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HME热熔挤出工艺技术手册

第一章：概述

热熔挤出技术（HotMeltExtrusion,HME）作为一项在多个工业领域得到广泛应用的连续性加工工艺，通过将物料加热至熔融状态并借助螺杆的剪切和输送作用实现物料的混合、塑化与成型。其核心优势在于能够高效地将功能性组分均匀分散于聚合物基质中，从而制备具有特定物理、化学或生物学性能的产品。相较于传统工艺，HME具有操作连续化、生产效率高、物料适用性广、无溶剂残留（或极少）以及产品质量可控性强等显著特点。在制药领域，HME技术已成为改善难溶性药物溶出度、实现药物缓控释、掩盖药物不良气味、提高药物稳定性以及制备新型制剂的重要手段；在高分子材料、食品、饲料及化妆品行业，HME也扮演着不可或缺的角色。本手册旨在系统阐述HME工艺的设备构成、原理、关键参数、物料选择、工艺开发、过程控制、常见问题及解决策略，为相关技术人员提供一套全面且实用的参考指南。

第二章：热熔挤出设备系统

2.1主要组成部分

热熔挤出机主要由喂料系统、挤出系统（螺杆与机筒）、加热与冷却系统、传动系统、模具（机头）以及下游处理系统构成。各部分协同工作，确保物料从固态到熔融态的转变、均匀混合与精确成型。

2.2喂料系统

喂料系统的作用是将配方物料按照设定速率稳定、均匀地输送至挤出机机筒内。常用的喂料装置为螺旋式喂料器，其喂料精度直接影响挤出过程的稳定性和产品质量均一性。喂料速率需与螺杆转速、物料熔融特性及挤出产量相匹配。对于易吸潮或具有挥发性的物料，喂料系统可配置干燥或惰性气体保护装置。

2.3挤出系统（螺杆与机筒）

挤出系统是HME设备的核心，由螺杆和机筒组成。

*螺杆：其构型（螺距、螺槽深度、螺纹升角以及各种捏合块、反向元件的组合与排列）决定了物料的输送效率、剪切强度、混合效果和停留时间分布。根据功能，螺杆通常可分为固体输送段、熔融段、混合段和计量段。

*机筒：与螺杆配合，提供物料前进的通道和热量传递。机筒通常分为若干独立温控区，可精确控制各段温度。内壁可进行氮化或喷涂硬质合金处理以提高耐磨性和耐腐蚀性。

2.4加热与冷却系统

加热系统确保物料在机筒内获得足够的热量以实现熔融和塑化，常用加热方式有电阻加热、电磁感应加热等。冷却系统则用于精确控制机筒温度，防止物料过热降解，并在某些区段（如喂料段）防止物料过早熔融。冷却方式通常为水冷却或油冷却。

2.5传动系统

传动系统为螺杆提供动力和转速控制，主要由电机、减速箱和联轴器组成。要求其输出扭矩稳定，转速调节范围宽且精度高。螺杆转速是HME工艺的关键参数之一，直接影响剪切强度、物料停留时间和产量。

2.6模具与下游处理系统

模具（机头）的作用是赋予挤出物特定的截面形状，如条状物、薄膜或特定几何形状的颗粒前体。模具的设计需考虑物料的流动性、压力降以及后续加工需求。下游处理系统根据产品类型而定，可能包括冷却装置（如冷却浴、冷却辊）、牵引装置、切粒机（如热切、冷切）、干燥装置和筛分装置等，以将挤出物处理成最终产品形态。

第三章：热熔挤出工艺原理与关键参数

3.1工艺基本原理

HME工艺的基本过程是：固体物料在喂料系统作用下进入挤出机机筒，在螺杆的旋转推动下向前输送。物料在前进过程中，受到机筒外壁的加热以及螺杆与机筒间的机械剪切、压缩作用而逐渐升温、熔融。熔融后的物料在螺杆的进一步输送和混合作用下，实现组分间的均匀分散和温度、黏度的均一化，最终在一定压力下通过模具被连续挤出，经下游处理后得到所需产品。整个过程涉及物料的输送、熔融、混合、脱挥（若有需要）和成型等多个物理化学变化。

3.2物料在挤出机内的历程

*固体输送区：物料从喂料口进入，在螺杆螺槽内被压实并向前输送，此阶段物料主要为固态。

*熔融区（塑化区）：物料温度升高至熔点或玻璃化转变温度以上，开始熔融。固体床逐渐减小，熔池逐渐形成并扩大。

*混合与均化区：熔融的物料在此区域受到强烈的剪切、搅拌和混合作用，实现API与辅料的分子级混合，并进一步均化温度和黏度。

*计量区：物料被进一步压实，建立稳定压力，以恒定速率和均匀状态被输送至模具。

3.3关键工艺参数及其影响

*温度：包括机筒各区段温度、模具温度。是影响物料熔融、黏度、API稳定性、结晶性以及产品质量的最重要参数之一。温度过高可能导致物料降解或API分解；温度过低则可能导致熔融不充分、混合不均或挤出困难。

*螺杆转速：影响剪切速率、剪切力、物料在机筒内的停留时间、混合效果和产量。较高转速通常提供更强剪切和更短停留时间，反之亦然。

*喂料速率：决定物料在机筒内的填充程度和停留时间，与螺杆转速共同决定物料所受剪切和挤出产量。需与螺杆转速和设备能力相匹配。

*螺杆构型：直接影响物料的输送、熔融效率、混