擠出機芯模結構功效專利技術分析

陳聚陽 劉春陽 肖紅梅 贠東海（國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心，河南　鄭州　450002）

擠出機芯模結構功效專利技術分析

陳聚陽 劉春陽 肖紅梅 贠東海
（國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心，河南鄭州450002）

擠出機芯模是擠出機中的重要部件，芯模和口模之間形成塑料熔體的流通通道，因而芯模的形狀及結構直接影響了塑料熔體在模頭中的流動狀態，從而直接影響擠出產品的質量。本文從申請國家、芯模結構和改進效果三個方面分別對國內外關于芯模研究的專利申請進行統計分析，并著重對芯模結構改進的技術功效進行了分析。

擠出機；芯模；技術功效

1　擠出機芯模技術概述

塑料成型加工的方法多種多樣，如注塑成型、擠出成型、吹塑成型、壓延成型、流延成型及發泡成型等。擠出成型在塑料的成型方法中占有舉足輕重的地位。擠出成型是塑料加工工業中最早使用的成型方法之一，同時也是塑料成型加工的主要方法。大多數熱塑性塑料和少數熱固性塑料都能夠使用擠出成型方法進行加工。擠出成型可以實現連續化生產，擠出成型的生產效率高、應用十分廣泛，尤其適用于塑料制品的連續化成型加工。人們日常生活中廣泛使用的管材、片材、異型材以及薄膜等多種制品都是通過擠出成型加工的。擠出成型方法還能夠應用于物料的混合、材料的改性、切片造粒、物料著色及坯料的成型等多種用途。擠出成型的眾多優點使得其在聚合物加工產業中占有重要地位，擠出成型的制品也被廣泛地應用于建筑工業、機械制造、核電工業及航天軍工等諸多領域［1，2］。

擠出成型使用最普遍、最廣泛的設備是螺桿擠出機。在塑料熔體擠出成型過程中，擠出模頭主要完成熔體的引流，分流以及產品定型作用，擠出模頭結構影響塑料熔體擠出流動與擠出成型制品。擠出模頭主要由芯模、口模等組成，芯模和口模之間形成塑料熔體的流通通道，因而芯模的形狀及結構直接影響了塑料熔體在模頭中的流動狀態，從而影響擠出產品的質量。近年來，擠出模頭的設計技術研究工作主要集中在芯模的結構設計和優化上，對于模頭芯模的改進主要包括：開設溝槽、多流道設計、設置分配器、多層芯模、設置過渡部件（如分配器等）以及開設孔結構［3，4］。

2　主要申請國家專利申請量的比較分析

圖1示出了不同國家有關芯模改進和優化的專利申請量，由圖1可以看出，中國是申請量最多的國家，其次是日本、美國、德國，這在一定程度上反映出了各國工業化的發展程度。

圖1　主要申請國家專利申請量

由圖1還可以看出，我國的有關專利申請量所占比例超過了1/3，這說明我國在擠出機芯模優化方面的研究較多。塑料與水泥、金屬等傳統材料相比，具有重量輕、耐腐蝕、不生銹、易加工、導熱系數低、絕緣性能好、施工安裝維修方便等優點，而我國正處于社會發展的黃金期，在建筑、市政、化工、農業、醫療衛生等各個領域均處于飛速發展期，因此對塑料制品的需求量逐年增大，同時對塑料制品的性能要求也有所提高，這就需要對塑料制品的生產設備進行一定的改進，使其滿足社會發展的需求。另外，這也在一定程度上反映出我國工業化水平的提升及知識產權意識的提高。

此外，日本、美國、德國一直以來在工業方面就處于領先地位，其有關塑料制品生產方面的改進也較多。

2.1國內外擠出機芯模改進方向專利申請量分析

圖1示出了不同國家有關芯模改進和優化的專利申請量，由圖1可以看出，中國是申請量最多的國家，其次是日本、美國、德國，這在一定程度上反映出了各國工業化的發展程度。

由圖1還可以看出，我國的有關專利申請量所占比例超過了1/ 3，這說明我國在擠出機芯模優化方面的研究較多。塑料與水泥、金屬等傳統材料相比，具有重量輕、耐腐蝕、不生銹、易加工、導熱系數低、絕緣性能好、施工安裝維修方便等優點，而我國正處于社會發展的黃金期，在建筑、市政、化工、農業、醫療衛生等各個領域均處于飛速發展期，因此對塑料制品的需求量逐年增大，同時對塑料制品的性能要求也有所提高，這就需要對塑料制品的生產設備進行一定的改進，使其滿足社會發展的需求。另外，這也在一定程度上反映出我國工業化水平的提升及知識產權意識的提高。

此外，日本、美國、德國一直以來在工業方面就處于領先地位，其有關塑料制品生產方面的改進也較多。

2.2國內外擠出機芯模改進方向專利申請量分析

圖2所示為國內外擠出機芯模不同結構專利申請量對比圖，該對比圖反映出：為了提高擠出制品的性能、得到實際所需的塑料制品，對擠出機芯模的優化主要體現在設置多層芯模、多流道、分配器、溝槽、過渡部件及孔結構等方面。

國內通過設置過渡部件、溝槽優化芯模的專利申請量是比較多的，另外還有設置多流道的方式。在芯模內設置多流道一方面能使熔體的流動優化，另一方面還可以生產多層產品，由此可見，我國在生產多層產品方面的研究量及生產量相對較高，通過在擠出機芯模內設置多流道對提高薄膜狀、層片狀、板狀等產品的生產效率大有裨益。

圖2　國內芯模結構改進方向申請量對比

在國外的有關擠出機芯模優化的專利申請中，在芯模內設置溝槽是最普遍的方式，這在一定程度上反映出國外在這方面的技術較為成熟，這也反映出，在熔體的流動優化及提高塑化效果方面，通過設置溝槽所達到的技術效果是相對來說最好的。

總之，幾種擠出機芯模的優化方式的有關專利申請中，設置溝槽的方式是最多的，其次是設置過渡部件及設置多流道的方式，設置多層模芯及分配器相對較少，設置孔結構的方式是最少的

3　芯模結構主要改進類型分析

3.1國內外擠出機芯模改進方向專利申請量分析

在擠出機模頭結構中，芯模與口模之間構成塑料熔體的流動通道，也即塑料熔體流經芯模的外表面。塑料熔體是一種流體，其符合流體流動的一般規律，因而芯模的外表面的結構及形狀直接影響了塑料熔體的流動狀態，根據圖3可以看出，通過設置溝槽的方式優化擠出機芯模的有關專利申請量最大，主要原因在于，相對于其他幾種優化方式而言，在擠出機芯模內設置溝槽比較易于實現，其加工方便、加工工藝相對比較簡單，溝槽常見的加工方式為機加工方法，如車、銑、刨等；另外，在擠出機芯模表面設置溝槽的主要作用是優化熔體的流動、提高塑化效果，從而減少制品熔接痕的產生，由此也可以反映出，傳統的擠出機擠出成型制品最大的缺陷即是熔體塑化不均勻而產生的缺陷。

圖3　芯模結構改進方向-申請量分布

圖4　芯模結構功效分析

除了通過設置溝槽的方式優化擠出機芯模外，通過設置過渡部件的專利申請量所占比例相對來說也是較多的，其原因也可以歸結為對芯模的加工要求較低、加工工藝相對簡單、易于實現；而通過設置孔結構以實現芯模的優化的專利申請量很少，因為在芯模內加工孔結構，其加工工藝較為復雜，精度要求較高，其采用量較少。

3.2芯模結構技術功效分析

對于模頭芯模結構的改進可以達到多種功效，針對模頭芯模目前的專利申請進行梳理和分析，發現對芯模改進后的技術效果主要有流動優化、生產多層制品、提高塑化效果、提高產品性能、過濾以及流量控制。

圖4為申請量與技術功效分布圖，由圖4可以看出對于芯模進行改進和優化以實現流動優化的申請量占54％，由此也可以反應出如何提高塑料熔體在模頭內的流動效果是目前行業中面臨的主要技術問題，塑料熔體的流動效果直接影響產品的質量。

多層產品是通過共擠出方式，將不同類型的原材料或同類型不同牌號原材料分別在各臺擠出機中加入料斗后，經塑化，物料被定量、定壓擠進機頭，輸送到各自的分配流道中，在壓力和溫度的作用下，這些熔體“各行其道”，然后在口模區匯集，并從模頭的成型段擠出，再經冷卻和定型后獲得所需的多層復合產品，多層產品由如下優點：⑴能充分發揮各種塑料的固有特性，使其在多層復合產品中起到應有的主導作用；⑵屬多種塑料一起成型的整體技術，層間粘合較好，勿需黏合或貼合，生產效率高，成本低；⑶可構成品種多、花樣新、性能優異的各種制品，以滿足特殊場合的使用要求；⑷可以大幅度降低制品成本、簡化流程、減少設備投資，復合過程不用溶劑、很少產生三廢物質。因為多層產品有著眾多的優點，因而其在模頭改進方面占有較大的比例。申請量緊隨其后的為過濾、提高塑化效果、提高產品性能及流量控制相關功能的專利。

需要注意的是，在對芯模進行一個改進時可以達到多個技術功效，例如在芯模表面開設溝槽可以實現流動優化、提高塑化效果、過濾及提高產品性能等功效，不同的溝槽開設形式（位置、形狀、結構等）具有相應的技術功效，例如在芯模表面開設螺旋槽可以優化塑料熔體的流動，同時提高塑化效果，在芯模表面開設由多條平行并最終交匯的溝槽可以提高塑料熔體的塑化效果，減少由于塑化不良對產品質量的影響，而在芯模表面沿圓周方向開設環形槽可以起到對塑料熔體的緩沖作用。

圖5示出了芯模結構技術功效矩陣分析，從圖5中可以得出：在技術需求方面，最為受到關注的是流動優化、生產多層產品以及提高產品性能這三個功效；在流動優化和提高產品性能技術功效方面，開設溝槽來對芯模進行改進和優化的申請量較大，緊隨其后的是使用過渡部件和設置多流道來對熔體的流動進行優化；在生產多層制品技術功效方面，行業中最普遍的技術手段是使用多層芯模。

圖5　芯模結構改進-功效矩陣

另一方面從圖5中還可以看出，在芯模上開設孔結構的改進方式的申請量最少，可以視為目前的技術空白點。設置孔結構對熔體流動的優化效果是非常明顯的，塑料熔體的塑化效果也會進一步提高。孔結構的形狀尺寸、布局以及表面精度是影響塑料熔體流動的重要因素，孔結構的形狀尺寸和布局直接影響熔體的流動方式，但是受于加工方式的限制（行業中通常使用機加工的方式來開孔），使得開孔的成本會明顯提高，并且在一個整體的芯模內部開孔的難度相當大，普遍使用的做法可以設計成組合芯模，在各個芯模模塊上開設槽，然后芯模模塊組合后成為孔，這樣可以降低開孔難度，但是帶來的問題是芯模的整體性及密封性不夠好；孔結構的表面質量也是影響塑料熔體流動的重要因素，塑料流體流經通道的表面質量（光滑度等）會影響塑料熔體的流動狀態，嚴重時會使擠出產品產生褶皺、內應力集中等缺陷。因而如何降低開孔的加工成本、合理設計孔結構的布置方式以及提高孔結構的表面質量是本領域中亟需解決的技術問題。考慮到孔結構的技術功效，如何精加工帶有孔結構的芯模是行業中的一個發展新方向。

4　結論

目前芯模結構和形狀的改進主要集中于設置溝槽、過渡部件、多流道、多層芯模、分配器及孔結構等，芯模的制造受限于傳統的機加工方法，加工方式及精度直接影響芯模的質量，因而如何提高芯模的加工精度和采用新的加工方法來制造高精度的芯模是行業中熱點也是難點問題，是今后的重點發展方向。

［1］金恒義.行星單螺桿一體化擠出機流場的有限元數值模擬及結構優化［D］.北京：北京化工大學，2015.

［2］郭淋.多層共擠出過程模擬及實驗研究［D］.廣州：華南理工大學，2012.

［3］劉小建.多層共擠流延發制備PVDF復合膜的研究［D］.北京：北京化工大學，2011.

［4］鄭爽.單螺桿擠出機共擠控制系統研究［D］.太原：中北大學，2010.

Analysis on the Patent of the Structures and Functions of Mandrel of the Extruders

Chen JuyangLiu ChunyangXiao HongmeiYun Donghai
（Paten Examination Cooperation Henan Center of the Patent Office，SIPO，Zhengzhou Henan 450002）

The mandrel is the important part of the extruder，the runner of melt is between the die and the mandrel，so the flowing state of melt and the quality of products were influenced by the structure of the mandrel.In this article，the statistical analysis of the patent application about the mandrel's structure was carried out in aspect of the state of applicant，the structure and the effect of the mandrel，especial1y the technical effect of the mandrel's structure.

extruder；mandrel；technical route

TQ320.52

A

1003-5168（2016）05-0080-04

2016-5-15

陳聚陽（1987—），男，碩士，審查員，研究方向：材料領域發明申請的實質審查；劉春陽（1990—），女，碩士，審查員，材料領域發明申請的實質審查，等同第一作者。