多层容器和关于形成多层容器的加工过程 【技术领域】
本发明涉及塑料物品，更具体地涉及具有改进的气体和液体蒸汽阻挡层的医学用品。
【发明背景】
在模制和挤压生产中已长期使用聚丙烯(PP)制造例如塑料医学容器的物品和用于食品包装工业的薄膜。最近在模制和挤压生产中已使用聚对苯二甲酸乙二酯(PET)制造这些物品。但是，PP和PET对于氮、氧和其它气体和蒸汽是有些可渗透的。其结果，PP和PET容器是本能地渗透气体的主体。随着医学工业开始更加强调使用塑料医学产品，这些可渗透的问题已变得更加敏锐。
尤其，真空血液收集管必须满足某些性能标准。这些性能标准通常包括能够在一年的时期保持超过约90％原来抽取的体积，显然气体透渗能力对这要求是有害的。而且，材料还必须能够通过照射被消毒，以及实质上避免干扰试验和分析。因此，用于这些容器的材料不仅必须克服气体和液体蒸汽的渗透性问题，而且它们还必须满足若干其它要求。
因此已发明了各种技术试图降低由PP、PET和其它树脂制造的容器的气体和蒸汽渗透性。这些技术包括添加无机的填充剂、用具有阻挡层性能的树脂涂复容器、无机材料的等离子化学的汽相淀积涂层和用阻挡层树脂混和、层叠或共挤压树脂。
虽然这些努力已提供了某些改进，不断满足高性能标准的需要要求进一步改进。
【发明内容】
本发明旨在解决现有技术的问题，以及提供制造满足以上所述需求地改进的容器的一加工过程。这些容器包括但不局限于血液收集管、真空血液收集管、离心管、培养瓶和注射器针筒。
在一实施例中，本发明的加工过程包括提供一第一熔化的聚合材料和一第二熔化的聚合材料，第一和第二聚合材料是非相容的，以及引导第一和第二熔化的聚合材料通过一喷嘴段进入一模型腔，该模型腔包括用于整体形成容器的底壁的一区域。第一和第二熔化的聚合材料共同流入模型腔达到加工过程的至少一部分。在共同流动期间，喷嘴段以第一熔化聚合材料作为内和外表层和以第二熔融聚合材料作为在内和外表层之间的一核心层的形式引导第一和第二熔化的聚合材料进入模型腔。
在另一实施例中，本发明的一管子包括一底壁、一顶边和在底壁与顶边之间的一侧壁。至少侧壁包括内和外聚合表层和在内和外聚合表层之间的和与内和外聚合表层直接邻接的一聚合核心层，同时聚合表层与聚合核心层是不相容的。因此实现了具有诸不相容的聚合物、还不需要在诸性质不同的聚合物之间的粘结剂或连接层的一管子。
附图简述
图1是带本发明的多层壁的一收集管的立体图；
图2和3示出用于图1的管子的一可刺穿的塞子，同时图3示出了沿线3-3的剖视图；
图4是包括图1-3的管子和塞子的本发明的血液收集组件的立体图；
图5是图1的管子、沿其线5-5的水平剖视图；
图6示出图1的管子、沿其线6-6的剖视图；
图7示出适合于形成按照本发明的容器的一共同注射的结构的示意图；
图8示出图7的共同注射结构的一部分；
图9示出图7的共同注射结构的另一部分；
图10示出按照本发明制造的管子的湿度保持性能；
图11示出按照本发明制造的管子的真空保持性能；
图12示出按照本发明制造的管子的真空保持性能。
【具体实施方式】
按照本发明的容器例如包括管、瓶、小瓶、细颈瓶、注射器和一次性使用的容器。特别有用的管子是用于收集血液的那些管子。以下将针对一真空血液收集管叙述本发明，但对于本领域的那些熟练的人员来说显然以下说明将同样可应用于任何其它容器。
不管所计算的最终用途怎样，所有容器必须满足对于使用是可接受的性能标准。真空塑料血液收集管通常必须在一预期的架子上安放期间内保持一特定的抽取容量。这要求一阻挡层阻止大气通过聚合物壁，否则将减小抽取容量。同样必须阻止液体蒸汽渗透过管壁，以便减少干的血液分析添加剂的变质或保持在制造时常常引入管子内的关键的液体添加剂。
图1-4示出了按照本发明的一实施例的一血液收集管和塞子。在图1中，管子10具有底壁部分12和与其连续的侧壁部分14。(图1没有示出侧壁部分14的多层状态)。侧壁部分14具有一顶边16和形成一开放端18。对于管子10示出了一直侧壁部分，但是对于其它容器也可以有复杂的侧壁形状。图2-3示出了用于图1的开放端18的一有用的塞子20。也可以有关于塞子的任何适合材料的多种其它结构。塞子20包括具有一顶壁24的一环形上部22。上部22具有一下壁或凸缘26，当塞子位于管子中时该凸缘延伸在管子10的上边缘16上。塞子20还包括一下环形部分或裙部28，该裙部具有一外壁30，该外壁与管子10的内侧表面形成一过盈配合，以便将塞子保持在管内。裙部28还具有形成一井部34的一内壁表面37。顶壁24形成一空腔36。一隔壁38将井部34和空腔36分开，用于在管子组件准备使用时由一套管穿刺。图4示出了准备用于抽取血液样品进入封闭的内部空间40的管子和塞子。
本发明的塑料管子10的壁具有多层聚合物层，通常是不带有混合的层间区域的诸单层。具有以一表层-核心-表层布置的三层的结构(其中核心层被内和外表层包围)是特别有用。例如，图5和6示出了具有被外表层54和内表层56包围的一核心层52的管壁14a。通常，表层是一种材料，核心层是另一种材料。
在容器所考虑使用的基础上选择本发明的多层容器的各层。对于血液收集管，如以上所指出，可使用防止气体和液体蒸汽渗透性的诸材料的组合。适用于阻挡层的材料包括纯的聚合物和具有各种直线的或多分枝分子结构或排列性的共聚物，例如聚烯烃和它的共聚物(例如HDPE、LDPE和LLDPE的聚乙烯，聚丙烯(PP)和环烯共聚物(COC))，聚乙烯醇，乙烯乙烯醇共聚物(EVOH)，聚氯乙烯，聚偏二氯乙烯，聚氟乙烯，聚偏二氟乙烯，聚酰胺，聚酯和共聚多酯(例如聚对苯二甲酸乙二酯或聚苯二甲酸乙二酯)，聚苯乙烯，聚丙烯腈，聚丙烯腈-丁二烯-苯乙烯，聚苯乙烯-丙烯腈共聚物，聚碳酸酯，聚砜，液晶聚合物，聚缩醛。特定的气体阻挡层材料包括乙烯乙烯醇共聚物，聚酯或它们的共聚物，以及特定的液体蒸汽阻挡层材料包括环烯共聚物和聚丙烯。也可以是诸材料的混合物，以及如这里所使用的，聚合材料是用来打算实现这种混合。
可以添加有机的或无机的填充剂、染料、增塑剂、滑润剂、加工助剂、稳定剂和其它小分子添加剂，将改进的性能赋予基本聚合物，以及如这里所采用的，术语聚合材料意味着包括带有这些添加剂的聚合物。可以使用的其它材料包括紫外(UV)光阻挡层，分子清除剂材料，辐射阻挡层材料，可充电的染料(例如对温度灵敏的)，对温度和/或压力变化起反映的材料，以及结构添加剂。也可以使用以上所述的基本聚合物的纳米复合材料。含有少量的粘土(1-5％)纳米复合材料已显示出在阻挡层性能方面产生较大的改进。在这些纳米复合材料中通常所采用的一粘土是有机的改性的蒙脱土、包含以一层状结构排列的多片的云母型硅酸盐。使用纳米粘土是由于它们有较高的阳离子交换能力、较大的表面、大约750平方米/克以及带有100纳米片晶厚度的较大的纵横尺寸比(大于50)。硅酸盐层的较大的纵横尺寸比迫使气体和液体蒸汽分子跟随着围绕硅酸盐层的、聚合物阵列中的多曲折路径，增加更长的扩散距离，因此有较低的渗漏性。聚合物阵列的方向效果也显示出气体和液体蒸汽分子通过该阵列的较低的渗透性。在本发明的容器内、在任何多层结构中也可以采用诸材料的许多组合。
通常，用作为气体阻挡层的材料具有提供对在通常大气条件下是气体、例如在各种环境条件(如温度和湿度)下的氧、二氧化碳或氮、的物质的大量渗透的一阻挡层的能力。能够将对在某一局部压力和温度下气体通过某厚度和接触面积的一材料的大量渗透的阻力表达为以(厘米3密耳/100英寸2·24小时、大气压)为单位的气体渗透速率。由用途确定作为一良好气体阻挡层的一材料的适合性。通常，对于约79％的氮和21％的氧的空气的渗透的一气体阻挡层对于氮的气体渗透率小于1.0(厘米3密耳/100英寸2·24小时·大气体)和对于氧是小于15(厘米3密耳/100英寸2·24小时·大气压)。
用作为液体蒸汽阻挡层的材料具有提供对在大气条件下存在于通常是液体的化学物品的表面之上的气态蒸汽的大量渗透的一阻挡层的能力。最通常是水蒸汽。这些蒸汽的压力取决于温度。能够将在某一局部压力和温度下通常某厚度和接触面积的一材料的液体蒸汽在大量渗透的阻力表达为以(克密耳/100英寸2·24小时)为单位的蒸汽渗透率。由用途确定作为一良好液体蒸汽阻挡层的一材料的适合性。通常对水的渗透的一良好阻挡层将有小于1.0(克密耳/100英寸2·24小时)的一液体蒸汽渗透率。此外，将接触血液的材料层(即内表层)通常必须是一可接受的医用材料，这意味着对于样品的最终目的它与所抽取的血液的细胞和化学成份的相互作用是可接受的。
COC和PP在该工业中易于获得。有代表性的COC商标是TOPAS(新泽西州、Summit、Hoechst先进技术集团)、APEL(Mitsui石油化学工业)和Zeonex(Nippon Zeno股份有限公司)。特别有用的COC是乙烯-二聚环戊乙烯共聚物。
适合的EVOH包括那些可购得的含有27-48％乙烯醇的产品。适合的聚酯包括PET和聚苯二甲酸乙二酯(PEN)。
举个例子，可以有COC或PP的一核心层(提供一液体蒸汽阻挡层)和EVOH或聚酯的一表层(提供一气体的阻挡层)。COC或PP可以是表层，而核心层是EVOH或聚酯。在任一结构中，一特别有用的组合是PP和EVOH，不过其中EVOH是核心材料的结构对于血液收集管是特别需要的。表层厚度对核心层厚度的比例是提供所需性能的任何适合数值。
本发明的多层容器的一重要特征(尤其是对真空血液收集管)是每种材料的复盖(如在这里所使用的，复盖指一材料存在于容器的一横剖面中)。例如，如果一液体蒸汽阻挡层材料不存在于容器的一部分，液体蒸汽可能逃逸。从而，对于某些应用场合，重要的是有一液体蒸汽阻挡层材料和一气体阻挡层材料基本连续复盖整个底壁和整个侧壁(整个侧壁意味着直至顶边的0.1英寸内，但希望复盖是在顶边的0.02英寸内)。或者，由于存在塞子可以提供充分的阻挡性能，可以替代地提供直至仅由一塞子将接触容器的一区域的侧壁位置的两材料的连续复盖(基本连续复盖指所限定区域的横剖面的至少98％中有该材料)。可以执行形成过程提供所需的复盖。以下将详细讨论这过程。
根据所用的材料，重要的还可以是封装核心材料，暴露于外部环境的核心材料的数量被保持为较少。例如，如果空气中存在的湿气影响一核心材料的特殊性能，应该控制形成过程，使表层材料基本封装核心材料，从而减少或防止核心材料对外部环境的暴露。此外，在利用不相容的诸聚合物的场合，封装是有用的(不相容的是指在宏观上聚合物缺乏良好的粘附，意味着一旦形成两聚合物的两层薄膜，在薄膜形成加工之后如果它们趋向于立即分层就认为这些复合物是不相容的，或者一旦随后施加由通常的处理、弯曲、有目的使用、改变环境条件(例如温度变化)或类似外部因素所引起的力时它们趋向于分层)。如果两不相容的材料层叠在一起成为一片，或者放入一双层管结构中，例如通过传统的两注射模制，可能发生分层。但是，在按照本发明的一表层-核心层-表层结构中，通过将核心层封装在表层内能够防止不相容材料的分层。例如，在希望封装和基本连续复盖的表层-核心层-表层的实施例中，除了容器的顶边之外，核心材料存在于全部之中，以及这顶边仅有表层材料的一横剖面。那么这顶边将抑制可能导致核心材料分层的力。
通常通过共同注射模制加工制造本发明的容器，它是就在模型口之前将至少两种分开的可注射模制的材料结合成为一整齐的一步成形加工，其中，对于加工的一部分诸材料共同流动。例如参见美国专利5,914,138号，它的揭示内容结合在这里供参考。尤其，共同注射模制可以形成一整根管子，包括一封闭的、圆形的底，在一单个步骤中，具有所需的复盖和所需的封装。不需要预制件。通过使用一模腔可以提供底壁，该模腔具有以结合将聚合物流入模腔的步骤的一方式形成封闭底壁的一区域。通过控制各种材料的流动实现所需的复盖和/或封装。
为了形成本发明的三层管子，一有用的共同注射的结构和加工过程如下，并示意地反映在图7内(通常对于各共同注射结构提供许多模腔，但为了示意目的，图7中仅示出了两个模腔)。共同注射模是一热流道、阀门、三板模型，并对各腔有一单独的冷浇口。例如通过注射单元螺杆挤压机提供核心层60和表层62材料的聚合物熔化体。有两个分开的支管64、66，这两管保持各聚合物分开，直至到达流动通道系统的喷嘴段68、70。保持这分离允许两材料保持在不同的熔化温度。在喷嘴68、70处，三个流动前沿汇合在一起一表面材料的一内和一外层和核心材料的一内层。当诸材料流入模型时，核心材料流入两表层中。利用一阀门在诸注射之间积极切断喷嘴内的材料。喷嘴68、70向一冷烧口72、74供料和然后向管区76、78供料。图8示出了离开喷嘴68的流动。核心聚合物60和表层聚合物62以三层状流一起流动通过喷嘴进入冷浇口72。阀针80是整个阀门的停止聚合物流动的部分。
如以上所讨论，对于共同注射过程可以提供核心材料的基本连续的分布。例如，如图9所示出，当利用一冷浇口(也称为一副门)时，在一流动的终端处允许某些核心材料60保持在浇口内，核心材料的这延伸提供了在容器的底壁内的所需分布。让核心材料进入冷浇口也使少量表层材料将任何剩留的核心材料清除出喷嘴。这清洁保证了下次注射仅用表层材料开始和不被核心材料沾污。使用三板模型自动地从管子打浇口和允许浇口与管子分离。不用这冷浇口，即如果喷嘴末端直接进入管子区域，在完成核心层注射和仅正在注射表层材料的地方将产生一窗口。这将产生管子底部仅含表层材料的一显著区域。因为一多层零件的整个阻挡层性能通常要求核心和表面材料的复盖，这一区域有损容器的总体性能。
从而，在本发明的加工过程中使用冷浇口提供了许多优点。尤其，如图10所示，当浇口从模型移去时，例如通过在三板模型中的切断，在瓶底处仅仅一较微小的区域没有核心材料-该区域通常是充分小而不显著，该加工能提供以上所讨论的基本连续的复盖。
使用冷烧口的另一优点是能够使用对环境暴露很少起反应的核心材料。例如，EVOH是有用的气体阻挡层材料，如果水蒸汽(例如来自环境空气)存在于EVOH中还有害地(但可逆地)影响它的氧阻挡层性能。因此，在通过在一完整周期中，一起共流表层材料和EVOH可获得EVOH核心材料的良好复盖时，这一加工使EVOH在一管子的顶边处以及在管子的最后灌注区域处被暴露。这暴露产生管子总阻挡层性能的下降的可能性。本发明的附加特征是没有在共同注射模制之后通常所要求的成形步骤，例如不用一随后的吹模步骤形成一有用的容器。
共同注射模制的注射步骤类似于单层模制。一加工过程包括下列步骤：
·闭合模型和加夹持压力。
·打开空腔阀门。
·开始表层材料注射。
·当表层螺杆位置到达一预先设定位置时开始核心材料注射(通常，核心和表层材料共同注射达到注射加工过程的至少85％)。
·利用速度控制来保持核心流动速率对表层流动速率的所需体积流量比。
·核心注射转换。
·核心保持时间和保持压力。
·对核心减压。
·在被保持的表层的端部处关闭空腔阀门。
·冷却。
·打开模型，从管子分离浇口，用空气打开诸板以放出浇口、和用脱模器环从核心推出管子。
为了控制表层厚度对核心层厚度的比例，调节表层和核心层材料的体积流量比。如果核心相对壁厚太薄，增加核心注射速度和输送行程将增加厚度和保持连续分布。如果核心太厚，那么减小核心注射速度和输送行程将纠正这情况。在容器的材料和最终使用的基础上选择这比例。
本发明的容器能够被形成为任何所需的尺寸。例如，按照本发明的一管子能够被形成为传统的75-150毫米长度和10-12毫米内径的真空管子。尤其，可以是长度75-150毫米和内径13毫米的标准真空管，或长度43.18毫米和内径6.17毫米的标准微收集管子。例如约25至约50密耳、更常用地约30至约40密耳的传统血液收集管的常用壁厚在本发明的管子中是可行的。在本发明的一个三层管子中，例如可以有约0.1到约20密耳厚、通常约1到3密耳厚的一核心层，和约8至40密耳厚、通常约10至30密尔厚的各表层。
对使用在试样收集领域，本发明的容器通常必须通过附加的加工步骤。例如，通常在管子中设置在血液或尿样分析中有用的添加剂，例如促凝血剂或抗凝血剂。如在本领域中已知的，通常在血清上进行血液分析，以及通常利用促凝血剂提高凝结的速度。这些凝血剂包括硅石微粒或例如elagic酸的酶凝块活化剂、纤维蛋白质和凝血酶。如果为了分析需要血浆，通常使用抗凝血剂防止凝血，从而通过离心作用能够分离血细胞。这些抗凝血剂包括例如草酸盐的螯合剂、柠檬酸盐、以及EDTA，以及例如肝磷酯的酶。
以任何适当方式在容器中设置添加剂，液体或固体，包括在一溶剂中溶解，或以粉末状的、结晶状的或冻干状的形式设置。
还可以在容器中包含分离器，例如以机械的或非机械的形式的密度梯度分离器(例如触变胶)。这些分离器提供细胞或等离子体分离。例如参见欧洲专利申请EP 1006360、EP1006359、EP1005909、EP104088、EP1106253和EP0384331，以及美国专利号4,140,631、4,770,779、4,946,601、6,406,671、6,280,400和6,225,123。
在模制之后，用于样品收集的一容器的装配可以包括放置一密度梯度分离器、放置一添加剂、使容器受到带有低于大气压力的一压力的一真空室的作用、施加一弹性塞子或可刺穿的一密封、通过例如辐射(例如用钴60辐射)、乙烯化氧气体暴露、或电子束暴露的一过程对容器消毒。(注意：这些步骤的几个步骤可以按一命令而不是上述顺序执行)。
例1
一PET管子和由如上所述的一共同注射加工制造的两根多层管子。
所有管子的尺寸是16×100毫米。
试验1：PET管子具有都由PET制的表层和核心层。
试验2：PET-COC-PET管子具有PET制的内和外表层和COC制的核心层。
试验3：PEN-COC-PEN管子具有PEN制的内和外表层和COC制的核心层。
每次试验的二十根管子装有一密耳的水，抽真空到200毫汞柱和被阻塞。对管子称重。将每次试验的十根管子放入在25℃和50％相对湿度的一储藏室内和每次试验的十根管子放入在40℃和50％的相对湿度的一储藏室内。在表1中示出了56天之后对于每次试验的平均重量损失(即水的损失)。
表1 管子 平均水的损失(微克) 25℃、在56天后 平均水的损失(毫克) 40℃、在56天后 1 58.3 163.9 2 13.2 50.5 3 6.0 未测量
例子2
按照上述加工过程制造PP表层材料和EVOH核心材料的三层管子。管子是13毫米×75毫米、2.0密耳抽吸管子。如表2所示，进行了十三次试验，试验具有下列变化：(1)EVOH存在的数量(体积百分比)，以及(2)在管子中EVOH的复盖标定范围。
表2在管子中标定的EVOH复盖在管子中没有EVOH EVOH位于顶边以下0.500英寸EVOH位于顶边以下0.200英寸EVOH位于底部以上0.500英寸EVOH的基本完全复盖标定的0体积％EVOH试验#1----标定的5体积％EVOH-试验#5试验4试验#3试验#2标定的8体积％EVOH-试验#9试验#8试验7试验#6标定的10体积％EVOH-试验#13试验#12试验11试验#10
对于每次试验，准备了多个湿的和干的管子，以及进行测试。通过首先对空管子称重、在其中放入0.2密耳的水和再称重来准备湿的管子。然后将湿的管子传统地抽真空和被阻塞住，以提供2.0密尔的抽取容积。对管子传统地抽真空和被阻塞住，以提供2.0密耳的抽取容积。每次试验时对湿的和干的管子将时间为零时的抽取容积确定为一控制值。
其余的管子放置在架子部件中和放入50℃、没有相对湿度控制的一室内。六周内的每个第七天从每个试验取出32个湿的和32个干的管子进行测试。
对于湿的管子，通过对管子称重以确定水分损失、以及然后测量抽取体积以确定真空保持度来进行测试。对于干的管子，通过测量抽取体积以确定真空保持度来进行测试。图10示出了水分损失试验结果，图11示出了对于湿管子的真空保持度测试结果，图12示出对于干管子的真空保持度测试结果。
本发明的其它实施例也是可行的，因为其它实施例对于本领域的一熟练人员来说是显而易见的。