• 幻灯片1
  • 幻灯片2
  • 幻灯片3
  • 幻灯片4
你当前所在的位置: 首页 >>技术中心挤出工艺和挤出设备
SKILL / 技术中心
CONTACT / 联系我们
  • 销售电话:  023-86041200
  • 售后专线:  023-86041201
  • Q  Q在线:  2282507902
  • 公司传真:  023-86041202
  • 公司网址:  http://www.kxcq.com
  • 公司地址:  重庆市渝北区空港新城同盛路109号
挤出工艺和挤出设备

引言

   挤出是指在可控条件下,施加外力使原料通过小孔或模具,形成具有相同形状和相对密度的产品的过程。挤出设备由两个不同的部分组成:输送系统和模具系统。前者输送物料,有时也传递一定程度的可配送的混合物(distributive mixiflg);后者将物料加工成为所需的形状。广义上讲,挤出可以分为温度控制的熔融挤出系统和半固体黏稠系统。熔融挤出系统通过加热控制物料的黏性,使其流出模具;半固体黏稠系统是指将高比例固体混人液相形成的多相高浓度分散体系,一般根据处方控制半固体物质的黏度从而实现挤出。

   挤出是大量生产均一产品的连续工艺,通过使用特别设计的或适用于特定产品的挤出设备,该工艺在广泛的制药工业领域有多种用途。本章介绍了多种挤出设备,并详细说明了挤出工艺的多样性。

挤出理论和特征

   各种不同类型的挤出设备有一个共同的特征:施加压力使原本横截面较宽的物料通过起限制作用的模具挤出。挤出过程需要的压力和得到的挤出物的性质,取决于挤出物的流变性、模具的设计和物料挤出的速度。为了便于从理论上理解,我们把挤出过程分为三部分:物料进入模具;物料流经模具;物料从模具中挤出。

   挤出过程取决于物料,物料不同,技术也各异。药剂中大多数系统由粒子分散在液相中构成。本章介绍的重点为膏状物挤压,也会涉及塑性挤出。二者的不同之处在于固体粒子之间是否有流体存在。在挤出过程的不同阶段,固态和液态的相对位置可以发生转变,因此产生的影响与单相体系不同。

   如果将模具看做是简单的毛细管,那么切变速率(γ)和模壁切应力τw之间的关系可以用式(1)表示:

τw=γP·R/2L     1

式中:P为半径为R、长度为L的毛细管两端的压差。毛细管长度增加时,必须考虑入口效应,对式(1)进行修正,得式(2)

τw=γP/2(L/R+nb)     2

式中:nbBagley入口修正因子,通过测定,将物料通过不同L/R值的模具挤出所需的压力作图,外推曲线至压力为0,得到曲线在L/R轴上的截距值即为nb

   HanCharles在实验中发现出口压力往往高于大气压,并就出口压力损耗对式(2)进行了修正,得到式(3)

τw=(γP-Pe)/2(L/R+nb)      3

   出口压力Pe难以测定。因为Pe往往低于上游压耗和模具压耗,所以经常被忽略。上游压耗值可以很大,可以通过L/R值为0时在压力轴上的截距确定(Bagley方程),得到式(4)和式(5):

τw=(PT-P0)R/2L      4

PT=P0+2τw(L/R+nb)      5

   上游压耗是由动能、头部效应、弹性损失和湍流造成的压耗的总和。Harrison发现一系列药剂系统的P0值随通过模具速率的增加而增加。

流变学曲线

   式(5)不仅可以用来计算上游压耗和末端校正nb值,还可用于计算体系中的切应力τwPT-L/R曲线的斜率w,即模-壁的切应力。模壁的切变率(dv/dr)w可由Hagen-Poiseuille定律而得,如式(6)所示:

                   (dv/dr)w=4Q/R3      6

式中:Q为流量;R为模具半径。该公式适用于牛顿流体。对于非牛顿流体,Jastrzebski对切变率进行了校正,得到式(7):

-(dv/dr)w=(3n’+1)/n’*Q/(πR3 )     7

式中:n’为非牛顿流体程度,是切应力对数对表观切变率对数作图所得直线的斜率。Wilkinson指出这些公式成立的前提是:层流;模具壁没有滑动;切变率只取决于测量时的切应力,与时间无关。

   通过柱塞式挤出机确定切应力一切变率曲线,再根据曲线的基本类型,就能够确定挤出原料的流变学性质,见式(8)~式(11:

   对于牛顿流体:

σw=γ’η     8

式中:η为表观黏度;γ’为切变率。

   对于宾汉体(Bingham body):

                 τw=σy+γ’U      9

式中:σy为牛顿流体开始流动前必须克服的压力,即屈服值;U为塑性黏度。

   幂律模型为

                   τw=Kyn’      10

式中:K为幂律流体黏度常数;n’是非牛顿流体程度。如果澎值小于1,切变率增加,物料黏度降低(切变稀化);如果n‘值大于1,切变率增加,黏度增大(切变增厚)。

      -巴模式(Herschel-Buckley model)为

                   τwy+Kγn      11

  该公式适用于屈服值和切变率依赖于黏度的体系。

     上述流动曲线应用的前提是:挤出过程中,匀质物料的黏度保持均匀不变。Harrison等及其同事发现这个前提并不成立,认为这是由挤出物内部的活塞式流动和模具壁上的滑动流造成的。

     标准的流变学模型不能定量地描述流体进入、通过和流出模具的过程。通过对陶瓷催化糊剂的研究,Benbowovenston提出了新的模型,他们假设挤出物的中心存在较宽的活塞式流动,而在模具壁上的一个薄层内发生了剪切,假设这个薄层为牛顿流体,厚度为x,黏度为η,诱发流动的初始切应力为τ0,当挤出物流速为V时,由式(12)可得,总的模壁切应力为介:

                 τw0+(η/x)V      12

ηx值不能直接测得,因此Benbow等引入了模具黏性因子ββ=η/x,得式(13):

                    τw0+βV      13

τw引入式(4),得

             Pτ=P0+2(L/R)(τ0+βV)      14

   当挤出物通过模具(毛细管长度恒定为L)时,将挤出压力对挤出速率V作图,即得τ0值。V=0时外推的挤出压力值即速度为0时的P0v0,见式(15):

                 pτv0=p0v0+2(L/R)τ0      15

   因此将pτv0L/R作图,斜率的一半即为τ0。将式(14)变形为式(16),由此可以计算β值:

       β=(Pτw-P0w)-(Pτv0-P0v0)2(L/R)V      16

式中:Pτw为挤出速率为V时的总挤出压力;P0w为挤出速率为V时的上游压耗。

   物料流动初始横截面较宽,而到达模具时横截面变窄,形成了会聚性的流动,BenbowBridgwater提出了与之相关的屈服值σy,进一步定义该系统的性质,见式(17):

                 P0yIn(A0/A)      17

式中:A0为起始横截面面积;A为模具横截面面积。如果起始和最终横截面均为圆形,可得式(18):

                 P0=2σyln(D0/D)      18

式中:D0D分别为桶身和模具的直径。对于易塑性变形并且对时间没有依赖性的物料,将压力PL/R作图,所得压力轴截距除以2倍的ln(D0/D),即得σy值。

   BenbowBridgwate将这种概点与上面提到的公式相结合,对Bagley公式进行进一步的修正,得式(19):

   Pτ=2(σy0+αV) In(D0/D)+2(L/R)(τ0+βV)      19

   如果模具黏性因子β随挤出速率而改变,或者模具壁液层是非牛顿流体,应对式(19)进行校正,得式(20):

     Pτ=2σyIn(D0/D)+2(L/R)(τ0*Vt-n)      20

式中:β*为修正的幂律流体常数;n为非牛顿流体程度。BenbowBridgwate假设进入模具的速度也取决于流体速度,用两个经验常数(进入模具的初始屈服值σy0和进入模具的屈服应力速度系数α)代替屈服值σy,对式(18)进行替换,得式(21):

             P0=2(σy0+αV) In(D0/D)      21

   式(22)是完全校正的Bagley方程:

     Pτ=2(σy0+αV) In(D0/D)+2(L/R)(τ0+βV)       22

   将速度为0时的P0v0L/R作图,截距值即为σy0。对于给定的体系,α值可由式(23)计算而得:

           α=(P0w-Pv0)/[2ln(D0/D)V]      23

其中P0wPv0可以通过前面的公式得到。

   如果不把体系当作糊剂(挤出过程中没有液体流动的均一体系),而当作聚合物的熔融体,可以对湿料做进一步的表征。Cogswell认为熔融体通过毛细管流变计的流动属于拉伸流动,流路先会聚再加速。Cogswell将流场分为切应力和张力变形,并用下列方程描述计算结果:

          TS=3/8*(n+1)P0      24

式中:TS为张应力;n为幂律指数;P0为模具入口压降。

 

ESR=4πγ/[3(n+1)]=γ/2*tanθ      25

式中:ESR为拉伸应变速率;τ为模壁切应力;γ为切应边速率;θ为半集中角。

            EV=TS/ESR      26

式中:EV为表观拉伸流动黏度。

   这种方法适用于幂律流体模型[即式(10)],该流动方式不受壁滑动的影响。

   物料除了能够进行拉伸流动外,还具有弹性。可恢复剪切(RS)和依从性(C)用于弹性的量化。RSC可以由下面的公式得到:

RS=P/4π      27

以及

        C=P/(4τ2)      28

    Chahanll利用上述理论来研究分支聚乙烯熔融体的流动。尽管在伸展速率较高的情况下,这些术语精确的含义还不清楚,但毫无疑问它们与物料的弹性有关。这些值越高,物料的弹性越大。

流变学性质的测定

   挤压力和挤出速度的测定能力是理论研究应用的基础,大多数市售的挤出设备不能进行上述测量。杯锤流变计和锥钣流变计等常用的流变学装置不具备相应的几何永态和仪器化,因此不能用于测量常用黏稠度的材料。于是在实验中设计了合适的柱塞式挤出机。

   柱塞式挤出机是由BenbowOvenston设计的,它是一种预灌封系统,能用于实验室和小规模挤出(图1)。该装置有一个内径2.54cm、长度大约20cm的不锈钢筒作为物料的储库,底部是个可互换的模具,模具中心用螺丝固定不同半径的毛细管。筒身和模具之间放置了橡皮圈用于防水。不锈钢的活塞可以在筒内自由滑动,在活塞的底部有一个聚四氟乙烯树脂圈,可以产生低摩擦力的密封,用以防止活塞沿筒壁下滑时,物料被挤到活塞上方。挤出是一个非连续的操作过程,首先将物料(50100g)放入筒内,用活塞初步压成塞状。如果挤出物料对温度敏感,就在筒外加一个温度控制装置控温。筒和模具都被固定在坚固的金属块上,在活塞上施加足够的外力使物料通过模具挤出。柱寨式挤出机可以和仪器化的压力机联合使用。活塞与能以不同的速度恒速下降的直角机头相连,与之相连的位移传感器可以监测其位移的变化情况。位移传感器和测压元件的输出信号被输出到x-y图表记录仪或计算机中。这种排列方式便于在挤出时,将作用在物料上的外力以活塞位移函数的形式记录下来,同时也得到了外力一位移曲线。


1 柱塞式挤出机示意图

典型的混合物挤压过程可分为3个不同的阶段,如图2所示,在压缩阶段,活塞下降深入筒中并且在流动之前把物料压成塞状。在该过程中,活塞位置发生了较大的变化,压力也有了轻微的改变。最终,物料被压缩到体积最小、相对密度最大的状态。这时物料相对密度几乎不变,而压力累积递增。相应的在曲线上可以观察到:伴随着外力的大幅度增加,位移只发生了轻微的改变。在压缩末期,对物料施加的压力一直增加,直至使物料开始流动。随后是稳态流阶段,在该阶段,随着位移的增加,挤出力大小不变。当稳态流不能维持时,出现了强制流动,这导致随位移的增加,挤出力慢慢增大。通常在挤出的最后阶段,由于活塞顶端接近模具表面而容易发生上述现象。

2 微晶纤维素-乳糖-水混合物的外力-位移曲线

      如果模具直径、L/R值或挤出速度等挤出参数中的任何一个发生变化,那么压力-位移曲线就会改变。对于给定的混合物,如果模具直径和挤出速度固定,那么稳态挤出力和模具L/R值之间的关系可以用图3表示。这就是已知的Bagley曲线。由此看来,挤出机的原理和毛细管流体的原理是一致的。从毛细管流体得到的公式也可以用于描述湿粉末的性质。将稳态力值转换为压力值后,压力对L/R的斜率近似约为模壁剪切力平均值的两倍[由式(4)得]。将这些值对相应的模壁剪切速率[由式(6)得]作图,得到了特定的湿物料处方所特有的流动曲线(图4)。这些物料具有非牛顿流体和剪切稀化的性质。

3 微晶纤维素-乳糖-水(5:5:6)在恒定模具直径(1.5mm)和挤出速率(20cm/min)下,稳态挤出力与模具L/R的关系

挤出系统的实际性质

   用数值来表示药物体系的挤出性质有助于处方设计。如果要将上述理论应用于实际,就必须考虑系统的限制因素。糊剂体系存在一个比较突出的问题:在受力情况下会产生相分离,从而导致挤出颗粒的成分发生变化。这种相分离可以通过收集挤出物并测定其含水量来确定,或者也可以用核磁共振成像术来测定筒内和挤出物中的含水量。

4 含有50%微晶纤维素的挤出物料通过1.5mm直径模具挤出时典型的切应力-切变率曲线

    可以使用不同长度和直径的模具来衡量模具壁滑动的程度。挤出物表面结构的质量是一个很重要的参数。Harrison等证明,表面结构可以从光滑整齐到粗糙的沙鱼皮样变化。很明显,如果要生产优良的挤出物,就必须避免鲨鱼皮现象。表面缺陷的形成与物料的组成和操作条件(比如模具长度和直径以及挤出速度)有关(图5)。Ralnes等咖彐研究了挤出物的表面质量与。黏度屈服值饰的关系,发现际数值越高,表面越光滑规则;数值低时出现鲨鱼皮样。

5 挤出力与L/R值的关系图,显示挤出微晶纤维素乳糖-水(5:5:6)时发生表面缺陷的条件。模具直径=1.5mm;柱塞速度(cm/min5●102040

    大多数研究过的糊剂体系呈现非牛顿流体的行为,这对于挤出机的设计和操作条件有重要的影响,因为对于依赖于切变速率的原料需要小心操作。迄今为止,大部分发表的流变学研究表明,糊剂体系是剪切稀化的(即它们的黏度随切变率增大而减小)(图4)。这种性质可以通过n’值(切变速率对数和切应力对数的曲线斜率)进行定量。有证据表明,当在产生切应力的模具壁上有一个薄的润湿层时,糊剂体系呈活塞式流动(即挤出物的中央核进行匀速运动)。

处方

   在挤出过程中,挤出混合物形成具有黏性的塑性物块,并保持均质性。这种物料须具有内在的流动性,在通过模具时能够流动并且可以进行自润滑。挤出后的物质不能粘连,要保持一定的刚性,只有这样才能保持通过模具得到的形状。随后的工艺决定了对处方的精确度的要求。挤出物被切成短的圆柱形颗粒后,再经流化床干燥的粒料牢固度可以比再经滚圆等复杂工艺处理的粒料的牢固度小,而后者会有轻微的形状改变。

   圆柱形挤出物进行滚圆所需具备的条件有:

   1)挤出物在湿的时候具有足够的机械强度,而在滚圆机内应有一定的脆度,便于加工成较短的长度,但也不能脆到完全破碎的程度。为了获得较窄的粒度分布,理想上挤出物应加工成有统一长度的圆柱体,长度大约为直径的1·5倍。

   2)挤出物必须有足够的塑性,以确保圆柱体可以在滚圆机中因摩擦而生成球形。

   3)挤出物本身没有黏性,以确保在操作过程中,颗粒分散良好。

   典型的挤出混合物应该包括以下成分:

   主药   50%~90%

   挤出辅料

     微晶纤维素,皂土   5%~90%

   黏合剂

     聚乙烯吡咯酮(PVP

     羧甲基纤维素钠(SCMC

     羟丙基甲基纤维素(HPMC

   液体

     水或溶剂

挤出工艺的优点是最终产品中活性成分的比例可以很高,甚至可达90%。药物的理化性质也在很大程度上决定了某一处方所能包含药物的最大量,挤出辅料很重要,通常使用微晶纤维素,它具有双重作用:在挤出过程中控制水在湿粉末中的运动;调节混合物中其他组分的流变学J胜质,并使混合物呈现一定的塑性以便挤出。这种和液相的相互作用既是物理现象,也是化学现象。微晶纤维素的微观结构是随机聚集的纤维状微晶,内部孔隙率很高,表面积很大,为130270m2/g。这种结构使微晶纤维素有高度的吸附性和保湿性,且不受挤出过程影响。这些基木性质使微品纤维素成为用于挤出的独特材料,皂土和高岭上也可使用。5%~10%的辅料可以明显改善药物含量较高的混合物的挤出性质。最近一些研究表明,加入单硬脂酸甘油酯可以减少微晶纤维素的用量。

   附加成分可能是必需的,也可能不是必需的。当微晶纤维素含量较低时,使用黏合剂可以增加塑性,降低挤出物脆性。天然的或合成的聚合物,如明胶、PVPSCMC,可以以固体形式加入到干燥的混合物中,也可以以液态加入到溶液中。市场上已经出现了掺人聚合物的微晶纤维素辅料,如含有SCMC Avicel RCAviCd CIJ等级的微品纤维素(FMC公司)。微晶纤维素类型的改变,将显著改变混合物的流变学特性和挤出特性。含不同粒径的微品纤维素和不同量SCMC的微品纤维素一乳糖水(5:5:6)混合物的切应力-切变速率曲线是明显不同的。湿的团块中加入聚合物后,混合物的流变学性质会发生明显的改变。认识到这点对于选择处方很有帮助,因为在后续的剪切、滚圆和干燥工艺中,含不同微晶纤维素混合物的挤出物表现出明显的不同。

   干组分的混合物要和水或者乙醇类的溶剂混合,才能形成黏稠的适宜挤出的团块卿〕。湿料中的含液量和液体分布非常重要,必须严格控制才能形成具有理想性质的挤出物。总之,湿润混合物旨在尽可能提高物料密度,以便通过挤出机挤出,它比常规压片制粒的湿润程度高20%~30%(w/w)。松散且润湿不完全的物料进料比较困难,并且在机器内易产生额外的压力和摩擦力,在滚圆过程中,容易产生大量的细粉,由于干的挤出物塑性不足,会形成不易滚圆的哑铃状或椭圆的颗粒。另外,若混合物太湿,则容易粘连在滚圆机板上,也容易发生自身粘连。这种产品易发生不受控的聚集,即使在最佳情况下,由于物料通过板运动在颗粒间传递,也会形成粒径分布较大的球形颗粒。

   到目前为止,通过这一方法制备不同药物的可操作性还没有全部确立起来。将pKa和冰点降低,或用滚圆等级的微晶纤维素生产大小均一的小球的能力联系起来是不可能的。但是已经确立了含等量的模型药物和微晶纤维素的处方的水溶性和需水量的关系。

 

工业应用

 

1.塑料

   挤出技术广泛应用于塑料和橡胶工业,是最重要的生产工序之一。由聚合物挤出工艺制造的产品包括管道、软管、绝缘导线、电缆、塑料、橡胶布、聚苯乙烯砖等。最常见的挤出设备是单螺杆挤出机(图6),具有冷或热的进料区,在加工之前加热聚合物。挤出设备由一个装在固定圆筒内的旋转螺杆组成。圆筒是由不同的几部分通过螺栓连接在一起的。筒的内表面通常有凹槽,以减少滑动,增加抽气容量。模具的端板与筒身末端相连,决定了挤出物的形状。

6 单螺杆挤出机的组成

     挤出设备通常可以分成三个部分:进料区、过渡区和定量区。树脂颗粒从加料斗直接进入进料区,进料区的螺纹很深,或螺距较大。这种几何构造使得加入的物料能够轻易地落到螺杆沿筒转运。颗粒被传送到过渡区,并在过渡区进行混合、压缩、熔化、增塑。压缩是通过保持螺纹深度恒定减少螺距,或者保持螺距减少螺纹深度进行的。这两种方法都能引起物料沿圆筒运动时的压力增大。当树脂颗粒在转动的螺杆和筒壁之间剪切时,大部分物料熔化所需要的能量都由摩擦生热提供,其余的热量可以由安装在桶上的电热装置提供。熔融体通过螺旋的循环流动而移动,包括横向流动、拖拉式流动、压迫式流动以及泄漏。后两种流动机制与原料沿筒运动相反。原料到达定量区时已经是均一塑性的适于挤出的熔融体。为了产生均匀厚度的挤出物,物料必须恒速流动,并且在模具入口处不能有停滞区。定量区的功能是减少脉动性流动,并且确保熔融体以均匀的传送速度穿过模具孔。有时需要在挤出机与模具板之间安装一个滤板,以去除一些固体杂质以及没有完全熔融的树脂块。

   有些黏弹性和熔融黏度范围较大的聚合物不能用单螺旋挤出机加工。因此对商用的挤出设备的设计进行了一定的调整,提供螺杆或者是其他可互换的部件,来改变进料区、过渡区以及定量区的构造,以适应实际需要。例如把标准的挤出机改造成高切应力或者高输出的挤出机。改造后的螺杆的设计使得挤出机除了能够用于挤出外,还能起到混合的作用,可以将原料染色或混合。VhelanDunning对现有的多种螺杆、模具设计以及对热塑性挤出的实际问题进行了综述。在挤出过程中,要对影响聚合物挤出的不同的参数进行密切的监控,包括黏性、黏性随剪切速度和温度不同而发生的变化、弹性、拉伸流动以及原料在热金属表面的滑动。前面的挤出理论和性质部分中已经阐述了流体公式。近来在挤出机的设计和操作方面取得了一些进展,这使得能对操作过程以及一些控制参数进行监控,比如挤出机、机头以及模具的温度,挤出机与模具的压力,筒壁厚度及尺寸,牵引速度以及挤出速度、能量消耗等。

   上面描述的过程是面或线式挤出,挤出形状由模具来决定。挤出面水平地进入剪切设备,以控制挤出物的长度。然后用喷雾或者浸人水中的方式冷却到固态,并通过牵引机。最后,剪切成适当的长度或绕线圈。下游的辅助设备,如处理挤出物流动的牵引设备、收集连续管道或面的绕线圈设备、修剪机和冷却机、在线监控管道直径和厚度的系统等,和挤出机一样重要。管道和其他的固态截面都可以由面挤出来加工。面挤出也可以进一步加工,比如薄膜挤出、吹塑成形或者射出成形。

1.1 薄膜挤出

      聚合物熔融体通过有狭长切口的模具挤出至高度抛光的冷滚筒上,形成薄膜,即流延薄膜。塑料包状薄膜还可以通过吹塑成形制成,管式薄膜是将熔融体垂直地通过有环形裂缝的模具而形成。向挤出的管状物中吹人空气,使之膨胀塑成一个较大的圆柱体。空气流直接吹在其外表面进行冷却,收卷前通过一对滚筒间,使其破裂。流延薄膜的光学性质通常比吹塑成形的薄膜好,但是机械强度弱于后者。流延薄膜通常需要额外的费用进行边缘修整。

1.2 吹塑成形

     首先将塑料加热达到熔化或者黏稠的状态,一部分熔融的聚合物管(型坯)通过模具头挤出进入一个敞开的模子,模子包住型坯并封闭其一端。向管道的开放端通入压缩空气,使黏性的塑料扩展直至布满模子腔壁,这样就形成了模子的形状。熔融体在空腔内冷却固化后,打开模子取出成形的产品。这项技术可应用于瓶子、玩具和较大容器的生产。

1.3 射出成形

      在高压下熔融的塑料被挤入模具的空腔。冷却固化后,打开模具,将成形的产品取出。通过这种技术可以得到很多相对复杂的形状,如为电子、电信或者是钟表制造业提供一些复杂且坚硬的组件。

   可以通过挤出生产的塑料包括丙烯酸酯类(聚甲基丙烯酸酯和聚丙烯酸酯)和丙烯腈的共聚物、纤维素(醋酸纤维素、丙酸纤维素、乙酸丁酸纤维素)、聚乙烯(低或高密度)、聚丙烯、聚苯乙烯、乙酸乙烯塑料、聚碳酸酯,以及尼龙。WhelanDunning对挤出用原料和挤出物的性质做了总结。在挤出过程中可以加入一些添加剂调节和改善挤出物的性质,如加入润滑剂或防滑剂用于协助挤出、加入增塑剂可达到适当的柔软度和弹性、加入稳定剂和抗氧化剂延迟或者防止降解,另外还可以添加染料和色素。

2.食品

    理论上讲,任何一种可以做成糊的食品都可以用挤出的方式加工。早在18世纪30年代,食品挤出技术已经应用于面食的生产。现代设备和加工技术已经能够加工各种各样形状和大小的复杂产品。将谷类、含油的种子或蛋白质等原材料,与糖类和水混合,能够加工成多种产品,比如肉的替代品、宠物粮以及各种零食小吃。现在有一种广泛使用的多功能技术,结合了烹饪和挤出于一体的所谓的挤出压烹饪机,将会用于生产一系列新奇特别的产品,比如早餐谷类(膨化定形的谷类食物)、定形的填充小吃、蛋白质强化产品或者是预煮面制品,还有方便食品中的预煮肉丝。这个工艺非常经济,一步就可以完成食品的混合、高温短时的烹饪、成形等。这种装置非常像用于热塑料加工的螺杆挤出机。螺杆的主要作用是沿筒产生不同的区域,使食物能分步进行加工。固态或者液态的原料从加料斗进入挤出机的进料区,然后被传送到过渡区。在过渡区,原料经过压缩、混合、剪切、加热,形成一个黏稠可塑的面团。在定量区,可塑性面团在注人模具成形之前,需要进行进一步加热和剪切。离开模具后压力降引起过热的水快速进入面团,如果面团中含有淀粉,凝胶化作用将使面团膨胀成为多孔且易碎的结构。最后切割产品,用滚筒成形,烘干包装。

   在挤出烹制过程中剪切速率、温度及水分的改变,以及由此引起的物理化学变化,如蛋白质变性,多糖凝胶的形成和分子结构再定向等,可能会导致生面团黏度相差超过一个数量级。所以成功挤出食品需要对加料速度、螺杆速度、温度和湿度进行精确的监测和控制,以生产并控制所需产品的性质。在食品挤出前,了解定量区食品混合物的黏流变特别重要,而这绝非易事。因为与均一混合物和简单聚合物的混合物不同(它们主要的变化是熔化),食品生面团是很复杂的混合物,难以确定其确切的化学组成和结构。人们已经尝试使用从塑料挤出得来的半经验模型来描述烹制生面团的表观黏度,这对于评估食物组成可能有所帮助。RemsonClark利用Instron毛细管黏度计和面糊黏度测定法来描述典型大豆粉生面团的流变学性质与所用的切变率、温度和时间一温度关系曲线的关系。Fletcher等研究了玉米混合物的黏生面团流变值与各挤出变量(压力、切应力和温度)之间的关系。他们使用的是配有狭缝模具的仪器化的单螺杆挤出机,并将结果与产品性能关联起来。这种方法的优点是食品原料能发生随挤出烹制过程的变形历程,而该变形历程在实验室流变仪上是难以重现的。

3.动物饲料生产

   在动物饲料行业,挤出工艺是生产球状饲料的一种方法,一般制成直径为4~8mm的短的圆柱体。小球是精确控制动物饮食的方便方式,优点如下:与松散混合的饲料相比,球状饲料可以使动物的进食量得到更好的控制,组成可控的复杂食品易于生产;球状饲料可以包含合理搭配混合的30种成分,动物可以吃到更加美味的球状饲料且易于消化;在挤出过程中,饲料混合物被压缩成密度更大的产品,只需更小的储藏空间。

   球状食品由不同化学成分(淀粉、油、纤维和水分)和物理性质(粒子大小、堆密度和保湿能力)的原料混合制成。典型家禽饲料的组成通常比较复杂。原料的性质决定了形成小球的质量。加入少量的挤出或造粒辅料(黏合剂、润滑剂)可以改善设备性能和颗粒质量(脆性、大小均匀性)。饲料工业常用的添加剂包括蜂蜜(通过蒸汽活化具有黏合作用)、脂肪酸润滑剂(用以减少原料通过长长的模具时,挤压带来的产品-金属间的摩擦)、木素磺酸盐(树中的木质素衍生而来的有机物,能提高小球的质量和产率),以及矿物黏合物(如球状黏土和皂土)或纤维素黏合物(如羧甲基纤维素钠)。少剂量的纤维素黏合剂能够改善造粒过程,降低小球的易碎性。

   制粒过程包括:在挤压前混合并调整饲料混合物、挤压、颗粒切割、冷却。饲料混合物很复杂,由多种组分的不同大小和相对密度的粒子以不同比例组成,为了确保均匀性,需要进行彻底的混合。产品调整通常需要加入15%的水,然后加热到控制好的温度,使淀粉成胶或转变成简单的糖。这个反应使淀粉发挥黏合剂的作用,并且将食物转变成适于挤压的状态。最有效的调整和加热方式是使用蒸汽。最佳调整参数如原料湿度、温度和加热时间均取决于混合物的成分。例如,高淀粉低纤维的食物需要的加热温度是8085,含牛奶和糖等热敏性成分的饲料最高不能超过55

4.挤出挤压

   根据Sebestyen的建议,颗粒磨可以分为圆盘-模具挤压机(disk-die press)和环-模具颗粒磨(ring-die pelletmill)。前者的模具由位于水平面上的圆盘组成,圆盘上钻有排列有序的孔。一套滚筒在圆盘仁表面来回滚动,在此过程中滚筒将食物扫到孔中,并将食物挤压形成球状或块状。固定于圆盘下可调节的旋转的刀片,把挤出物切割成合适的长度。在另一种设计方案中,圆盘旋转而滚筒和刀片固定不动。

   环形制丸磨的模具在水平面上呈放射状排列,滚筒在模具内表面转动。滚筒偏离模具表面,留下小空隙,使形成薄的产品层,从而优化了产生率。滚筒的外围速率取决于模具直径,即小直径孔的速率高,大直径孔的速率低。

5.冷却

   热的颗粒刚出挤压机时很柔软,容易磨损和变形。因此需要最后一步工序来硬化颗粒。固定在磨底部的冷却设备利用周围空气或冷空气可以降低成品颗粒的温度,并能除去多余湿气。

制药工业

   制药工业应用挤出工艺生产多种剂型的药物,如栓剂、植入剂、颗粒剂等。

   栓剂和阴道栓剂的大规模生产可以使用熔融法,即药物分散在熔融的基质中,然后将混合物倒入模子中固化,也可以使用冷压法即。在冷压法中,将药物和冷的可可油或半合成脂肪酸酯基质混合放入圆筒中。对注射器活塞施力,使粉料通过与模子相连的小孔挤出。可移动的端板能够防止物料丢失,在压力的作用下这些物料被填进空腔。端板撤去以后,进一步的挤压把栓剂推出孔外。冷却挤出设备,防止组分因挤压摩擦生热而熔化。

   挤出工艺在制药工业中最重要的应用,是制备由一种或多种药物组成的大小、形状和相对密度均匀的颗粒或小丸。该工艺有一个预阶段,即将干粉、药物和赋形剂在普通混合器中混合,然后加入液相,进一步混合以保证各组分均匀分布(图7)。湿粉料被挤压通过圆筒形的模具或多孔有圆洞(圆洞直径通常为0.52.0mm)的筛板被挤出,得到圆柱形挤出物。这些产物或许还需要进一步加工,如经剪切和干燥得到颗粒、经滚圆哪」后得到球状细粒再进行干燥。这种球状颗粒通常需要用聚合物包衣来控制药物释放的速度,或者被填充到硬明胶胶囊里以得到多单元剂型。

7 制药工业挤出工艺示意图

用于制药工业的挤出设备

    根据模具的设计和运料到模具区的进料机制的不同,商用挤出设备可以分为以下几类:

1)筛板挤出机

     筛板挤出机使用的是螺杆加料装置,由在筒内旋转的单个或双螺杆构成,它可以把潮湿的物料从加料漏斗带到模具区。模具由一层薄钢板组成,在钢板上排列有大量呈放射状或向螺杆进料方向轴向排列的小孔(图8)。这种设计的优点是它具有连续不断的高生产率,实验室水平的单螺杆挤出机可以每小时生产5kg湿样,大型双螺杆机可达800kg/h。这种筛板容易清洗和更换,直径可低至0.5mm,且都已商品化。这种装置的缺点是螺杆结构会给原料施加很大的压力,导致湿料流经螺杆和筒之间时产生过多的摩擦和热量,轴向排列的模具特别如此。筛板挤出机往往死体积过大,会在进料螺杆和筛板间滞留原料。当湿粉含有与水接触不稳定成分时应当注意口模具孔低的L/R值会造成挤出机压紧效果较低,并且影响其表面的光滑,即鲨鱼皮样。这个问题有时可以通过改变生产速率来解决,其将在后面讨论。

8 螺杆挤出机。(a)端板模具和(b)放射筛板模具

 9是一台由日本Fuji Paudal公司生产的装配有双螺杆和放射状模具筛板的挤出机。水可以在中空的挤出转子里循环流动,维持挤出区的温度恒定。这对处理热敏性原料,控制温度、挤出物湿度和黏度非常有用。可互换的筛板表面布满了直径为0.5~1.5mm模孔,因而能生产直径不一的挤出物。采用固定或变速的防爆马达,适于安全处理含有易燃溶剂的湿料。原料加工过程中所有相关的部件都由高级别不锈钢制成。如果需要制备高相对密度的挤出物,就要安装轴向的模具板。

9 带有放射状筛网模具的双螺杆挤出机,由日本Fujil Paudal公司生产

      瑞典生产的Nica系统的筛板挤出机采用了新的工作原理(图10)。它含有一个围绕挤出转子的放射状筛板和一个配有角度可变的推动刀片或隔板的旋转圆盘。在此之上是一个反向旋转的中心进料刀片。挤出转子和进料刀片的速度都是可变的。物料通过加料斗重力给料后,被扫人刀片中,在压力作用下挤压通过筛板上的小洞。制造商介绍说这种设备有几个优点:第一,压力仅在挤出时加在一小部分物料上,即只存在于挡板和筛板之间;第二,温度的升高很少,在湿粒和挤出物间没有湿度梯度,所以可以不用冷却装置。挡板前的死体积较小,可低至每挡板15g。研发和小规模的生产采用了挤出速度为4kg/min的挤出机,更大规模的生产则采用了挤出速度为12kg/min的挤出机。

 2)转筒挤出机

     该设备的工作原理基于两个反向旋转的圆筒(图11)。制粒圆筒是多孔的,起到了模具的作用。其孔直径和L/R值可以调节,所有的小孔在空间上的排列比筛板挤出机中的分散得多,采用钻孔而非筛板挤出机中冲孔的单片结构。另一个圆筒是实心的施压圆筒,物料受重力作用从加料漏斗到达两圆筒间的模具区域,并且黏附在实心筒有凸边的表面,经模具圆筒挤压形成薄层。虽然挤出是一个连续过程,但是由于模具的旋转作用,物料通过小孔是间断的。在穿孔产生的压力的作用下湿料被压缩,挤出物进入圆筒的内部。而该压力的大小取决于穿孔的长度和直径,因此L/R值高的小孔能得到较好的湿料稠度,这对后继的加工过程中颗粒的机械强度和稳定性非常重要。转筒挤出机的另一个优点是受黏附在施压筒表面的物料薄层的限制没有盲区。因为在进料区圆筒仅施压于小部分物料,所以不易形成湿梯度,但是清洗制粒圆筒的工作还是非常麻烦,尤其是当L/R值较大时,残留在模具小孔的物料更难除去。另外由于必须在不锈钢上打孔,所以制粒圆筒的造价很高。

10 Nica系统的放射筛板挤出机:(a)设备安装好;(b)拆开显示挤出机制;(c)截面显示工作原理

11 转筒型挤出机

      Alexandrwerk公司(德国)生产的圆筒挤出机如图12所示。这种设备能将物料计量送入工作区。在最小型的机器上通过旋转台加料漏斗实现,大型机器的加料速率由固定在加料漏斗上的螺杆加料器控制。该挤出机的产率取决于模具小孔的直径、L/R值和进料速率。使用直径为70mm的制粒圆筒,实验室规模的挤出机产量为3050kg/h,制粒圆筒直径为186mm的生产规模的挤出机产量可以达到100~105kg/h。现在已经有了模具孔径为1.05.0mm的可以更换的圆筒。一种具有三平行挤出机头的多单元设备的挤出产率可高达3000kg/h

12 德国Alexandrerk公司生产的回筒挤出机:(a)实验室规模的挤出机;(b)模具筒和施压筒

     生产规模扩大时,为防止壁厚度和模具的L/R值变得过高,模具圆筒的直径不能相应地增加,这导致物料承受的挤出压力增大。为克服上述问题,使用了特殊的经扩钻的圆筒,并且减少圆筒上齿孔的深度,从而得到了规模扩大的情况下最佳的挤出条件。施压圆筒中的冷水循环可以缓解挤出过程中温度的升高。另外具孔圆筒中的刮刀片可以切断挤出物,方便处理。

3)旋转齿轮挤出机

 

   旋转齿轮挤出机的工作原理和圆筒挤出机大致相同。这套设备中有两个中空反向旋转的齿轮圆筒,齿轮圆筒上带有扩孔模具一该装置由生产商(BepexBerwind公司)命名为喷嘴,它钻在齿之间的圆筒上(图13)。物料经漏斗在重力作用下进料,由具齿圆筒引入并并通过喷嘴挤进圆筒的中间,刮刀切割挤出物。物料通过喷嘴时被压缩成高密度的挤出物,挤出物密度取决于喷嘴的L/D值(喷嘴长度和直径的比值)。两个旋转齿轮均可以产出,所以使用这种设备可以取得更高的产率。其设备和锯齿状齿轮圆筒如图13b)所示。

  

13 旋转齿轮挤出机(a)和具齿圆筒(b

      现在已经有了喷嘴L/D值可变且可互换的齿轮筒,这种齿轮通过转子内部的扩孔来减少模具的长度,或者是用可替代的嵌入式喷嘴来增加小孔的长度,从而改变了L/D值。小孔的直径范围为1.010.0mm,可以产生一系列颗粒大小不等的产品。改变圆筒的转速和给料速度可以控制挤出产率,实验规模的挤出能力约为20kg/h,工业化生产规模约为1000kg/h。对于大设备或流动性差的物料,可以在漏斗装搅拌器以防止粘连;对于更黏的产品,要使用带有圆锥形进料螺杆的特殊的加料漏斗,加料漏斗上带有接触刷;对于需要控制温度的物料,在挤压齿轮中装备循环水作为冷却装置来调节温度。最近,英国的G.B. Caleva公司已生产并销售和上述设计相似的药用齿轮挤出机。

4)撞锤挤出机

 

   工业撞锤式挤出机广泛用于塑料和橡胶工业,可以为加冷料的大型螺杆挤出机提供温的条状物原料,也可以为射出成形和压缩成形机器生产条状物原料或半成品。特殊物质在加工过程中需要严格的监控或者不容易用螺杆挤出机处理,比如蜡类产品(如着色蜡笔、牙蜡和火箭推进剂)、湿粉和黏土状物质(如粉笔)等。柱塞式挤出机可以对温度、大小、挤出物的质量等几个控制参数进行监控。图14是一款由英国Barwell国际公司生产的高性能的柱塞式挤出机,它由一个固定在恒温受控管道内的镀铬筒组成。挤出机头上排布了一系列的模具。物料可以由人工或机械的方式加入筒内,采用真空排出系统中的空气。物料通过液压制动撞锤挤出,液体通过一种特殊的阀系统感受物料塑性的改变,并补偿撞锤的压力使物料能够通过小孔挤出。在飞轮的表面安置多速切割仪切割模具表面的挤出物。挤出物的最是切割速度和设置的撞锤速度的函数,并且精确度可以控制到<1%。双筒和撞锤联合使用可以实现连续操作,由单螺杆体系依次给两只筒加料。挤出机有多种型号,筒的体积从4.58.0L不等,产率最高可达800kg/h

14 Barwell撞锤式挤出机

5)挤出机的选择

     要根据对挤出物的主要要求和对挤出物进一步加工的情况选择挤出机。如果要生产用流化床进行干燥的大小均一的制粒,就需要选用低压缩系统,比如多种类型的筛板挤压机。如果要得到稠度较高的挤出物(比如滚圆时要求稠度较高),就可以采用圆筒或齿轮挤出机。栓塞式挤出机能准确控制挤出物的相对密度、大小和形态,是用于制备皮下植入制剂的药用聚合物的理想挤出设备。

   与中试和生产所需的大规模设备相比,用于研发工作的小规模设备更值得关注。选择设备不一定要追求最高产率,因为后续的处理工序(如切割、滚圆和于燥)是分批进行的,所以它们是限速步骤。因为挤出是一个连续的过程,以上提到的几种挤出机能够满足多种用途的生产速率。

   制药工业的挤出设备必须遵守GMP标准。机器必须用表面光滑的耐用材料制成,以防粘连外来杂质并且利于清洗。设备材料不能和产品相互作用,且应该耐腐蚀,消毒剂对其影响可以忽略不计。与产品接触的设备表面和零件必须全部由高级别不锈钢组成,并且不易受处理原料或生产过程中的润滑剂的影响。通过凹形的按键可以控制整个生产过程。

缩写与符号表

A0    初始横断面积

A    模具横断面积

C    依从性

D    模具直径

D0    筒身直径

(dv/dr)w    模具壁切变率

ESR    拉伸速率

EV    表观拉伸流动黏度

K    幂律流体黏度常数

L    毛细管长度(模具)

n    非牛顿流体程度(幂律指数)

nb    Bagely入口修正

P    沿模具压降

Pe    模具出口压

P0    上游压耗

P0w    0速压降

PT    总压降

PTV    速度V时压降

Q    挤出物的体积流率

R    毛细管(模具)半径

RS    可恢复剪切

T    抗拉强度

U    塑性黏度

V    挤出速度

x    牛顿液层厚度

α    模具屈服压力速度系数

β    挤出机塑模型槽黏性因子

γ    切变率

η    表观黏度

σy    屈服值

σy0    0黏度屈服值

θ    半集中角

τ    切应力

τ0    模壁0速切应力

τw    模壁切应力

τy    流动开始克服的切应力