), mit Hilfe eines Grundspannungsmessgerätes FSM 6000 (FSM: fundamental stress meter) bestimmt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform liegt die Austauschtiefe im Glas im Bereich zwischen 1 μm und 50 μm, bevorzugter im Bereich zwischen 5 μm und 50 μm und noch bevorzugter im Bereich zwischen 20 μm und 40 μm.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform hat der innere Berstdruck des Glasbehälters oder zylindrischen Glas-Halbzeugs, bei einer kumulierten Ausfallwahrscheinlichkeit von 1%, einen Wert von mindestens 75 bar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform beträgt die Summe der Natrium-, Kalium- und Aluminiumabgabe, entsprechend ISO4802-2, weniger als 0,2 µg/cm² Glasoberfläche.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform beträgt die Aluminiumabgabe, entsprechend ISO4802-2, weniger als 0,1 µg/cm² Glasoberfläche.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform liegt die Wandstärke des Glasbehälters oder zylindrischen Glas-Halbzeugs im Bereich von 0,7 und 2,5 mm.
Ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung eines zylindrischen Glas-Halbzeugs, wie vorstehend ausgeführt, zur Herstellung von Pharmaprimärpackmitteln, insbesondere für wässrige oder wasserhaltige Arzneimittel.
Bevorzugt werden diese Glasbehälter zur Ausbildung von Pharmaprimärpackmitteln verwendet, insbesondere für wässrige oder wasserhaltige Arzneimittel.
FIGURENÜBERSICHT
Nachfolgend wird die Erfindung in beispielhafter Weise und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, woraus sich weitere Merkmale, Vorteile und zu lösende Aufgaben ergeben werden. Es zeigen:
1a–1d jeweils in einem schematischen Flussdiagramm ein Verfahren zum feldunterstützten Ionenaustausch gemäß der vorliegenden Erfindung;
2a eine Anordnung zum feldunterstützten Ionenaustausch gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Schnittansicht;
2b–2e weitere Anordnungen zum feldunterstützten Ionenaustausch gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Schnittansicht;
3a–3b eine Rührervorrichtung der Vorrichtung, die in der Anordnung gemäß der 2e eingesetzt wird, in einer schematischen Draufsicht sowie in einer stark vergrößerten Seitenansicht;
3 den Spannungsverlauf in Glas nach chemischer Vorspannung gemäß der vorliegenden Erfindung;
4a simulierte Ionenprofile für den feldunterstützten Ionenaustausch gemäß der vorliegenden Erfindung;
4b die Ionenkonzentration in Abhängigkeit von der Tiefe für den feldunterstützten Ionenaustausch gemäß der vorliegenden Erfindung;
5 einen schematischen Aufbau zur Messung der Druckfestigkeit von Karpulen;
6 Messergebnisse der Druckfestigkeit für normale (Reference) und gemäß der vorliegenden Erfindung chemisch vorgespannte (toughened) Karpulen aus einem Glas der Glaszusammensetzung A1;
7a die Berechnung des extrahierten Na₂O-Gehalts in μg nach ISO 719 in Abhängigkeit der K₂O-Konzentration im Glas; und
7b die gemessene Alkalinität für ein Referenzglas und für drei Proben für ein nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung chemisch vorgespanntes Glas.
In den Figuren bezeichnen identische Bezugszeichen identische oder im Wesentlichen gleichwirkende Elemente oder Elementgruppen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Im Sinne der vorliegenden Anmeldung seien unter dem Begriff „zylindrisches Glas-Halbzeug“ zylindrische Glasrohre verstanden, die in einem der ersten Schritte im Herstellungsprozess von Pharmaprimärpackmitteln aus Glas entstehen und aus denen solche Pharmaprimärpackmittel anschließend unmittelbar hergestellt werden können, insbesondere durch geeignete Formgebung (beispielsweise Ausbildung von Karpulen-Köpfen (crimp-forming) oder durch Abschmelzen unter gleichzeitiger Bodenbildung. Im Sinne der vorliegenden Anmeldung seien als Glasbehälter zur Verwendung als Pharmaprimärpackmittel insbesondere Fläschchen, Karpulen, oder Spritzenkörper verstanden. Der nachfolgenden Beschreibung wird dabei zugrunde gelegt, dass der feldunterstützte Ionenaustausch in einem Kaliumsalzbad erfolgt, wenngleich die vorliegende Erfindung ausdrücklich nicht darauf beschränkt sein soll.
Die 1a zeigt in einem schematischen Flussdiagramm ein Verfahren zum Ionenaustausch gemäß der vorliegenden Erfindung. In dem Schritt S1 werden zunächst die Glasbehälter oder Glas-Halbzeuge (nachfolgend Behälter) in einen Ofen eingebracht und in diesem in dem Schritt S2 erwärmt, beispielsweise auf Temperaturen T_IONX von etwa bis 500 °C für mindestens 10 Minuten. Hierzu können diese in einen Einsatz eingebracht werden, beispielsweise in Edelstahlkörbe, sodass diese während der nachfolgenden Prozessschritte nicht mehr einzeln gehandhabt zu werden brauchen und beabstandet, ohne Glas zu Glaskontakt, zueinander angeordnet sind, wie nachfolgend ausgeführt. Anschließend werden die Behälter in ein heißes Kaliumsalzbad mit Hauptbestandteilen an KNO₃ eingebracht und während eines vorbestimmten Zeitraums darin belassen, sodass ein feldunterstützter Ionenaustauschprozess, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben, bei Temperaturen unterhalb von Tg abläuft. Die Behälter werden dazu in Kaliumsalzbädern, die vorzugsweise aus 100 Gew.-% bis mindestens 95 Gew.-% Kaliumsalzen bestehen, bei Badtemperaturen zwischen 400°C und 550 °C, bevorzugt zwischen 450 °C und 500 °C und besonders bevorzugt bei höchstens 500 °C getaucht. Nach Ablauf des vorbestimmten Zeitraums werden die Behälter abgekühlt (Schritt S4) und in dem Schritt S5 mit salzfreiem, entionisierten Wasser mehrfach gespült. Die Spülung kann innerhalb mehrerer Becken auch mit Ultraschallunterstützung und entionisierten Wasser stattfinden. Die Spülung kann auch mit Unterstützung von Ultraschall durchgeführt werden. Anschließend werden die Behälter getrocknet. Dies kann durch Blasen mit Stickstoff, durch IR-Strahlung, durch normale Thermotrocknung und/oder mit Unterdruck erfolgen (Schritt S6). Anschließend werden die Behälter den Edelstahlkörben entnommen (Schritt S8). Dies kann manuell oder mit Hilfe von mechanischen Greifern realisiert werden. Üblicherweise werden die Behälter nach der Entnahme optisch inspiziert und in einem Verpackungsgebilde verpackt.
Als Kaliumsalzbad können insbesondere die folgenden Salzbäder genutzt werden: a) KNO₃, b) KNO₃ + NaNO₃ (unter Ausnutzung des Mischalkali-Effekts), c) KNO₃ + NaNO₃ + XNO₃ mit X = NH₄, Rb, Cs, Li, .., d) KNO₃ + XNO₃ oder e) Varianten a) und d) zusätzlich mit Scavenger, beispielsweise Manganoxid, zum Binden von Verunreinigungen wie Ca des Na aus dem Glas zur Verminderung einer Schmelzvergiftung und/oder einer Degradation der Kaliumsalzschmelze.
Nach der Variante des Verfahrens gemäß der 1b werden in dem Schritt S1 Behälter, beispielsweise Fläschchen (Vials) oder Karpulen (cartridges), hergestellt und unmittelbar im Anschluss an deren Herstellung in dem Schritt S2 in einem Ofen kontrolliert auf Temperaturen von etwa 490°C abgekühlt. Anschließend erfolgen die Prozessschritte S3–S7, wie vorstehend beschrieben.
Nach der Variante des Verfahrens gemäß der 1c wird nach dem ersten feldunterstützten Ionenaustauschschritt S3a die Richtung des elektrischen Feldes für den zweiten feldunterstützten Ionenaustauschschritt S3b umgekehrt, wobei die Austauschzeit nach Feldumkehr in dem Schritt S3b bevorzugt kürzer ist als die Austauschzeit in dem Schritt S3a und/oder die Temperatur der Kaliumsalzschmelze in dem Ionenaustauschschritt S3b abgesenkt wird.
Alternativ ist es auch möglich, das elektrische Feld in einem der beiden Ionenaustauschschritte S3a und S3b ganz abzuschalten oder im Vergleich zu dem anderen Ionenaustauschschritt zumindest deutlich zu reduzieren (vor- oder nachgeschalteter rein thermischer oder im Wesentlichen rein thermischer Ionenaustausch).
Eine weitere alternative Variante des Verfahrens, wie in dem Flussdiagramm gemäß der 1d dargestellt, ist, dass der erste feldunterstützte Ionenaustauschschritt nur lokal an besonders exponierten Bereichen der Behälter, z.B. am Bodenbereich, durchgeführt wird und danach entweder nicht weiter oder thermisch oder mit Feldunterstützung komplett vorgespannt wird. Auch sind verschiedene Kombinationen denkbar. Eine hierfür ausgelegte Ausführungsform ist in der 2g abgebildet und wird nachfolgend ausführlicher beschrieben.
Überraschenderweise kann durch den feldunterstützten Ionenaustausch die Prozesszeit zumindest um den Faktor von ca. 10 gegenüber einem herkömmlichen rein thermischen Ionenaustausch verringert werden. Ferner lässt sich erfindungsgemäß auch eine sehr geringe Austauschtiefe, insbesondere im Bereich von etwa 1 µm bis etwa 5 µm, realisieren, wodurch überwiegend die hydrolytische Beständigkeit der Glasbehälter verbessert werden kann. Zusätzlich kann die mechanische Beständigkeit der Glasbehälter signifikant erhöht werden und es können natürlich auch Austauschtiefen bis ca. 100 µm erreicht werden..
Die 2a zeigt eine Anordnung zum feldunterstützten Ionenaustausch gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Schnittansicht. Gemäß der 2a sind die Behälter 30 in einem Träger (nicht gezeigt) so gehalten, dass die Behälter 30 mit ihren Böden unmittelbar auf einem Boden des Trägers aufrecht stehen und beabstandet zueinander angeordnet sind. Der Behälter 30 ist in eine Kaliumsalzschmelze 3 eingetaucht. Wie in der 2a gezeigt, kann der obere verbreiterte Rand 33 oberhalb der Oberfläche der Kaliumsalzschmelze 3 angeordnet sein, sodass die Kaliumsalzschmelze 3 nicht über die Befüllöffnung 34 in das Innere des Behälters 30 einströmen kann. Alternativ kann der Behälter 30 auch vollständig in die Kaliumsalzschmelze 3 eintauchen, dazu müssen aber die beiden Elektroden elektrisch voneinander isoliert werden, z.B. durch einen isolierenden Stopfen.
In das Innenvolumen des Behälters 30 ragt eine hohle Innenelektrode 52 ein, die mit einem Plus-Pol einer Spannungsversorgung 50 verbunden ist. Die Innenelektrode 52 ist zentrisch in dem zylindrischen Behälter 30 angeordnet und erstreckt sich in Axialrichtung des Behälters 30 entlang der Mittellinie. Über die hohle Innenelektrode 52 wird ein Teil der Kaliumsalzschmelze 3 auch in das Innere des Behälters 3 gepumpt bzw. wird die dort vorhandene Kaliumsalzschmelze 3 permanent oder intermittierend ausgetauscht und entweder durch frische, unverbrauchte Kaliumsalzschmelze oder durch einen Teil der Kaliumsalzschmelze 3 außerhalb des Behälters 30 ersetzt, um für konstante Konzentrationsverhältnisse auch im Innern des Behälters 3 zu sorgen.
Außerhalb des Behälters taucht eine hohlzylindrische Außenelektrode 60 in die Kaliumsalzschmelze 3 hinein, die mit dem negativen Pol der Spannungsversorgung 50 verbunden ist. Die Außenelektrode 60 erstreckt sich parallel zu der Innenelektrode 52 und taucht bevorzugt genauso weit in die Kaliumsalzschmelze 3 ein wie die Innenelektrode 52, sodass zwischen Innenelektrode 52 und Außenelektrode 60 ein homogenes elektrisches Feld ausgebildet wird. Wie man der 2a entnehmen kann, ist die Form der Innenelektrode 52 und/oder der Außenelektrode 60 zumindest abschnittsweise an die Geometrie des Behälters 30 angepasst, da sich beide Elektroden parallel zu der Seitenwand des zylindrischen Behälters 30 und unter einem konstanten Abstand erstrecken.
Abweichend zur 2a ist bei der Anordnung gemäß der 2b auch der Boden 31 des Behälters 30 von einem Abschnitt 64 der Außenelektrode 60 umgeben. Genauer gesagt ist am unteren Ende der Außenelektrode 60 und im Bereich des Übergangs zwischen der Seitenwand und dem Boden 31 des Behälters 30 ein abgeschrägter, radial einwärts verlaufender Abschnitt 63 vorgesehen, der in ein unteres Ende 64 übergeht, das sich im Wesentlichen parallel zum Boden 31 erstreckt, und insbesondere für den Fall, dass der Boden 31 des Behälters 30 gewölbt ausgebildet ist, ebenfalls korrespondierend hierzu gewölbt ausgebildet sein kann (in der 2b nicht dargestellt). Ferner folgt die Kontur der Außenelektrode 60 auch im oberen Bereich der Kontur des Behälters 30, die durch den Übergang zu dem verengten Halsabschnitt 32 und den Übergang zu dem verbreiterten oberen Rand 33 des Behälters 30 ausgebildet wird. Der Abstand zwischen den Abschnitten 33, 32, 31 bzw. der Seitenwand des Behälters 30 und den Abschnitten 62, 61, 60, 63, 64 der Außenelektrode 60 kann identisch sein. In jedem Fall verläuft der entsprechende umlaufende Abschnitt der Außenelektrode 60 parallel zum zugeordneten Abschnitt des Behälters 30.
Ferner sind bei dieser Ausführungsform an der Innenelektrode 52 sich radial auswärts erstreckende verbreiterte Abschnitte 53 vorgesehen, die elektrisch leitend mit der Innenelektrode 52 verbunden sind, um den Verlauf der elektrischen Feldlinien weiter geeignet zu beeinflussen und an die Geometrie des Behälters 60 und der Außenelektrode 62 anzupassen. So kann beispielsweise im Zusammenwirken des unteren verbreiterten Abschnitts 53 mit dem abgeschrägten Abschnitt 63 und dem Boden 64 der Außenelektrode 60 der Verlauf der elektrischen Feldlinien im Bereich des Bodens 31 des Behälters 30 geeignet beeinflusst werden, um in diesem Bereich gezielt für geeignete Prozessbedingungen zur chemischen Vorspannung des Glases zu sorgen. Weiter kann im Zusammenwirken des oberen verbreiterten Abschnitts 53 mit dem verengten oberen Abschnitt 61 und dem verbreiterten oberen Abschnitt 62 der Außenelektrode 60 der Verlauf der elektrischen Feldlinien im Bereich des verengten Halsabschnitts 32 und des oberen Rands 33 des Behälters 30 geeignet beeinflusst werden, um auch in diesem Bereich gezielt für geeignete Prozessbedingungen zur chemischen Vorspannung des Glases zu sorgen.
Abweichend zur 2b sind bei der Anordnung gemäß der 2c mehrere scheibenförmige, sich radial auswärts erstreckende Vorsprünge 54a–54c mit der Innenelektrode 52 verbunden, um den Feldlinienverlauf des elektrischen Feldes geeignet vorzugeben. Um die Innenelektrode 52 über die Befüllöffnung 34 in das Innere des Behälters 30 einführen zu können, können die Vorsprünge 54a–54c verstellbar an der Innenelektrode 52 gelagert sein. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Vorsprünge 54a–54c radial geschwenkt werden können.
Abweichend zur 2c soll die Anordnung gemäß der 2d einem feldunterstützten Ionenaustausch zur chemischen Vorspannung von Karpulen 30 dienen. Die Karpule 30 taucht dabei mit ihrem vorderen Ende und dem dort vorgesehenen verbreiterten Rand 33 und dem verengten Halsabschnitt 32 kopfüber in die Kaliumsalzschmelze 3 ein. Die Kontur der Außenelektrode folgt exakt der Kontur der Karpule 30.
Eine weitere Variante zur Ausführungsform nach der 2a ist in der 2f dargestellt. Gemäß der 2f ist die Außenelektrode 60 nur abschnittsweise lokal im Bereich des Bodens 31 des Fläschchens 30 angeordnet, wobei sich der zentrale Bereich der Außenelektrode 60 parallel zum Boden 31 erstreckt und Randbereiche der Außenelektrode 60 radial schräg aufwärts abragend enden.
Abweichend zur 2f ist bei der Anordnung nach der 2g eine weitere Außenelektrode 60‘ vorgesehen, die zylindrisch ausgebildet ist und sich unter konstantem Abstand zur Seitenwand des Fläschchens 30 erstreckt. Die beiden Außenelektroden 60, 60‘ sind elektrisch zueinander isoliert und jeweils mit einer zugeordneten Spannungsquelle 50 verbunden. Die beiden Außenelektroden 60, 60‘ werden in unterschiedlichen Zeitintervallen unabhängig voneinander mit einer Spannung beaufschlagt. Bei rein sequentiellem Betrieb können die beiden Spannungsquellen 50 auch als einzelne Spannungsquelle ausgeführt sein, deren Spannung sequentiell an die beiden Außenelektroden 60, 60‘ in unterschiedlichen Zeitintervallen ausgegeben wird.
Auch bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen nach den 2b bis 2f kann die Innenelektrode 52 als hohles Rohr ausgebildet sein, um einen Teil der Kaliumsalzschmelze 3 auch in das Innere des Behälters 3 zu pumpen bzw. die dort vorhandene Kaliumsalzschmelze 3 permanent oder intermittierend auszutauschen, wie vorstehend ausgeführt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Innenelektrode zumindest abschnittsweise als leitende Beschichtung unmittelbar auf der Innenseite des Glas-Halbzeugs oder Glas-Behälters vorgesehen sein und/oder die Außenelektrode zumindest abschnittsweise als leitende Beschichtung auf der Außenseite des Glas-Halbzeugs oder Glas-Behälters vorgesehen sein, insbesondere als Metall- oder Metalloxidbeschichtung, bevorzugt als Indiumzinnoxid-Beschichtung (ITO). Die leitende Beschichtung ist dabei bevorzugt porös ausgebildet.
Bei sämtlichen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen kann unterhalb des Bodens des Einsatzes, in welchem die Behälter aufgenommen sind, in der Kaliumsalzschmelze ein Rührerflügel drehbeweglich gelagert sein. Hierzu erstreckt sich eine Drehwelle durch die Mitte des Trägers bis unterhalb des Bodens des Einsatzes, wo diese mit einem sich radial auswärts erstreckenden Rührerflügel verbunden ist. Bei einer Drehung der Drehwelle erzeugt der Rührerflügel eine Strömung in der heißen Kaliumsalzschmelze radial auswärts. Diese Strömung wird am Rand der Kaliumsalzschmelze nach oben hin zur Oberfläche der Kaliumsalzschmelze umgelenkt, von wo die Strömung tangential entlang den Behältern wieder nach unten strömt. Trennwände können im unteren Bereich der Kaliumsalzschmelze vorgesehen sein, um die Strömung durch Öffnungen zwischen den Trennwänden und dem unteren Ende des Trägers zu kanalisieren. Die Trennwände verhindern insbesondere auch, dass Ablagerungen, wie beispielsweise kristallisierte Salze, in der Kaliumsalzschmelze umgewälzt werden.
Der Rührer ist dabei bevorzugt so ausgebildet, dass er den kompletten Bereich in der Kaliumsalzschmelze, in dem Behälter angeordnet sind, erfasst und ganz dicht an der Wand einer die Kaliumsalzschmelze aufnehmenden Wanne rotiert. Das Rücklaufbecken ist strömungsmäßig von dem Austauschbecken, indem sich die Behälter befinden, getrennt. Beispielsweise ist der Rührerflügel als plattenförmiges gebogenes Element ausgebildet, der schräg zur Umlaufrichtung der Rührwelle angeordnete bzw. angestellte Paddelflächen aufweist, so dass die Kaliumsalzschmelze entlang der Rührerwelle zum Auslass hin transportiert wird. Zur Änderung des Homogenisierungsgrades können u. a. die Drehzahl und die Drehrichtung der umlaufenden Rührerwelle variiert werden. Mit der geänderten Drehzahl wird der Gesamtdurchsatz verändert.
Zur Vermeidung einer Blasenbildung, die den Ionenaustauschprozess lokal beeinflussen könnte, können sich Einbauelemente hinter den Rührerflügeln befinden, wie nachfolgend anhand der 3a und 3b beschrieben, d. h. dass das jeweilige Einbauelement an der rückseitigen Paddelfläche angeordnet ist. Mit anderen Worten: Es werden an der nicht-angeströmten Paddelfläche der Rührerflügel, also auf der Rückseite, Einbauelemente vorgesehen. Dadurch wird der auf der Rückseite des Rührerflügels entstehende Unterdruck, der besonders relevant für die Blasenbildung ist, gemildert bzw. es wird vermieden, dass hohe Gradienten in der Druckverteilung auftreten. Die Einbauelemente, die vorzugsweise an der drehrichtungsabgewandten Seite (rückseitigen Paddelfläche) angeordnet sind, bewirken eine deutliche Verringerung des Risikos von Blasenbildung, insbesondere durch Reboilvorgänge. Zudem tragen die Einbauelemente zur Stabilisierung der Rührerflügel bei.
Insgesamt wird mittels der Rührervorrichtung eine weitere Homogenisierung der Kaliumsalzschmelze erzielt. Ziel des Homogenisierens der Kaliumsalzschmelze ist es, räumliche und zeitliche Schwankungen der chemischen Zusammensetzung der Kaliumsalzschmelze, entsprechend den Produktanforderungen, zu reduzieren. Denn wie aufwändige Versuchsreihen der Erfinder ergeben haben, führen chemische lnhomogenitäten der Kaliumsalzchmelze zu lnhomogenitäten des Ionenaustausches, die insbesondere die Festigkeit der Behälter beeinträchtigen können. Diese Homogenisierung wird erfindungsgemäß insbesondere dadurch erreicht, dass die durch die Rührvorrichtung bewirkte Strömung eine Komponente im Wesentlichen tangential zur Außenoberfläche und/oder Innenoberfläche der Behälter hat, was durch geeignete Auslegung der Rührerflügel und/oder Einbauelemente der Rührervorrichtung in einfacher Weise erzielt werden kann.
Die 2e zeigt eine Anordnung zum feldunterstützten Ionenaustausch gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gemäß der 2e sind die Behälter (vials) 30 in eine Kaliumsalzschmelze 3 bis knapp zum oberen Rand 33 eingetaucht, wobei die Kaliumsalzschmelze 3 auch das Innere der Behälter 30 eingebracht ist. In jeden der Behälter 30 ist eine Rührvorrichtung eingetaucht, die jeweils eine Drehwelle 10 mit einer Mehrzahl daran beabstandet zueinander angeordneten Rührerflügeln 11 umfasst. Durch Drehen der Drehwelle 10 in Pfeilrichtung wird so im Inneren der Behälter 30 eine Strömung erzeugt, die eine Tangentialkomponente entlang der Innenoberfläche der Behälter 30 hat, um lnhomogenitäten des Ionenaustausches entgegenzuwirken, die insbesondere die Festigkeit der Behälter beeinträchtigen können. Selbstverständlich kann auch auf der Außenseite der Behälter 30 eine entsprechende Rührervorrichtung angeordnet sein, wie vorstehend beschrieben.
Die 3a und 3b zeigen weitere Einzelheiten des Aufbaus der Rührvorrichtung nach der 2e. Der Rührer weist eine Rührwelle 10 auf, dessen oberes Ende von einem Motor (nicht dargestellt) angetrieben wird, um die Rührwelle 10 in Umlaufrichtung rotieren zu lassen. Am unteren Ende des Rührers sind auf mehrere Ebenen bzw. Stufen E1–E5 verteilt paddelförmige Rührerflügel 11 (im Weiteren auch kurz Paddel genannt) angeordnet. Die Paddel 11 können sehr schmal und materialsparend geformt sein; auch können sie verschiedene Größen aufweisen. Die oberste Ebene hat Rührerflügel 11' mit einer etwas verringerten Flächengröße, die unterste Reihe hat ebenfalls Rührerflügel 11'' mit einer verringerten Flächengröße, wobei die unteren Kanten dieser Flügel 11'' abgeschrägt sind, um sich dem unteren Ende der Behälter anzupassen. In den mittleren Ebenen befinden sich Rührerflügel 11, die eine nicht-reduzierte Flächengröße haben und soweit an den Innenrand des Behälters reichen, dass ein vorgebbarer Spalt bestehen bleibt. Durch die Ausgestaltung der Flügelform, -anordnung, -winkelstellung usw. kann die Schmelzenströmung weiter beeinflusst werden.
Wie anhand der 3b zu erkennen ist, sind die paddelförmigen Rührerflügel gewölbt geformt und weisen an einer ihrer Flächen je ein Einbauelement 11E auf. Die Flügel bzw. Paddel können am Schaft bzw. der Welle 10 des Rührers verschweißt werden. Alternativ oder zusätzlich dazu können die Flügel bzw. Paddel in Schafthülsen befestigt werden, durch den Schaft gesteckt und/oder in einer Innenverankerung befestigt werden. Dabei kann die Schafthülse auf den Schaft bzw. die Rührerwelle 10 aufgeschrumpft und/oder gestiftet bzw. passgenau befestigt werden.
Betrachtet man den Vorgang des Ionenaustausches in der Glasstruktur, so ergeben sich für die geschwindigkeitsbestimmenden Komponenten der Ionenbewegung in die und aus der Glasmatrix in erster Linie die Diffusionskoeffizienten der beteiligten Ionen (in ihrer Glasmatrix), Temperatur und Zeit. In der Grenzschicht zwischen Glasoberfläche und geschmolzenem Salz (Oberflächenschicht M) treten nun die beteiligten Ionen (z.B. Kalium, Natrium) aus dem Glas ins Salz (Na⁺) und aus dem Salz ins Glas (K⁺). Auch dieser Ablauf im Salzbad ist getrieben von der Temperatur, der Zeit und einem Diffusionspotential, welches durch ein Konzentrationsgefälle der beteiligten Ionen zueinander an dieser Grenzschicht ausgeprägt ist. Für die Betrachtung der Transportvorgänge der Ionen im Glas wird herkömmlich die Konzentration an z.B. Kalium an der Grenzschicht einfachhalber idealisiert als konstant angenommen, also immer als ausreichend vorhanden.
Die Versuchsreihen der Erfinder haben jedoch gezeigt, dass unter realen Prozessbedingungen die Annahme einer idealisierten Grenzschicht mit konstanter Ionenkonzentration nicht gegeben ist. So können bereits geringe Ionenkonzentrationen bestimmter Fremdionen in der Schmelze den Austauschprozess signifikant verlangsamen. Dies können beim Ionenaustausch im KNO₃-Bad insbesondere auch ausdiffundierende Na⁺-Ionen sein. In der praktischen Anwendung zeigt sich, dass bei einer Salzbadkonzentration (in reinem KNO₃) eine Anreicherung mit Na-Ionen von ca. 1% Masse (ca. 8000–10000 ppm) den Ionenaustausch (K-Na) im Glas stark einschränkt. D.h. eine gewünscht zu erreichende Druckspannung in der Glasoberfläche kann dann nicht mehr erzielt werden.
Ein deutlich verbesserter/erhöhter Abtransport der beteiligten Ionen, welche aus der Glasmatrix austreten, und somit eine Verdünnung deren Konzentrationen in Glasoberflächennähe über das durch herkömmliche Bewegungsbeschleunigungen erzielbare Maß hinaus konnte bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch das Induzieren einer Strömung in der Kaliumsalzschmelze beobachtet werden. Insbesondere kann erfindungsgemäß eine direkte, deutlich effektivere Unterstützung des Transportprozesses der Ionen von der Glasoberfläche weg erzielt werden.
Diese Betrachtungen gelten insbesondere für den erfindungsgemäßen feldunterstützten Ionenaustausch mit dann signifikant kürzeren Ionenaustauschzeiten.
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Aus dem Glaszusammensetzungsbereich wurden zwei Ausführungsbeispiele exemplarisch ausgewählt und Rohre, Rohrabschnitte, Fläschchen und Karpulen hergestellt. Zur Herstellung der Beispielgläser und der Vergleichsgläser wurde das Rohmaterial in einem Pt-Tiegel bei einer Temperatur von 1600°C über mehrere Stunden aufgeschmolzen, mit Chlorid geläutert und homogenisiert. Anschließend wurde das Glas in einer Laborrohrziehanlage senkrecht in Rohrform abgezogen und anschließend wurden aus den Glasrohren Behälter geformt. In der Tabelle 1 sind nachfolgend die jeweiligen Zusammensetzungen (in Gew. -% auf Oxidbasis), der thermische Ausdehnungskoeffizient α_20/300 [10–6/K], die Transformationstemperatur Tg [°C] und die Verarbeitungstemperatur VA [°C] angegeben.
Genauer gesagt wurden Gläser mit der Zusammensetzung SiO₂: 72–76; B₂O₃: 0–12; Na₂O: 7–12; K₂O < 2; Al₂O₃ 5–10; CaO 0,3–2; MgO 0–5; BaO: < 1 (vorstehenden Angaben bezogen in Gew.-% auf Oxidbasis) eingesetzt, die eine geringe Wärmeausdehnung aufweisen und die durch eine besonders hohe Temperaturunterschiedsfestigkeit gekennzeichnet sind. Tabele 1 (IONX steht für einen feldunterstützten Ionenaustausch):
Es konnte festgestellt werden, dass bei den verwendeten Gläsern A1–A4 mit einem B₂O₃-Gehalt >= 10% und einer Dicke von d = 0,9 mm, die zentrale Zugspannung im Glasinneren (CT) einen Grenzwert von CT = 12 MPa nicht überschreitet.
4a zeigt CT Messungen für Behälter gemäß der vorliegenden Erfindung in Abhängigkeit von der Ionenaustauschzeit für zwei unterschiedliche Glasdicken (0,7 mm und 0,9 mm). Überraschenderweise konnte hier festgestellt werden, dass bei den verwendeten Gläsern A1 und A2, die zentrale Zugspannung im Glasinneren (CT) einen Grenzwert von CT = 12 MPa nicht überschreitet. Trotzdem konnte eine signifikante Erhöhung der Bruchfestigkeit, die mit Hilfe des K+-Ionenaustausches erreicht wurde, gemessen werden. Dies ist von zentraler Bedeutung, da die Zugspannungen im Inneren einen starken Einfluss auf die Bruchfestigkeit der Behälter nach Beschädigungen an der Oberfläche haben. Werden die Zugspannungen im Glasinneren (CT) zu groß, kommt es zu einem ungünstigen Bruchbild mit einer starken Zersplitterung. Erfindungsgemäß konnte beobachtet werden, dass ein CT-Wert von 12 MPa eine obere Grenze für Behälter mit einer Dicke ≥ 0,7 mm darstellt.
Aus Tabelle 1 kann insbesondere folgendes entnommen werden: Bedingt durch die Prozesssierung der Pharmabehälter (Ionenaustausch und Reinigung) sinkt die Abgabemenge an Aluminiumionen bei Prüfungen nach ISO 4802-2 ab. Der gemessene Wert liegt unter 0,1 2µg Aluminiumoxid/cm Glasoberfläche. Die Ergebnisse zeigen, dass die erfindungsgemäßen Gläser zur bevorzugten Verwendung als Primärpackmittel im Pharmabereich geeignet sind, und insbesondere für wässrige oder wasserhaltige Arzneimittel zum Einsatz kommen können. Mit der vorliegenden Erfindung können somit Pharmaprimärpackmittel, wie Fläschchen, Karpulen, Spritzen oder Ampullen, hergestellt werden, die besonders geeignet sind. Insbesondere die in den Behältnissen aufbewahrten wässrigen oder wasserhaltigen Arzneimittel greifen das Glas nicht in nennenswerter Art und Weise an, so dass der erfindungsgemäße Behälter keine oder nur wenige lonen freisetzen. Weiterhin konnte in Lagerstudien festgestellt werden, dass sämtliche Gläser, nach dem Ionenaustauschprozess mit den Schritten S1–9, gemäß der vorliegenden Erfindung besonders resistent gegen Spülungen mit Wasser und den folgenden Pufferlösungen und Natriumbicarbonat-Lösungen wurden:

a) Spülung mit Satorius-Reinstwasser / Filter 0,2 µm 18,2 mΩ
b) 10 mMol: Citrat-Puffer pH = 6.0 mit 150 mMol NaCl und 0.005% Tween 20
c) 10 mMol: Phosphat-Puffer pH = 7.0 mit 150 mMol NaCl und 0.005% Tween 20
d) 3,1mol bzw. 8.4% Natriumbicarbonat-Lösung NaHCO₃ (pH ca. 8)

Für die Versuche wurden unterschiedliche Gläser verwendet. Üblicherweise beträgt die Glasdicke d bei Pharmabehältern ca. 0,9 mm, so dass an diesen Proben auch Messungen durchgeführt wurden.
Durch die Behandlung können durch Wahl der Ionenaustauschzeit mit Feldunterstützung Ionenaustauschtiefen geeignet eingestellt werden, beispielsweise im Bereich zwischen 10 und 50 µm. Die Austauschtiefe im Glas kann insbesondere im Bereich zwischen 1,0 μm und 50 μm liegen, bevorzugter im Bereich zwischen 10 μm und 40 μm und noch bevorzugter im Bereich zwischen 15 μm und 30 μm.
Die 4a zeigt simulierte Ionenprofile für den feldunterstützten Ionenaustausch gemäß der vorliegenden Erfindung für verschiedene Spannungen zwischen Innen- und Außenelektrode. Wie man der 4a entnehmen kann, ermöglicht der erfindungsgemäß feldunterstützte Ionenaustausch die Einstellung von sehr steilen Ionenprofilen, die insbesondere bei Spannungen oberhalb von ca. 300V nahezu rechteckförmig sind, und zwar im Wesentlichen in sämtlichen Abschnitten eines Glasbehälters oder Glas-Halbzeugs. Insbesondere beträgt für das erfindungsgemäße Verfahren die Breite des Übergangs im Diffusionsprofil weniger als 0,4·DoL, bevorzugt liegt diese im Bereich zwischen 0,2·DoL und 0,4·DoL, und noch bevorzugter liegt diese im Bereich zwischen 0,1·DoL und 0,2·DoL, wobei DoL die Druckspannungstiefe ist (DoL: depth of layer).
Die 4b zeigt die Ionenkonzentration in Abhängigkeit von der Tiefe für den feldunterstützten Ionenaustausch gemäß der vorliegenden Erfindung (Tiefe ca. 30 µm) im Vergleich zu einem nicht-feldunterstützten Ionenaustausch (Tiefe 10 µm), bei ansonsten gleichen Prozessparametern (KNO₃-Temperatur 490°C).
Die Bruchfestigkeit von Behältern wurde mittels der in der 5 dargestellten Messapparatur gemessen. Hierzu werden das vordere Ende einer Karpule 30 mittels einer Dichtung 23 verschlossen und das hintere Ende mittels einer Dichtung 23 mit einer Rohrleitung 22 verbunden, über die eine Flüssigkeitssäule mittels eines Kolbens 21 einer Kolben-Zylindereinheit 20 mit einem Druck beaufschlagt wird. Der Druck wird mit dieser Messapparatur solange schrittweise erhöht, bis die Karpule 30 bzw. der zu messende Behälter birst. Dabei wurde nicht nur der Berstdruck sondern auch die Position des Berstens eines Behälters (mit Nullpunkt am hinteren Ende des Behälters) gemessen.
Die Messergebnisse sind in der 6 für nicht chemisch vorgespanntes Glas („Referenz“) und für erfindungsgemäß chemisch vorgespanntes Glas („vorgespannt“) zusammengefasst. Für nach dem erfindungsgemäßen Verfahren chemisch vorgespannte Karpulen wurde ein signifikant höherer Medianwert für den Berstdruck ermittelt.
Die Quantilwerte (inklusive 95%-Vertrauensbereich), in Abhängigkeit von der kumulierten Ausfallwahrscheinlichkeit P, lauten wie folgt: Referenz

P = 10 %: 76,1 bar (70,2/82,5)

P = 1%: 57,9 bar (51,7/65,0)

Chemisch vorgespannt

P = 10%: 121,1 bar (111,3/131,7)

P = 1%: 90,9 bar (80,6/102,4)
Der vorgenannten Tabelle 1 kann weiter entnommen werden, dass bei dem Glas A5 die hohe Aluminiumabgabe beim ISO 4802-2 Test zu ungünstig ist, da sich das Aluminium im pharmazeutischen Produkt (Medikament) anlagert. Die erfindungsgemäß chemisch vorgespannten Gläser A1–A4 zeigen eine signifikant reduzierte Aluminiumabgabe beim ISO 4802-2 Test. Bei allen Gläsern konnte nach dem chemischen Vorspannprozess aber eine Reduktion der Aluminiumabgabe beim ISO 4802-2 Test beobachtet werden.
Die 7a zeigt die Berechnung des extrahierten Na₂O-Gehalts in μg nach ISO 719 in Abhängigkeit von der K₂O-Konzentration im Glas. Der Standard nach ISO 719 stellt eine Methode zum Messen der Beständigkeit des Glases gegen eine Zersetzung in gereinigtem, CO₂-freiem Wasser dar. Gemäß dem Standardprotokoll nach ISO 719 wird ein zerstoßener Glasgrieß verwendet, der für 30 Minuten bei einer Temperatur von 98°C bei 1 Atmosphäre mit gereinigtem, CO₂-freiem Wasser in Kontakt gebracht wird. Anschließend wird die Lösung kolorimetrisch mit verdünnter HCI bis zu einem neutralen pH titriert. Die Menge an HCI, die erforderlich ist, um bis zu einer neutralen Losung zu titrieren, wird dann in ein Äquivalent von Na₂O, das aus dem Glas extrahiert wurde, umgerechnet und als μg Na₂O pro Gewicht des Glases angegeben, wobei die Beständigkeit umso besser ist, je kleiner die erhaltenen Zahlen sind.
Der Standard nach ISO 719 ist in einzelne Typen unterteilt. Der Typ HGB 1 gibt an, dass bis zu 31 μg des Äquivalents von Na₂O extrahiert wurden; der Typ HGB 2 gibt an, dass mehr als 31 μg und bis zu 62 μg des Äquivalents von Na₂O extrahiert wurden; der Typ HGB 3 gibt an, dass mehr als 62 μg und bis zu 264 μg des Äquivalents von Na₂O extrahiert wurden; der Typ HGB 4 gibt an, dass mehr als 264 μg und bis zu 620 μg des Äquivalents von Na2O extrahiert wurden; und der Typ HGB 5 gibt an, dass mehr als 620 μg und bis zu 1085 μg des Äquivalents von Na₂O extrahiert wurden. Die hierin beschriebenen Glaszusammensetzungen weisen eine Wasserbeständigkeit des Typs HGB 1 nach ISO 719 auf.
Die 7b zeigt die gemessene Alkalinität für ein Referenzglas und für drei Proben (Lot 4 bis Lot 6) für ein nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung chemisch vorgespanntes Glas.
Bezugszeichenliste

3, 3‘: Salzschmelze
4: Trennwände
5: Durchlass
10: Rührerwelle
11: Rührerflügel
11E: Einbauelemente an den Rührerflügeln
15: Träger
16: Boden des Trägers 15
20: Zylinder
21: Kolben
22: Leitung
23: Dichtung
30: Behälter
31: Boden des Behälters 30
32: verengter Halsabschnitt des Behälters 30
33: verbreiterter oberer Rand des Behälters 30
34: Einfüllöffnung des Behälters 30
50: Spannungsversorgung
52: Innenelektrode
53: verbreiterter Abschnitt der Innenelektrode 52
54a–c: scheibenförmiger Vorsprung der Innenelektrode 52
60, 60‘: Außenelektrode
61: verengter oberer Abschnitt der Außenelektrode 60
62: verbreiterter oberer Abschnitt der Außenelektrode 60
63: abgeschrägter unterer Abschnitt der Außenelektrode 60
64: unteres Ende der Außenelektrode 60
65: verengter unterer Abschnitt der Außenelektrode 60
66: verbreiterter unterer Abschnitt der Außenelektrode 60
67: gekrümmter unterer Abschnitt der Außenelektrode 60
A: Rotationsachse
E1–E5: Ebenen der Rührerflügel
X: Abstand zum Randbereich des Rührerflügels
ZR: Zwischenraum
DC: Gleichspannung
AC: Wechselspannung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2013130721 A1 [0007]
WO 2016025144 A1 [0008]
US 20100047521 A1 [0009]
US 8168295 B2 [0009]
US 6333285 B1 [0009]
US 6516634 B1 [0009]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO4802-2 [0043]
ISO4802-2 [0044]
ISO 719 [0058]
ISO 4802-2 [0095]
ISO 4802-2 [0103]
ISO 4802-2 [0103]
ISO 4802-2 [0103]
ISO 719 [0104]
ISO 719 [0104]
ISO 719 [0104]
ISO 719 [0105]
ISO 719 [0105]

Claims

Verfahren zum chemischen Vorspannen eines zylindrischen Glas-Halbzeugs, insbesondere eines Glasrohrs, oder eines Glas-Behälters (30) zur Ausbildung von Primärpackmitteln für pharmazeutische Zwecke, durch Ionenaustausch, mit den folgenden Schritten: Einbringen des Glas-Halbzeugs oder Glas-Behälters (30) in ein Salzbad (3); und Bewirken eines feldunterstützten Ionenaustauschs in dem Salzbad (3) unter Einwirkung eines elektrischen Feldes; wobei das elektrische Feld in dem Salzbad (3) mittels einer Innenelektrode (52) innerhalb des Glas-Halbzeugs oder Glas-Behälters (30) und einer Außenelektrode (60) außerhalb des Glas-Halbzeugs oder Glas-Behälters (30) angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Form der Innenelektrode (52) und/oder der Außenelektrode (60) zumindest abschnittsweise an die Geometrie des Glas-Halbzeugs oder Glas-Behälters (30) angepasst ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Innenelektrode einen elektrisch leitenden Schaft (52) aufweist, der zentriert innerhalb des Glas-Halbzeugs oder Glas-Behälters (30) angeordnet ist und sich entlang der Längsachse des zylindrischen Glas-Halbzeugs oder Glas-Behälters (30) erstreckt, wobei entlang des Schafts (52) zumindest ein in Radialrichtung verbreiterter Abschnitt (53, 54) vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Außenelektrode (60) auf der Außenseite des Glas-Halbzeugs oder Glas-Behälters (30) zumindest abschnittsweise als zylindrischer Käfig ausgebildet ist, der konzentrisch und unter einem konstanten Abstand zum zylindrischen Glas-Halbzeug oder Glas-Behälter (30) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Außenelektrode (60) an einem unteren Ende einen Boden (61) aufweist, der korrespondierend zu einem geschlossenen Boden (31) des Glas-Halbzeugs oder Glas-Behälters (30) ausgebildet und unter einem konstanten Abstand zu diesem angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei entlang der Außenelektrode (60) zumindest ein verengter Abschnitt (61) und/oder zumindest ein verbreiterter Abschnitt (62) und/oder zumindest ein sich schräg radial einwärts oder auswärts erstreckender Abschnitt (63) vorgesehen ist, wobei der zumindest eine verengte Abschnitt (61) und/oder der zumindest eine verbreiterte Abschnitt (62) und/oder der zumindest eine sich schräg radial einwärts oder auswärts erstreckende Abschnitt (63) sich unter einem konstanten Abstand zur Außenoberfläche des Glas-Halbzeugs oder Glas-Behälters (30) erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Innenelektrode (52) zumindest abschnittsweise als leitende Beschichtung auf der Innenseite des Glas-Halbzeugs oder Glas-Behälters (30) vorgesehen ist und/oder die Außenelektrode (60) zumindest abschnittsweise als leitende Beschichtung auf der Außenseite des Glas-Halbzeugs oder Glas-Behälters (30) vorgesehen ist, insbesondere als Metall- oder Metalloxid-Beschichtung, bevorzugt als Indiumzinnoxid-Beschichtung (ITO).
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die leitende Beschichtung porös ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elektrische Feld durch Anlegen einer Gleichspannung (DC) an die Innenelektrode (52) und an die Außenelektrode (60) erzeugt wird, wobei die Richtung des elektrischen Feldes während des feldunterstützten Ionenaustauschs zumindest einmal umgekehrt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei eine Ionenaustauschzeit, wenn das elektrische Feld in eine erste Richtung gerichtet ist, länger ist als eine Ionenaustauschzeit, wenn das elektrische Feld nach einer Feldumkehr in eine zweite Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung gerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Richtung des elektrischen Feldes während des feldunterstützten Ionenaustauschs nur einmal umgekehrt wird, wobei die Temperatur des Salzbads (3) nach der Feldumkehr abgesenkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das elektrische Feld durch Anlegen einer Wechselspannung (AC) an die Innenelektrode (52) und an die Außenelektrode (60) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elektrische Feld durch Anlegen einer Spannung an die Innenelektrode (52) und an die Außenelektrode (60, 60‘) erzeugt wird, wobei mindestens eine der Elektroden segmentiert ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Mehrzahl von Glas-Halbzeugen oder Glas-Behältern (30) in einen Träger eingebracht werden und der feldunterstützte Ionenaustausch in dem Salzbad (3) ausgeführt wird, während die Mehrzahl von Glas-Halbzeugen oder Glas-Behältern (30) in dem Träger angeordnet sind, wobei während des feldunterstützten Ionenaustauschs eine Strömung in dem Salzbad ausgebildet wird, um einer Anreicherung von Ionen, insbesondere von Na-Ionen, auf oberflächennahen Abschnitten der Glas-Halbzeuge oder Glas-Behälter (30) aufgrund der Strömung entgegenzuwirken.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Strömung von mindestens einer Rührvorrichtung (11) ausgebildet wird, die jeweils auf einer Außenseite der Mehrzahl von Glas-Halbzeugen oder Glas-Behältern angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Strömung von einer Mehrzahl von Rührvorrichtungen (11) ausgebildet wird, die jeweils im Innenraum der Mehrzahl von Glas-Halbzeugen oder Glas-Behälter angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Rührvorrichtungen (11) jeweils ein hohles Rohr aufweisen, über das eine Füllung und/oder Entleerung der Glas-Halbzeuge oder Glas-Behälter (30) mit der Salzschmelze des Salzbads (3) erfolgt, wobei das Rohr als Innenelektrode (52) während des feldunterstützten Ionenaustauschs in dem Salzbad (3) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei die Strömung zumindest abschnittsweise tangential zu einer Außen- und/oder Innenoberfläche der Mehrzahl von Glas-Halbzeugen oder Glas-Behältern (30) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Salzbad Salze, insbesondere Kaliumsalze, mit einem Anteil von mindestens 95 Gew.-% enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Glas die folgende Zusammensetzung in Gew.-% auf Oxidbasis hat: SiO₂: 72–76; B₂O₃: 0–12; Na₂O: 7–12; K₂O < 2; Al₂O₃ 5–10; CaO 0,3–2; MgO: 0–5; BaO: < 1.
Glasbehälter oder zylindrisches Glas-Halbzeug, hergestellt aus einem chemisch vorgespannten Glas, gekennzeichnet durch einen Übergang im Interdiffusionsprofil, der angenähert einen rechteckigen Verlauf hat (4a), wobei die Breite des Übergangs im Interdiffusionsprofil 0,4·DoL beträgt, bevorzugt im Bereich zwischen 0,2·DoL und 0,4·DoL liegt, und noch bevorzugter im Bereich zwischen 0,1·DoL und 0,2·DoL liegt, wobei DoL die Druckspannungstiefe ist..
Glasbehälter oder zylindrisches Glas-Halbzeug nach Anspruch 21, wobei eine Austauschtiefe im Glas im Bereich zwischen 1,0 μm und 100 μm liegt, bevorzugter im Bereich zwischen 10 μm und 40 μm liegt und noch bevorzugter im Bereich zwischen 15 μm und 30 μm liegt.
Glasbehälter oder zylindrisches Glas-Halbzeug nach Anspruch 21 oder 22, wobei der innere Berstdruck des Glasbehälters oder zylindrischen Glas-Halbzeugs einen Wert, bei einer kumulierten Ausfallwahrscheinlichkeit von 1%, von mindestens 75 bar hat.
Glasbehälter oder zylindrisches Glas-Halbzeug nach einem der Ansprüche 21 bis 23, wobei die Summe der Natrium-, Kalium- und Aluminiumabgabe, entsprechend ISO4802-2, weniger als 0,2 µg/cm² Glasoberfläche beträgt.
Glasbehälter oder zylindrisches Glas-Halbzeug nach einem der Ansprüche 21 bis 24, wobei die Aluminiumabgabe, entsprechend ISO4802-2, weniger als 0,1 µg/cm² Glasoberfläche beträgt.
Glasbehälter oder zylindrisches Glas-Halbzeug nach einem der Ansprüche 21 bis 25, mit einer Wandstärke im Bereich zwischen 0,7 und 2,5 mm.
Glasbehälter oder zylindrisches Glas-Halbzeug nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei das Glas besonders resistent gegen Spülungen mit Reinstwasser und den Lösungen 10 mMol: Citrat-Puffer pH = 6.0 mit 150 mMol NaCl und 0.005% Tween 20, 10 mMol: Phosphat-Puffer pH = 7.0 mit 150 mMol NaCl und 0.005% Tween 20 und 3,1mol bzw. 8.4% Natriumbicarbonat-Lösung NaHCO₃ (pH ca. 8) ist.
Glasbehälter oder zylindrisches Glas-Halbzeug nach einem der Ansprüche 9 bis 16, wobei die Glastransmission im Wellenlängenbereich von 400–700 nm über 85% liegt.
Verwendung eines zylindrischen Glas-Halbzeugs nach einem der Ansprüche 21 bis 28 zur Herstellung von Pharmaprimärpackmitteln, insbesondere für wässrige oder wasserhaltige Arzneimittel.
Verwendung eines Glasbehälters nach einem der Ansprüche 21 bis 28 zur Herstellung von Pharmaprimärpackmitteln, insbesondere für wässrige oder wasserhaltige Arzneimittel.