玻璃表面与水：不得不说的那些事
分子间的相互作用里，有一个非常重要的部分：氢键。它是生命得以存在的必不可少的力量，比如说DNA中的氢键作用（图1）。这种弱相互作用，无处不在。今天我们就来讲一讲玻璃包装材料相关的氢键作用，所谓存在即是合理，它对药品包装而言，带来了哪些好处与坏处？今天我们就来八一八。
图1 DNA中的氢键作用
玻璃表面与水的相爱相杀
在讲这个之前，让我们与化学界与制药界的朋友们，一起回想一个概念：无水无氧。还记得那些在实验室的苦逼日子么？在做一些条件比较苛刻的化学反应时（比如说丁基锂的反应，一些金属化合物的合成），因为原料或者是产物对水气的高度敏感，无水无氧的条件则是反应成功的前提。特别是一些金属催化反应，为了将水汽除得尽可能干净，会用真空泵的作用下，用酒精灯对着玻璃瓶烧烤，以尽可能去除瓶子内表面吸附的水膜（图2）。
图2 无水无氧操作
另外，在实验室中，经常干的一件事就是清洗玻璃器皿（经常碱缸浸泡），在烤箱中烘干后取出时（特别温度没有完全降低到室温时），也会明显感受到瓶子外壁的那种摩擦力。
上面的经验告诉我们：
玻璃表面的水汽，不是那么容易去除的
玻璃表面的水汽去除后 ，是会影响表面的宏观行为的
视频1 隧道烘箱去热原过程
再回到我们制药工艺过程，对于那些非免洗免灭产品，药企的第一件事，是对玻璃包装容器进行清洗，并且过隧道烘箱，以去除热原（除热原的过程如视频1，通常在320度左右，30min）；从隧道烘箱中出来时，也能感受到那种瓶子与瓶子之间的摩擦力；在导轨上前进时，有时还会出现爬瓶及相互粘附的现象。这一切的一原因，都是谁在作怪呢? 猜对了，这，就是“水”在作怪。玻璃表面与水的相互作用，有时我们似乎需要它，有时我们又不需要它，这种相爱与相杀，或许是“矛盾是普遍存在”的哲学体现吧。
相互作用的微观原因
先来看看玻璃的成分与表面。在前面的分享中，我们就讲到了玻璃的成分，里面非常重要的一个成分，就是SiO2。而作为玻璃的表面，Si-O打开之后，则是有非常多的Si-OH结构，这一些结构，很容易与水形成氢键，如图3所示[文献1]。
图3 玻璃表面与水的相互作用
由于OH基团的存在，它对水分子就有着不可抵抗的诱惑力，所以，在玻璃的表面，就会吸附着一层薄薄的水分子，有了这一层“金刚”护体之后，就像是多了一层润滑，降低了摩擦力，表面得到了保护，这层水膜约在17nm左右。而如前面所述，那些刚从隧道烘箱中出来的瓶子，因为表面的水汽消失较多，因此，这层小小的保护膜，不复完整，体现在宏观方面，就是摩擦力加大了。
研究表明，玻璃表面的结构的Si-OH,有多种存在的形式。在高温条件下，首先，水气的膜层去除，而这些表面的Si-OH,也会一定程度上发生发生缩合（脱去水分子），根据热处理的不同，有可能有不同的缩合方式。
图4 玻璃表面在高温下发生的脱水反应
当玻璃表面温度下降之后，前面有缩合反应的Si-O键部分再次打开的可能，而空气中的水分子，则会再次慢慢吸附在玻璃表面，这样，原有的保护膜，又重新出现。
所以，这个水汽重新吸附的时间点，就非常的重要；但是在线上，又不可能让瓶子有足够的时间去完全吸附水汽，在这个过程中，这些瓶子的表面，就很容易在外来接触的作用下刮伤，犹如一个没有壳的鸡蛋（国5）。
图5 失去表面水气保护的玻璃如同没有壳的鸡蛋，更加脆弱
如何应对高温后的脆弱表面与粘连
从前面的学习中，我们知道，刚出隧道烘箱的瓶子，非常的脆弱与刮伤；同时，也知道，加快水气重新吸附，利于瓶子的保护。但是呢，在实际的操作中，想让水气快速恢复至表面，也不太现实。那么，如何应对这些表面引起的问题呢？
尺寸的优化设计：来尽可能减小瓶子与瓶子之间的接触，通俗地讲就是降低接触的面积 人为外表面的处理：比如说像一些安瓿类产品的生产中，用PTFE刷子，实际上是额外引入了一个润滑系统；也有一些新的产品，通过外表面的处理，但是要注意不要引入额外的污染 让时间来解决：瓶子包装久置之后，瓶子的表面摩擦力会慢慢降低，因为水汽又进行了重新的凝结。 以上是三个不同的努力方向，这里也只是谈谈理论，在实际操作层面，需要许多的实验设计（除了第三个之外，第三个方案，是一种最佛系的方法）。 歪打正着：有个有趣的现象，有时因为一些有机污染物的存在，洗瓶没洗干净，反而粘连现象更小了，这是因为这些污染物刚好起到了表面润滑的作用；所以，看起来，有时洗得太干净，也不是好事嘛。当然了， 这时，要注意其它的污染问题。
今天就分享到这，帮助大家了解高温条件下玻璃表面的变化。
参考文献：
1. INFLUENCES OF THE RELATIVE HUMIDITY ON THE STRENGTH OF GLASS BONDS EXECUTED WITH ARALDITE®2020 AND HXTAL™NYL-1