等靜壓技術

等靜壓技術是一種利用密閉高壓容器內製品在各向均等的超高壓壓力狀態下成型的超高壓液壓先進設備。等靜壓技術按成型和固結時的溫度高低，分為冷等靜壓、溫等靜壓、熱等靜壓三種不同類型。

基本介紹

• 中文名：等靜壓技術
• 製備：生物藥物製備
• 瓷瓶：高壓電磁瓷瓶
• 歷史：70多年的歷史

等靜壓技術原理

等靜壓工作原理為帕斯卡定律：“在密閉容器內的介質（液體或氣體）壓強，可以向各個方向均等地傳遞。” 等靜壓技術已有70多年的歷史，初期主要套用於粉末冶金的粉體成型；近20年來，等靜壓技術已廣泛套用於陶瓷鑄造、原子能、工具製造、塑膠、超高壓食品滅菌和石墨、陶瓷、永磁體、高壓電磁瓷瓶、生物藥物製備、食品保鮮、高性能材料、軍工等領域。

冷等靜壓技術

冷等靜壓技術，(Cold Isostatic Pressing,簡稱CIP)

是在常溫下，通常用橡膠或塑膠作包套模具材料，以液體為壓力介質 主要用於粉體材料成型，為進一步燒結，煅造或熱等靜壓工序提供坯體。一般使用壓力為100~ 630MPa。

溫等靜壓技術

溫等靜壓技術，壓制溫度一般在80～120℃下．也有在250~450℃下，使用特殊的液體或氣體傳遞壓力，使用壓力為300MPa左右。主要用於粉體物料在室溫條件下不能成型的石墨、聚醯胺 橡膠材料等。以使能在升高的溫度下獲得堅實的坯體。

熱等靜壓技術

熱等靜壓技術(hot isostatic pressing，簡稱HIP)

HIP ，是一種在高溫和高壓同時作用下，使物料經受等靜壓的工藝技術，它不僅用於粉末體的固結．傳統粉末冶金工藝成型與燒結兩步作業一併完成，而且還用於工件的擴散粘結，鑄件缺陷的消除，複雜形狀零件的製作等。在熱等靜壓中，一般採用氬、氨等惰性氣體作壓力傳遞介質，包套材料通常用金屬或玻璃。工作溫度一般為1000~2200℃ ，工作壓力常為100~200MPa。

與常規成型技術相比特點

等靜壓技術作為一種成型工藝，與常規成型技術相比，具有以下特點：a．等靜壓成型的製品密度高，一般要比單向和雙向模壓成型高5 ～l5 。熱等靜壓製品相對密度可達99 8%～99．09% 。

Avure熱等靜壓設備

b．壓坯的密度均勻一致。在模壓成型中，無論是單向、還是雙向壓制，都會出現壓坯密度分布不均現象。這種密度的變化在壓制複雜形狀製品時，往往可達到10% 以上。這是由於粉料與鋼模之間的摩擦阻力造成的。等靜壓流體介質傳遞壓力，在各方向上相等。包套與粉料受壓縮大體一致，粉料與包套無相對運動，它們之間的摩擦阻力很少，壓力只有輕微地下降，這種密度下降梯度一般只有1% 以下，因此，可認為坯體密度是均勻的。

c-因為密度均勻．所以製作長徑比可不受限制，這就有利於生產棒狀、管狀細而長的產品。

d．等靜壓成型工藝，一般不需要在粉料中添加潤滑劑，這樣既減少了對製品的污染，又簡化了製造工序。

e．等靜壓成型的製品，性能優異，生產周期短，套用範圍廣。等靜壓成型工藝的缺點是，工藝效率較

低，設備昴貴。本文著重介紹冷等靜壓技術的套用，以及冷等靜壓設備的一些情況。

冷等靜壓設備

冷等靜壓成塑有濕袋法和乾袋法兩種．相應地等靜壓機的結構也有所不同。

濕袋法等靜壓

將粉末裝入塑性袋，直接打入液體壓力介質，和液體相接觸．因此稱濕袋法。這種方法可任意改變塑性包套的形狀和尺寸．製品靈活性很大．適用於小規模生產。每次都要進行裝袋、卸袋操作，生產效率不高，不能連續進行大規模生產。

乾袋法等靜壓

橡皮袋首先放在缸內．工作時不取出，粉末裝入另外的成型塑性袋後．放進加壓橡皮袋內，與液體不相接觸．因此稱為乾袋法。這種方法可連續操作，即把上蓋打開．從料斗裝料．然後蓋好上蓋加壓成受．出料時．把上蓋打開．通過底部的頂棒把壓坯從上邊頂出去。操作周期短，適用於成批生產．但產品規格受限制．因為加壓塑性模不能經常更換。由於大量使用的主要是濕袋法．因此下面著重介紹濕袋冷等靜壓設備結構。

超高壓容器

超高壓容器是冷等靜壓技術的主要設備，是壓制粉末或其他物品的工作室．必須要有足夠的強度和可靠的密封性。容器缸體的結構．常採用螺紋式結構和框架式結構。 螺紋式結構：缸體是一個上邊開口的坩堝狀圓筒筒體，為了安全可靠．在外面常裝加固鋼箍（熱套和鋼筒）．形成雙層缸體結構。缸筒的上口用帶螺紋的塞頭連線和密封。這種結構製造起來較簡單．但螺紋易損壞，安全可靠性較差．工作效率較低。為了操作方便．有的設計成開口螺紋結構，塞頭裝入後，旋轉45’，上端另有液壓壓緊裝置。

框架式冷等靜壓機

框架式缸體結構：缸體為一個圓筒，用高強度鋼製成．或用高強度鋼絲帶繞制，簡體內的上、下塞是活動的，無螺紋連線。缸體的軸向力靠框架來承受。這佯，避免了螺紋結構的應力集中，工作起來安全可靠。對於缸體直徑大、壓力高的情況，更具有優越性，但投資較高。

超高壓泵及液壓系統

向容器內注入高壓液體．是通過高壓泵以及相應的管道、閥門來實現的。高壓泵有柱塞高壓泵（一般由電機皮帶輪帶動曲軸推動柱塞做往復運動）、超高壓倍增器（由大面積活塞缸推動小面積柱塞高壓缸做往復式運動）等。

超高壓倍增器

輔助設備

為了使等靜壓機高效率地工作，必須配備輔助設備。自動冷等靜壓機的輔助設備主要有開、閉缸蓋移動框架．模具裝卸．粉末充填振動，壓坯脫模．壓力側量和作業系統等裝置。

瑞典ASEA公司

冷等靜壓機系列數據參考圖表

缸體內徑	最	高	工	作	壓	力	mpa
	160	200	250	315	400	500	630
355mm						QIC50	QIC63
400mm					QIC50	QIC63	QIC80
450mm				QIC50	QIC63	QIC80	QIC100
500mm			QIC50	QIC63	QIC80	QIC100
550mm		QIC50	QIC63	QIC80	QIC100	QIC125
630mm	QIC50	QIC30	QIC80	QIC100	QIC125	QIC160
800mm	QIC80	QIC100	QIC125	QIC160	QIC200
1250mm	QIC250

往：表中QIC100等為冷等靜壓機型號．其中QIC代表冷等靜壓機，100代表框架承受的總軸向力為

100MN。

ASEA公司 簡介

瑞典，是世界上最早研究成功並生產等靜壓機的國家， 質量水平也較高， 出口量也最大。早在1939年就研製成功冷等靜壓機。六十年代後，又從事熱等靜壓機的研製。後來發展很快，到七十年代中期， 已能大批量生產象工作缸尺寸達 l290mm ×2500mm，介質工作溫度為1450℃ 工作壓力達320MPa的大型熱等 壓機系列產品， 並有出口。另外， 還能根據用戶要求設計製造新產品。其中由ASEA公司(後來的全球500強企業之ABB集團,ABB由兩個歷史100多年的國際性企業瑞典的阿西亞公司"ASEA"和瑞士的布朗勃法瑞公司"BBC Brown Boveri" 在1988年合併而成)生產的等靜壓機， 已在世界許多 家和地 獲得滿意的使用。據統計資料，僅60年 代中l期至70年代 中瑞典就向美、英 日、前西德和前蘇聯等十三個國家和地區出口各種型號的等靜壓機5 0多台(此期間， 我國也進口了一台型號為QICH80/63型等靜壓機)， 其中熱等靜壓機就有30多台.

美國是研製成功熱等靜壓機最早的國家。早在1955年，Battelle試驗室就研製了一台供試驗用的用氦作傳力介質的熱等靜壓機。據稱工作缸尺寸僅4．7mm， 介質溫度為816℃。但從這以後的十年間， 則形成了工業套用規模。而且，到了1975年，一台工作缸體尺寸為直徑305Omm×915 0mm， 介質溫度為1400℃的特大型熱等靜壓機建成投入套用。另外，也製成僅供試驗用的， 工作壓力達1050MPa，溫度為1540℃ ， 可成型壓坯尺寸為直徑25mm×高76mm的高壓熱等靜壓機。還出現了工作缸體尺寸為直徑229mm x1 624mm，工作溫度為2700℃ ，工作壓力為1 40MPa，可成型壓坯尺寸為直徑76mm x 1 02mm 的高溫熱等靜壓機。

超高壓滅菌（UHP）

超高壓滅菌技術（ultra—high pressure processing ）簡稱UHP，又稱超高壓技術（ultra-high pressure, UHP），高靜壓技術（high hydrostatic pressure , HHP），或高壓食品加工技術（high pressure processing, HPP）

超高壓殺菌技術（等靜壓技術在食品殺菌方面的運用）是20 世紀90 年代由日本明治屋食品公司首創的殺菌方法，它同加熱殺菌一樣，經100MPa 以上超高壓處理後的食品，可以殺死其中大部分或全部的微生物、鈍化酶的活性，從而達到保藏食品的目的，它是一個物理過程，在食品加工過程中主要是利用Le Chace－lier 原理和帕斯卡原理

作用原理

超高壓滅菌（UHP）技術，就是在密閉容器內，用水作為介質對軟包裝食品等物料施以400～600MPa的壓力，從而殺死其中幾乎所有的細菌、黴菌和酵母菌，而且不會像高溫殺菌那樣造成營養成分破壞和風味變化。超高壓滅菌的機理是通過破壞菌體蛋白中的非共價鍵，使蛋白質高級結構破壞，從而導致蛋白質凝固及酶失活。超高壓還可造成菌體細胞膜破裂，使菌體內化學組分產生外流等多種細胞損傷，這些因素綜合作用導致了微生物死亡。

作用特點

超高壓技術不僅能殺滅微生物，而且能使澱粉成糊狀、蛋白質成膠凝狀，獲得與加熱處理不一樣的食品風味。超高壓技術採用液態介質進行處理，易實現殺菌均勻、瞬時、高效。

但是，UHP技術對殺滅芽孢效果似乎不太理想，在綠茶茶湯中接種耐熱細菌芽孢後，採用室溫和400MPa靜水高壓處理，不能殺滅這些芽孢。另一方面，由於糖和鹽對微生物的保護作用，在粘度非常大的高濃度糖溶液中，超高壓滅菌效果並不明顯。由於處理過程壓力很高，食品中壓敏性成分會受到不同程度的破壞。其過高的壓力使得能耗增加，對設備要求過高。而且，超高壓裝置需要較高的投入，尚須解決其高成本的問題，不利於工業化推廣。

另外，超高壓滅菌一般採用水作為為壓力介質，當壓力超過600MPa時，水會出現臨界冰(純水在室溫超過600MPa壓力會結冰）的現象，因而只能使用油等其他物質作為壓力介質。超高壓滅菌的效果受多種因素的影響，如微生物種類、細胞形態、溫度、時間、壓力大小等。

西班牙NC Hyperbaric公司設備

套用

目前，國外超高壓滅菌已在果蔬、優酪乳、果醬、乳製品、水產品、蛋製品等生產中有了一定的套用。在每cm2的肉食上施加大約6t重的壓力進行高壓滅菌。結果，其味跟原來一樣，色澤也比原先更好看。日本明治屋食品公司將草莓、蘋果和獼猴桃等果醬經軟包裝後在400～600MPa、10～30min條件下滅菌，產品的色澤和風味不變，並保持了水果原有的口感，VC的保留率較高。

高壓技術和其它技術相結合，能更有效殺滅微生物，破壞酶，延長貨架壽命〔2〕。利用高壓CO2和高壓技術相結合方法處理胡蘿蔔汁，使用4.9MPaCO2和300MPa高靜水壓結合處理，可使需氧菌完全失活，多酚氧化酶、脂肪氧化酶、果膠甲酯酶殘留活性分別低於11.3%、8.3%、35.1%。

壓力單位及超高壓

超高壓定義

一般情況液體或氣體壓力在0.1mpa～1.6mpa稱為低壓，1.6mpa～10mpa稱為中壓，10～100MPa稱為高壓，100MPa以上稱為超高壓.本文闡述的UHP技術的壓力通常在100～1000MPa.或更高。而把液體或氣體加壓到100MPa以上的技術稱為“超高壓技術”（ultra-high pressure, 簡稱UHP）

壓力單位換算

註：1. 1工程大氣壓(at)=1公斤力/厘米2.

2. 用水柱表示的壓力，是以純水在4oC時的密度值為標準的.

1兆帕(MPa)=145磅/英寸2(psi)=10.2千克/厘米2(kg/cm2)=10巴(bar)=9.8大氣壓(at m)

1磅/英寸2(psi)=0.006895兆帕(MPa)=0.0703千克/厘米2(kg/cm2)=0.0689巴(bar)=0.068大氣壓(at m)

1巴(bar)=0.1兆帕(MPa)=14.503磅/英寸2(psi)=1.0197千克/厘米2(kg/cm2)=0.987大氣壓(at m)

1大氣壓(at m)= 101.325千帕(KPa)=0.101325兆帕(MPa)=14.696磅/英寸2(psi)=1.0333千克/厘米2(kg/cm2)=1.0133巴(bar)

1兆帕(MPa)= 106Pa=7500.63mmHg

1Gpa=1000Mpa（此單位用於金剛石壓機和地心壓力，所以不常用）

真空度以mmHg（Torr）或Kpa、Pa為單位時，指的是絕壓，又稱殘壓、壓力，剩餘壓力或吸入壓力。

當以Mpa為單位時，指的是彈簧真空表的表壓，例：-0.078Mpa。那么絕壓應為0.1-0.078=0.022Mpa。

美國Avure Technologies公司等靜壓設備

現今的ASEA

當時瑞典的 ASEA 是第一家將 Battelle Memorial Institute（俄亥俄州哥倫布市）提出的等靜壓技術實現商業化的公司。 20 年之後，ASEA 成為了 ABB 的一部分，而後者主要致力於等靜壓和鈑金成型壓機的市場開發。 1999 年，ABB 的高壓事業部被美國 Flow International 收購。而 Flow 引領了高壓技術在食品防腐市場的拓展套用，所用的品牌名稱即為 Avure。 2005 年，Avure Technologies, Inc. 成為了私有的獨立公司。 今天，所有四種品牌的壓機都在全球各地的製造廠內正常運行著。

Avure圖片

Avure HPP實驗機，只有洗衣機大小

Avure熱等靜壓設備

Avure工業化HPP設備

Avure的工廠