《制药挤出技术》第五章 模具设计

挤出是一种相当成熟的技术。历史上应用最广的是在塑料工业中，在该工业中已经取得了巨大的进步，并且从该工业中发展出了药物挤出技术。模具的主要工作是使最终产品成型。有些挤出过程容易，模具简单，而有些则不容易。挤出技术涵盖了各种机器类型、模具和更多的材料。最常见的问题之一是材料、模具和机器之间的不匹配。通过了解挤出模具设计中的一些技术并提供一些见解，可以设计出用于生产高质量产品的模具。

模具、材料和机器都包括在内，在挤出过程的任何阶段(见Table 5.1)，都有不止一种流动类型。(例如，在模具的入口处，存在约束流、混合流和整体变形。在共挤出过程中，材料之间也有一个自由表面。)过往历史上由于计算困难，大多数工程师都专注于基于简单公式的压力和流量的定量分析。随着计算机辅助工程(CAE)、软件和计算机模型的发展，可以进行详细的计算，以了解决定高质量产品的细微之处。

柱塞式挤出机是最简单的机器之一，它可以很好地了解通过圆柱形模具挤出时的实际情况。

将待挤出的材料装入一个金属桶中，该桶具有一个通向模具的圆柱形通道。金属桶被加热。桶被设定到某个温度。材料与机筒达到热平衡。(穿过机筒的热梯度通常小于0.5℃)。迫使材料通过具有速率或压力受控柱塞的毛细管模具。材料从模具中出来，轻微膨胀(见Figure 5.1)。

这种技术非常适合高价值材料的精密挤出。可以非常精确地控制材料温度。活塞在材料上施加适度且可重复的压力。这导致挤出物的降解最小化以及非常一致的挤出物直径。可以实施各种改进来提高这个简单批生产过程的效率。此外，通过使用模拟可以详细了解材料的变化。

Figure 5.1简单的毛细模具柱塞挤出

5.1 平模具

为了生产通常用于透皮给药系统的扁平片材或条带，必须将材料从圆形转变成薄而宽的片材。如果薄片不太宽(即更像一条带子)，那么过渡可以相当简单，如Figure 5.2所示。

这种类型的模具中的平衡需要考虑沿中心线相对于侧边的较短材料路径。

Figure 5.2 简单的圆柱过渡到片材模具

Figure 5.3 蝴蝶结校正(左)和槽脊校正(右)

如果不进行一些校正，片材的中间会比两边厚。修正形状的一种方法是在两侧相对于中间扩大开口，使横截面呈现“蝴蝶结”外观。另一种方法是使中间的槽脊部分路径比边缘部分长。这些校正方法如Figure 5.3所示。

如果需要更宽的片材，模具采用更传统的平模形状，如Figure 5.4所示。这种平模具的各种组件包括歧管、限流器、松弛室和模唇。模具的这些部分被设计成以最短的模具长度实现材料在宽度上的均匀分布。

Figure 5.4 传统挂衣架式平模（左）和新型模具（右）

模唇调节功能仅用于对材料规格厚度进行非常小的更改。正如下料辊在生产过程中的后段无法及时修复不均匀的熔融物一样，模唇在模头中也无法修复流量分配问题。这是材料具有持久“记忆”效应的结果。

5.2 环模具

在医疗器械应用中用于管道的最常见类型的环形模具是相对简单的“蜘蛛”型结构。Figure 5.5是一个典型的“蜘蛛”型环形模具。该名称来源于从中心心轴延伸的支撑，以保持其位于主体的中心。模具基本上由形成主环形部分的心轴和主体以及在模具出口附近形成最终环形部分的一组模唇或模具组成。这些也被称为中心销和外衬套。模唇被设计成在离开模具之前将材料成形为期望的尺寸。

Figure 5.5 典型的蜘蛛型环模具（左）和3D视图（右）

其他类型的环形模具包括“侧进料”(或“十字头”)和“螺旋芯轴”。Figure 5.6和Figure 5.7分别给出了这些例子。

Figure 5.6 典型的侧进料模具

Figure 5.7 螺旋芯轴模具

侧进料模具通常用于需要涂覆基材的应用中，因为它们可以利用通过模具轴线的直线路径。螺旋芯轴模具通常用于改进产品均匀性，并且通常用于生产聚合物薄膜。如果设计正确，由于螺旋流动分配通道的混合/分层效应，大多数环形模具结合出口唇缘的某种定心调整，能够调整产品的厚度均匀性。

如Figure 5.8所示，环形模具也常用于为生产多内腔管件的模具保持起始流量的分布。

Figure 5.8多腔道挤管模具

关于挤出模头的更详细的信息可以在Michaeli (1)和Rauwendaal (2)的教科书中找到。

5.3 设计关键

在前面各节对各种模具几何形状的描述中，描述的主要设计标准是厚度均匀性。然而，必须强调的是，还有其他同样重要的标准来定义挤出模头的性能。可能下一个最重要的标准是停留时间和停留时间分布。简单地说，这是材料在挤出系统中所花费的时间。这在制药应用中尤其重要，因为当长时间暴露在加工温度下时，材料通常更容易降解。螺旋芯轴型模具可能不太适合药物材料挤出的主要原因是，它易于使材料具有更长的停留时间分布。

关于模具设计，停留时间基本上涉及两个方面:机械的和流变的。从机械角度来看，停留时间受组成模具的部件的加工和抛光程度的影响。配合面必须精确匹配，并在可能的情况下一起加工和抛光。配合面的任何不匹配都可能形成“突出部分”,使材料停滞和降解。机械方面相对容易观察和控制，但是停留时间的流变方面更难控制。这是因为停留时间分布取决于材料如何在通道内流动以及施加在流动通道壁上的剪切应力。为了强调这一点，考虑1 cm3/s的材料在具有100mm直径通道的管中的流动。这将导致平均速度约为0.127毫米/秒。当然，这是一种不常见的极端情况，因为对于这种小流量来说，通道太大了，但这有助于证明我们的想法。很容易想象到，无论通道内表面抛光得多么光滑，材料的平均速度都会因为变慢，导致停留时间过长。此外，材料将倾向于在大通道的中心形成较小的流动通道，在壁附近留下大部分基本上停滞的材料。这种情况被称为“腔道效应”，必须避免。

当通道对于所需的流速来说太大时，就会发生腔道效应。它还受到材料流变特性的影响。这意味着需要确定流动通道的尺寸，以便在壁上获得足够的剪切应力来保持材料移动。剪切应力的实际值取决于材料，但通常可以通过一些简单的实验很容易地确定。

另一个需要考虑的标准是系统的总阻力或压降。压降与停留时间有关，因为较低的压降或阻力通常意味着较长的停留时间(所有其它参数不变)。事实上，压降是整个流道上剪切应力的总和，这意味着剪切应力越高，通过系统的压降越高。

然而，通常设计者的目标是限制通过模头的最大压降，因为压降能量在模头内转化为热量。这被称为粘性耗散或剪切加热。压降转化为热量导致的整体温度上升的估计值可通过以下公式获得:

其中，△T为温升，△P为压降，ρ为熔体密度，Cp为热容。然而，上述公式的问题在于，它给出了理论上的稳态整体温升。由于聚合物熔体的低热导率，粘性加热通常被限制在局部剪切速率高的区域(靠近壁)。由于很难精确测量这种影响，工程师们依靠CAE分析工具来避免这些问题。这一点在下面的例子中用商用模拟挤出实验CAE软件(3)进行了说明。

考虑Figure 5.1所示的简单毛细管模具中的流动，该模具具有直径为10 mm的料筒和直径为1 mm的毛细管。料筒中的材料温度通常受到精确控制，在本例中，假设所需温度为95°c。选择一些典型的材料特性(Cp = 2000，k = 0.15)，并在活塞速度为0.5 mm/s时模拟流动条件。Figure 5.9显示了温度沿毛细管的变化情况。

可以看出，温度是不均匀的，靠近壁的材料更热。Figure 5.10是出口附近毛细管中温度与径向位置的关系图。Figure 5.9表明，在离壁面很近的地方有一个最高温度，这个温度被控制在所要求的温度。热量产生发生在靠近壁的高剪切区域，并且由于材料的低导热率，热量不容易被转移走。这在所有挤出工艺和模具设计中都是一个重要问题，但在材料的加工范围(或窗口)通常非常小的医疗器械和制药应用中尤其重要。

Figure 5.9 毛细模具中的温度变化 (Virtual Extrusion Laboratory™)

Figure 5.10 毛细模具出口处速度和温度变化

5.4 材料选择

用于制药应用的模具材料需要非常稳定和并具有惰性。因此，通常使用耐腐蚀的高级不锈钢。最耐腐蚀的是300系列，最常见的是316不锈钢。这种材料的缺点是相对较软，容易损坏。大多数模具制造商更喜欢使用420或17-4PH不锈钢，它们的耐腐蚀性稍差，但更硬，更耐用。温度较高的材料也能进烘箱；然而，这样做时，应注意不要超过硬化温度，这将导致材料退火。毛细管模具通常由碳化钨制成，以确保在烘箱中的尺寸稳定。

像镀铬或镀镍这样的表面涂层通常不用于制药应用，因为基础钢通常是耐腐蚀的，并且涂层可能会剥落并污染产品。应保留材料规格和质量保证(QA)测试的记录，通常与模具一起提供。

5.5 制造技术

用于医疗设备和制药应用的模具往往非常小，因此与制造成本相比，材料成本相对较低。材料可以在加工前后消除应力，并且通常在加工和抛光后硬化。标准的车削和铣削设备可用于大多数模具，但一些非常小的部件和高精度可能需要更专业的技术。其中之一是放电加工(EDM)方法。

EDM使用高压放电来消除电极表面的金属，从而通过金属的受控腐蚀来形成所需的形状。电极可以采用所希望的空腔的凸形，然后插入材料中，或者电极可以采用金属丝的形式，以类似于典型带锯的方式做切穿，但是要更精确。

5.6 结论

几乎每一种药物挤出系统都使用某种类型的成型模具，在挤出物的定径和冷却之前形成所需的最终产品形状。挤出系统模具的重要性不亚于材料配方、挤出机类型或下游系统。对正在加工的材料特性的知识了解，结合计算机辅助设计和“微调”内部流道的工作经验，都是生产成功的药物挤出模头的重要因素。

REFERENCES