擠出機(jī)芯模結(jié)構(gòu)功效專利技術(shù)分析

陳聚陽 劉春陽 肖紅梅 贠東海（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南　鄭州　450002）

擠出機(jī)芯模結(jié)構(gòu)功效專利技術(shù)分析

陳聚陽 劉春陽 肖紅梅 贠東海
（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南鄭州450002）

擠出機(jī)芯模是擠出機(jī)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(jié)構(gòu)直接影響了塑料熔體在模頭中的流動(dòng)狀態(tài)，從而直接影響擠出產(chǎn)品的質(zhì)量。本文從申請(qǐng)國(guó)家、芯模結(jié)構(gòu)和改進(jìn)效果三個(gè)方面分別對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于芯模研究的專利申請(qǐng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并著重對(duì)芯模結(jié)構(gòu)改進(jìn)的技術(shù)功效進(jìn)行了分析。

擠出機(jī)；芯模；技術(shù)功效

1　擠出機(jī)芯模技術(shù)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(fā)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(yè)中最早使用的成型方法之一，同時(shí)也是塑料成型加工的主要方法。大多數(shù)熱塑性塑料和少數(shù)熱固性塑料都能夠使用擠出成型方法進(jìn)行加工。擠出成型可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，擠出成型的生產(chǎn)效率高、應(yīng)用十分廣泛，尤其適用于塑料制品的連續(xù)化成型加工。人們?nèi)粘Ｉ钪袕V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(yīng)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(yōu)點(diǎn)使得其在聚合物加工產(chǎn)業(yè)中占有重要地位，擠出成型的制品也被廣泛地應(yīng)用于建筑工業(yè)、機(jī)械制造、核電工業(yè)及航天軍工等諸多領(lǐng)域［1，2］。

擠出成型使用最普遍、最廣泛的設(shè)備是螺桿擠出機(jī)。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(chǎn)品定型作用，擠出模頭結(jié)構(gòu)影響塑料熔體擠出流動(dòng)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(jié)構(gòu)直接影響了塑料熔體在模頭中的流動(dòng)狀態(tài)，從而影響擠出產(chǎn)品的質(zhì)量。近年來，擠出模頭的設(shè)計(jì)技術(shù)研究工作主要集中在芯模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化上，對(duì)于模頭芯模的改進(jìn)主要包括：開設(shè)溝槽、多流道設(shè)計(jì)、設(shè)置分配器、多層芯模、設(shè)置過渡部件（如分配器等）以及開設(shè)孔結(jié)構(gòu)［3，4］。

2　主要申請(qǐng)國(guó)家專利申請(qǐng)量的比較分析

圖1示出了不同國(guó)家有關(guān)芯模改進(jìn)和優(yōu)化的專利申請(qǐng)量，由圖1可以看出，中國(guó)是申請(qǐng)量最多的國(guó)家，其次是日本、美國(guó)、德國(guó)，這在一定程度上反映出了各國(guó)工業(yè)化的發(fā)展程度。

圖1　主要申請(qǐng)國(guó)家專利申請(qǐng)量

由圖1還可以看出，我國(guó)的有關(guān)專利申請(qǐng)量所占比例超過了1/3，這說明我國(guó)在擠出機(jī)芯模優(yōu)化方面的研究較多。塑料與水泥、金屬等傳統(tǒng)材料相比，具有重量輕、耐腐蝕、不生銹、易加工、導(dǎo)熱系數(shù)低、絕緣性能好、施工安裝維修方便等優(yōu)點(diǎn)，而我國(guó)正處于社會(huì)發(fā)展的黃金期，在建筑、市政、化工、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生等各個(gè)領(lǐng)域均處于飛速發(fā)展期，因此對(duì)塑料制品的需求量逐年增大，同時(shí)對(duì)塑料制品的性能要求也有所提高，這就需要對(duì)塑料制品的生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行一定的改進(jìn)，使其滿足社會(huì)發(fā)展的需求。另外，這也在一定程度上反映出我國(guó)工業(yè)化水平的提升及知識(shí)產(chǎn)權(quán)意識(shí)的提高。

此外，日本、美國(guó)、德國(guó)一直以來在工業(yè)方面就處于領(lǐng)先地位，其有關(guān)塑料制品生產(chǎn)方面的改進(jìn)也較多。

2.1國(guó)內(nèi)外擠出機(jī)芯模改進(jìn)方向?qū)＠暾?qǐng)量分析

圖1示出了不同國(guó)家有關(guān)芯模改進(jìn)和優(yōu)化的專利申請(qǐng)量，由圖1可以看出，中國(guó)是申請(qǐng)量最多的國(guó)家，其次是日本、美國(guó)、德國(guó)，這在一定程度上反映出了各國(guó)工業(yè)化的發(fā)展程度。

由圖1還可以看出，我國(guó)的有關(guān)專利申請(qǐng)量所占比例超過了1/ 3，這說明我國(guó)在擠出機(jī)芯模優(yōu)化方面的研究較多。塑料與水泥、金屬等傳統(tǒng)材料相比，具有重量輕、耐腐蝕、不生銹、易加工、導(dǎo)熱系數(shù)低、絕緣性能好、施工安裝維修方便等優(yōu)點(diǎn)，而我國(guó)正處于社會(huì)發(fā)展的黃金期，在建筑、市政、化工、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生等各個(gè)領(lǐng)域均處于飛速發(fā)展期，因此對(duì)塑料制品的需求量逐年增大，同時(shí)對(duì)塑料制品的性能要求也有所提高，這就需要對(duì)塑料制品的生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行一定的改進(jìn)，使其滿足社會(huì)發(fā)展的需求。另外，這也在一定程度上反映出我國(guó)工業(yè)化水平的提升及知識(shí)產(chǎn)權(quán)意識(shí)的提高。

此外，日本、美國(guó)、德國(guó)一直以來在工業(yè)方面就處于領(lǐng)先地位，其有關(guān)塑料制品生產(chǎn)方面的改進(jìn)也較多。

2.2國(guó)內(nèi)外擠出機(jī)芯模改進(jìn)方向?qū)＠暾?qǐng)量分析

圖2所示為國(guó)內(nèi)外擠出機(jī)芯模不同結(jié)構(gòu)專利申請(qǐng)量對(duì)比圖，該對(duì)比圖反映出：為了提高擠出制品的性能、得到實(shí)際所需的塑料制品，對(duì)擠出機(jī)芯模的優(yōu)化主要體現(xiàn)在設(shè)置多層芯模、多流道、分配器、溝槽、過渡部件及孔結(jié)構(gòu)等方面。

國(guó)內(nèi)通過設(shè)置過渡部件、溝槽優(yōu)化芯模的專利申請(qǐng)量是比較多的，另外還有設(shè)置多流道的方式。在芯模內(nèi)設(shè)置多流道一方面能使熔體的流動(dòng)優(yōu)化，另一方面還可以生產(chǎn)多層產(chǎn)品，由此可見，我國(guó)在生產(chǎn)多層產(chǎn)品方面的研究量及生產(chǎn)量相對(duì)較高，通過在擠出機(jī)芯模內(nèi)設(shè)置多流道對(duì)提高薄膜狀、層片狀、板狀等產(chǎn)品的生產(chǎn)效率大有裨益。

圖2　國(guó)內(nèi)芯模結(jié)構(gòu)改進(jìn)方向申請(qǐng)量對(duì)比

在國(guó)外的有關(guān)擠出機(jī)芯模優(yōu)化的專利申請(qǐng)中，在芯模內(nèi)設(shè)置溝槽是最普遍的方式，這在一定程度上反映出國(guó)外在這方面的技術(shù)較為成熟，這也反映出，在熔體的流動(dòng)優(yōu)化及提高塑化效果方面，通過設(shè)置溝槽所達(dá)到的技術(shù)效果是相對(duì)來說最好的。

總之，幾種擠出機(jī)芯模的優(yōu)化方式的有關(guān)專利申請(qǐng)中，設(shè)置溝槽的方式是最多的，其次是設(shè)置過渡部件及設(shè)置多流道的方式，設(shè)置多層模芯及分配器相對(duì)較少，設(shè)置孔結(jié)構(gòu)的方式是最少的

3　芯模結(jié)構(gòu)主要改進(jìn)類型分析

3.1國(guó)內(nèi)外擠出機(jī)芯模改進(jìn)方向?qū)＠暾?qǐng)量分析

在擠出機(jī)模頭結(jié)構(gòu)中，芯模與口模之間構(gòu)成塑料熔體的流動(dòng)通道，也即塑料熔體流經(jīng)芯模的外表面。塑料熔體是一種流體，其符合流體流動(dòng)的一般規(guī)律，因而芯模的外表面的結(jié)構(gòu)及形狀直接影響了塑料熔體的流動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)圖3可以看出，通過設(shè)置溝槽的方式優(yōu)化擠出機(jī)芯模的有關(guān)專利申請(qǐng)量最大，主要原因在于，相對(duì)于其他幾種優(yōu)化方式而言，在擠出機(jī)芯模內(nèi)設(shè)置溝槽比較易于實(shí)現(xiàn)，其加工方便、加工工藝相對(duì)比較簡(jiǎn)單，溝槽常見的加工方式為機(jī)加工方法，如車、銑、刨等；另外，在擠出機(jī)芯模表面設(shè)置溝槽的主要作用是優(yōu)化熔體的流動(dòng)、提高塑化效果，從而減少制品熔接痕的產(chǎn)生，由此也可以反映出，傳統(tǒng)的擠出機(jī)擠出成型制品最大的缺陷即是熔體塑化不均勻而產(chǎn)生的缺陷。

圖3　芯模結(jié)構(gòu)改進(jìn)方向-申請(qǐng)量分布

圖4　芯模結(jié)構(gòu)功效分析

除了通過設(shè)置溝槽的方式優(yōu)化擠出機(jī)芯模外，通過設(shè)置過渡部件的專利申請(qǐng)量所占比例相對(duì)來說也是較多的，其原因也可以歸結(jié)為對(duì)芯模的加工要求較低、加工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)；而通過設(shè)置孔結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)芯模的優(yōu)化的專利申請(qǐng)量很少，因?yàn)樵谛灸?nèi)加工孔結(jié)構(gòu)，其加工工藝較為復(fù)雜，精度要求較高，其采用量較少。

3.2芯模結(jié)構(gòu)技術(shù)功效分析

對(duì)于模頭芯模結(jié)構(gòu)的改進(jìn)可以達(dá)到多種功效，針對(duì)模頭芯模目前的專利申請(qǐng)進(jìn)行梳理和分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)芯模改進(jìn)后的技術(shù)效果主要有流動(dòng)優(yōu)化、生產(chǎn)多層制品、提高塑化效果、提高產(chǎn)品性能、過濾以及流量控制。

圖4為申請(qǐng)量與技術(shù)功效分布圖，由圖4可以看出對(duì)于芯模進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)流動(dòng)優(yōu)化的申請(qǐng)量占54％，由此也可以反應(yīng)出如何提高塑料熔體在模頭內(nèi)的流動(dòng)效果是目前行業(yè)中面臨的主要技術(shù)問題，塑料熔體的流動(dòng)效果直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。

多層產(chǎn)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(hào)原材料分別在各臺(tái)擠出機(jī)中加入料斗后，經(jīng)塑化，物料被定量、定壓擠進(jìn)機(jī)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(qū)匯集，并從模頭的成型段擠出，再經(jīng)冷卻和定型后獲得所需的多層復(fù)合產(chǎn)品，多層產(chǎn)品由如下優(yōu)點(diǎn)：⑴能充分發(fā)揮各種塑料的固有特性，使其在多層復(fù)合產(chǎn)品中起到應(yīng)有的主導(dǎo)作用；⑵屬多種塑料一起成型的整體技術(shù)，層間粘合較好，勿需黏合或貼合，生產(chǎn)效率高，成本低；⑶可構(gòu)成品種多、花樣新、性能優(yōu)異的各種制品，以滿足特殊場(chǎng)合的使用要求；⑷可以大幅度降低制品成本、簡(jiǎn)化流程、減少設(shè)備投資，復(fù)合過程不用溶劑、很少產(chǎn)生三廢物質(zhì)。因?yàn)槎鄬赢a(chǎn)品有著眾多的優(yōu)點(diǎn)，因而其在模頭改進(jìn)方面占有較大的比例。申請(qǐng)量緊隨其后的為過濾、提高塑化效果、提高產(chǎn)品性能及流量控制相關(guān)功能的專利。

需要注意的是，在對(duì)芯模進(jìn)行一個(gè)改進(jìn)時(shí)可以達(dá)到多個(gè)技術(shù)功效，例如在芯模表面開設(shè)溝槽可以實(shí)現(xiàn)流動(dòng)優(yōu)化、提高塑化效果、過濾及提高產(chǎn)品性能等功效，不同的溝槽開設(shè)形式（位置、形狀、結(jié)構(gòu)等）具有相應(yīng)的技術(shù)功效，例如在芯模表面開設(shè)螺旋槽可以優(yōu)化塑料熔體的流動(dòng)，同時(shí)提高塑化效果，在芯模表面開設(shè)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(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，而在芯模表面沿圓周方向開設(shè)環(huán)形槽可以起到對(duì)塑料熔體的緩沖作用。

圖5示出了芯模結(jié)構(gòu)技術(shù)功效矩陣分析，從圖5中可以得出：在技術(shù)需求方面，最為受到關(guān)注的是流動(dòng)優(yōu)化、生產(chǎn)多層產(chǎn)品以及提高產(chǎn)品性能這三個(gè)功效；在流動(dòng)優(yōu)化和提高產(chǎn)品性能技術(shù)功效方面，開設(shè)溝槽來對(duì)芯模進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化的申請(qǐng)量較大，緊隨其后的是使用過渡部件和設(shè)置多流道來對(duì)熔體的流動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化；在生產(chǎn)多層制品技術(shù)功效方面，行業(yè)中最普遍的技術(shù)手段是使用多層芯模。

圖5　芯模結(jié)構(gòu)改進(jìn)-功效矩陣

另一方面從圖5中還可以看出，在芯模上開設(shè)孔結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方式的申請(qǐng)量最少，可以視為目前的技術(shù)空白點(diǎn)。設(shè)置孔結(jié)構(gòu)對(duì)熔體流動(dòng)的優(yōu)化效果是非常明顯的，塑料熔體的塑化效果也會(huì)進(jìn)一步提高?？捉Y(jié)構(gòu)的形狀尺寸、布局以及表面精度是影響塑料熔體流動(dòng)的重要因素，孔結(jié)構(gòu)的形狀尺寸和布局直接影響熔體的流動(dòng)方式，但是受于加工方式的限制（行業(yè)中通常使用機(jī)加工的方式來開孔），使得開孔的成本會(huì)明顯提高，并且在一個(gè)整體的芯模內(nèi)部開孔的難度相當(dāng)大，普遍使用的做法可以設(shè)計(jì)成組合芯模，在各個(gè)芯模模塊上開設(shè)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(jié)構(gòu)的表面質(zhì)量也是影響塑料熔體流動(dòng)的重要因素，塑料流體流經(jīng)通道的表面質(zhì)量（光滑度等）會(huì)影響塑料熔體的流動(dòng)狀態(tài)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使擠出產(chǎn)品產(chǎn)生褶皺、內(nèi)應(yīng)力集中等缺陷。因而如何降低開孔的加工成本、合理設(shè)計(jì)孔結(jié)構(gòu)的布置方式以及提高孔結(jié)構(gòu)的表面質(zhì)量是本領(lǐng)域中亟需解決的技術(shù)問題?？紤]到孔結(jié)構(gòu)的技術(shù)功效，如何精加工帶有孔結(jié)構(gòu)的芯模是行業(yè)中的一個(gè)發(fā)展新方向。

4　結(jié)論

目前芯模結(jié)構(gòu)和形狀的改進(jìn)主要集中于設(shè)置溝槽、過渡部件、多流道、多層芯模、分配器及孔結(jié)構(gòu)等，芯模的制造受限于傳統(tǒng)的機(jī)加工方法，加工方式及精度直接影響芯模的質(zhì)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(yè)中熱點(diǎn)也是難點(diǎn)問題，是今后的重點(diǎn)發(fā)展方向。

［1］金恒義.行星單螺桿一體化擠出機(jī)流場(chǎng)的有限元數(shù)值模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化［D］.北京：北京化工大學(xué)，2015.

［2］郭淋.多層共擠出過程模擬及實(shí)驗(yàn)研究［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2012.

［3］劉小建.多層共擠流延發(fā)制備PVDF復(fù)合膜的研究［D］.北京：北京化工大學(xué)，2011.

［4］鄭爽.單螺桿擠出機(jī)共擠控制系統(tǒng)研究［D］.太原：中北大學(xué)，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(lǐng)域發(fā)明申請(qǐng)的實(shí)質(zhì)審查；劉春陽（1990—），女，碩士，審查員，材料領(lǐng)域發(fā)明申請(qǐng)的實(shí)質(zhì)審查，等同第一作者。