化学强化硼硅酸盐玻璃药瓶的力学性能优化及其与铝硅酸盐玻璃的对比研究

本研究针对药用玻璃容器易碎性导致的药品安全风险，通过离子交换化学强化技术系统探究硼硅酸盐玻璃(BSGV)在不同温度/时长下的表面压应力(CS)、层深(DOL)与机械性能关系。发现450°C强化4小时的BSGV力学性能接近Corning Valor?，但500°C长时间处理会因网络结构重组导致硬度(Hv)下降，为高价值药品包装材料选择提供重要数据支撑。

　　

在疫苗和抗癌生物制剂需求激增的背景下，药用玻璃容器的机械性能缺陷正成为制约药品安全的隐形杀手。传统硼硅酸盐玻璃药瓶(BSGV)的脆性导致的破碎、腐蚀和分层问题，每年造成数百万美元的药物召回损失。更棘手的是，作为替代方案的铝硅酸盐玻璃(Valor?)又因铝元素的潜在神经毒性争议在部分地区受限。这种"两难困境"促使韩国产业技术研究院的研究团队在《Journal of Non-Crystalline Solids》发表突破性研究，首次系统揭示了化学强化BSGV的力学性能优化路径。

研究采用低温浸渍离子交换技术，通过KNO₃
熔盐中Na⁺
/K⁺
置换在BSGV表面形成压缩应力层。关键实验技术包括：1) 使用日本电气玻璃(NEG)提供的BS玻璃管制备标准5mL药瓶；2) 在400-500°C梯度温度下进行1-4小时强化处理；3) 采用表面应力仪(FSM)定量CS和DOL；4) 通过维氏硬度(Hv)和弹性模量(E)测试评估机械性能；5) 以Corning Valor?为对照进行内部压力(IP)极限测试。

【Vial preparation】
研究选用NEG硼硅酸盐玻璃管制备标准5mL药瓶，与Valor?进行平行对照。成分分析显示BSGV含81.6% SiO₂
和12.9% B₂
O₃
，而Valor?含6.2% Al₂
O₃
作为网络形成剂。

【Chemical strengthening properties】
FSM检测发现CS与DOL存在显著负相关：400°C处理1小时获得最高CS(438.9MPa)，但DOL仅11.2μm；500°C处理4小时CS降至240.2MPa时DOL增至42.3μm。与Valor?相比，BSGV的CS和DOL最大值分别低55%和89%。

【Mechanical properties】
450°C强化4小时的BSGV表现出最佳平衡：Hv达5.86GPa，E达76.5GPa，接近Valor?水平(6.12GPa, 78.3GPa)。但500°C处理会导致网络结构松弛，使Hv和E下降约15%。

【Internal pressure strength】
所有强化BSGV和Valor?的IP强度均超过测试设备60bar上限，证实化学强化能显著提升爆破阻力。450°C处理的BSGV与Valor?在IP性能上无统计学差异。

这项研究首次建立了BSGV化学强化的"温度-时间-性能"三维关系图谱。Jihun Jung团队发现：1) 450°C是优化BSGV机械性能的临界温度点；2) 延长处理时间在400-450°C区间有益，但在500°C会产生负面效应；3) 尽管CS/DOL绝对值低于Valor?，优化处理的BSGV仍能达到同等IP防护水平。该成果不仅为避开铝毒性争议提供了技术解决方案，更通过揭示硼硅酸盐玻璃网络结构重组机制，为下一代药用玻璃开发奠定了理论基础。特别是COVID-19疫苗瓶需求暴增的当下，这项研究可直接指导制药企业平衡生产效率与包装安全性的工艺选择。