擠出機(jī)芯模結(jié)構(gòu)專利技術(shù)發(fā)展分析

肖紅梅 王利霞 陳聚陽 劉春陽 贠東海

（國家知識產(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)專利技術(shù)發(fā)展分析

肖紅梅 王利霞 陳聚陽 劉春陽 贠東海

（國家知識產(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，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狀態(tài)，進(jìn)而影響擠出產(chǎn)品的質(zhì)量。本文通過開設(shè)溝槽、多流道、多層芯模以及設(shè)置過渡部件對擠出機(jī)芯模結(jié)構(gòu)的改進(jìn)進(jìn)行研究，著重對擠出機(jī)芯模結(jié)構(gòu)的技術(shù)發(fā)展進(jìn)行分析。

擠出機(jī)；芯模；技術(shù)路線

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　擠出機(jī)芯模結(jié)構(gòu)橫向發(fā)展

如圖1所示，上世紀(jì)70年代初，國外已經(jīng)存在螺旋形流道的模頭芯模，1977年專利JPS5829209B2公開了一種螺旋形流道，液態(tài)膠料從出膠孔流出后進(jìn)入螺旋形流道，螺旋形流道深度組件變淺，實(shí)現(xiàn)膠料分流后平穩(wěn)匯合，使膠料混合均勻，進(jìn)而提高產(chǎn)品質(zhì)量；為了制備多層或者多色的制品，1978年專利US4182603A制作了多層芯模，并在每層芯模上開設(shè)螺旋形流道，螺旋形流道的設(shè)計(jì)保證了產(chǎn)品的質(zhì)量；隨后的一段時(shí)間對芯模的流道和出料通道進(jìn)行了改進(jìn)和探索，1988年專利GB2225272A對出料的通道進(jìn)行改進(jìn)，將進(jìn)料口有一排多個(gè)修改為兩排，實(shí)現(xiàn)更多分流，使得每股膠料匯合后混合更加均勻；在2002年專利US2004022886A1進(jìn)一步對對出料通道進(jìn)行改進(jìn)，螺旋形流道與出料通道之間設(shè)置分級流道，即每個(gè)出料通道分為兩個(gè)分流道，然后流道再進(jìn)行分級，最后與螺旋形流道相通，分級流道的設(shè)置可以在較短的距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)膠料更多的分流，縮短了模頭的長度，提高了分流塑化效果；2006年專利JP2008018598A對流道進(jìn)行了改進(jìn)，流入的膠料分為兩路從兩側(cè)分別進(jìn)入多級分流道，混合均勻后進(jìn)入中間流道；2011年中國專利CN202293298U在出料通道與螺旋形流道之間設(shè)置了分級流道，同時(shí)各出料通道之間也通過流道進(jìn)行連通，同時(shí)對出料通道和流道進(jìn)行改進(jìn)，使得疏導(dǎo)和分流效果更好。

圖1 芯模結(jié)構(gòu)發(fā)展路線

與此同時(shí)，國內(nèi)外也對流道壁和形狀進(jìn)一步進(jìn)行改進(jìn)，用以提高口模的分流和塑化效果，1977年專利US5984657A口模上對稱設(shè)置兩流道，兩流道末端均開設(shè)兩條分流道，流道由深到淺設(shè)置，分流道末端交匯在一起，且在結(jié)合部形成溝槽，使得熔融后的塑膠聚合物在流道中得到均衡地流動，壓力得到充分均衡釋放；2009年中國專利CN201477998U對口模進(jìn)一步進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)置了分級流道的同時(shí)，并在分流道匯合處設(shè)置均壓環(huán)，使壓力進(jìn)一步均勻釋放；2001年專利US2002163099A1公布了將流體通道采用兩個(gè)楔形的凸塊分成四個(gè)流道，用以促進(jìn)分流和再融合；2014年中國專利CN104029370A設(shè)置有流體通道網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)流體通道網(wǎng)絡(luò)逐漸分成最后的8個(gè)縱向通道進(jìn)入到環(huán)形通道內(nèi)，最后環(huán)形通道內(nèi)的橡膠流體均勻包裹于膠管管芯，使得橡膠流體的分布更加分散均勻，同時(shí)將縱向通道和斜向通道的側(cè)壁都設(shè)置成直壁，橡膠流體由多級的縱向通道進(jìn)入到斜向通道過程中，兩個(gè)斜向通道的流體量更加均勻，進(jìn)一步使得進(jìn)入到環(huán)形通道的橡膠流體更加均勻。

此外，也可以通過在口模中設(shè)置過渡部件，提高口模的分流和塑化效果，2000年中國專利CN2439944Y的塑膠管擠出模具具有內(nèi)、外模座，在內(nèi)、外模座間形成有連結(jié)葉片，連結(jié)葉片具有適當(dāng)長度的叉狀葉片，其中叉狀葉片的一上葉片與外模座的內(nèi)壁連結(jié)，下葉片則與內(nèi)模座的內(nèi)壁連結(jié)，使自模具的料槽由內(nèi)向外被押出時(shí)，利用連結(jié)葉片，末端的叉狀葉片使成型的塑膠管壁的接合處呈一非直線狀，可防止塑膠管自接合處斷裂，確保塑膠管的品質(zhì)；2010年中國專利CN102049849A的塑料擠出管材模具設(shè)置交錯(cuò)分流結(jié)構(gòu)的支架板，該支架板外圈與內(nèi)圈的連接結(jié)構(gòu)為上下兩個(gè)菱形或矩形塊交錯(cuò)形成的交錯(cuò)分流結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可將流經(jīng)支架流道的塑料坯料進(jìn)行交錯(cuò)分流，打亂了其流向，從而能夠有效的減少塑料管材支架痕的產(chǎn)生，從而提高管材的綜合物理性能，降低管材報(bào)廢率；2010年中國專利CN201792478U的塑料擠出機(jī)與模頭之間設(shè)置過渡環(huán)，過渡環(huán)中間有與模頭流道截面形狀配合的截流壁，截流壁上均勻分布三至六個(gè)分流流道，每個(gè)分流流道的內(nèi)壁有兩至六道內(nèi)螺旋導(dǎo)流面，且內(nèi)螺旋導(dǎo)流面由兩端向分流流道對稱中心收縮使得分流流道兩端內(nèi)壁形成靜態(tài)螺旋葉片式結(jié)構(gòu)，將通過的熔融物料的中間料流與外部料流進(jìn)行互換，熔融物料進(jìn)行混煉、塑化與分流，使得進(jìn)入模頭的物料內(nèi)外塑化均勻，熔壓更一致，料流更平穩(wěn)，可以提高型材的質(zhì)量。

上世紀(jì)70年代初，國外已經(jīng)存在螺旋形流道的模頭芯模，專利JPS5829209B2公開了一種螺旋形流道，液態(tài)膠料從出膠孔流出后進(jìn)入螺旋形流道，螺旋形流道深度組件變淺，實(shí)現(xiàn)膠料分流后平穩(wěn)匯合，使膠料混合均勻，進(jìn)而提高產(chǎn)品質(zhì)量；專利US4182603A制作了多層芯模，并在每層芯模上開設(shè)螺旋形流道，多層芯?？梢杂脕碇苽涠鄬踊蛘叨嗌闹破?，螺旋形流道的設(shè)計(jì)保證了產(chǎn)品的質(zhì)量；專利GB2225272A對出料的通道進(jìn)行改進(jìn)，將進(jìn)料口有一排多個(gè)修改為兩排，實(shí)現(xiàn)更多分流，使得每股膠料匯合后混合更加均勻；專利US2004022886A1進(jìn)一步對對出料通道進(jìn)行改進(jìn)，螺旋形流道與出料通道之間設(shè)置分級流道，即每個(gè)出料通道分為兩個(gè)分流道，然后流道再進(jìn)行分級，最后與螺旋形流道相通，分級流道的設(shè)置可以在較短的距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)膠料更多的分流，縮短了模頭的長度，提高了分流塑化效果；專利JP2008018598A對流道進(jìn)行了改進(jìn)，流入的膠料分為兩路從兩側(cè)分別進(jìn)入多級分流道，混合均勻后進(jìn)入中間流道；專利CN202293298U在出料通道與螺旋形流道之間設(shè)置了分級流道，同時(shí)各出料通道之間也通過流道進(jìn)行連通，使得疏導(dǎo)和分流效果更好。

專利US5984657A口模上對稱設(shè)置兩流道，兩流道末端均開設(shè)兩條分流道，流道由深到淺設(shè)置，分流道末端交匯在一起，且在結(jié)合部形成溝槽，使得熔融后的塑膠聚合物在流道中得到均衡地流動，壓力得到充分均衡釋放；專利CN201477998A對口模進(jìn)一步進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)置了分級流道的同時(shí)，并在分流道匯合處設(shè)置均壓環(huán)，使壓力進(jìn)一步均勻釋放；專利US2002163099A1流體通道被兩個(gè)楔形的凸塊分成四個(gè)流道，用以促進(jìn)分流和再融合；專利CN104029370A設(shè)置有流體通道網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)流體通道網(wǎng)絡(luò)逐漸分成最后的8個(gè)縱向通道進(jìn)入到環(huán)形通道內(nèi)，最后環(huán)形通道內(nèi)的橡膠流體均勻包裹于膠管管芯，使得橡膠流體的分布更加分散均勻，同時(shí)將縱向通道和斜向通道的側(cè)壁都設(shè)置成直壁，橡膠流體由多級的縱向通道進(jìn)入到斜向通道過程中，兩個(gè)斜向通道的流體量更加均勻，進(jìn)一步使得進(jìn)入到環(huán)形通道的橡膠流體更加均勻。

同時(shí)，專利CN2439944Y的塑膠管擠出模具具有內(nèi)、外模座，在內(nèi)、外模座間形成有連結(jié)葉片，連結(jié)葉片具有適當(dāng)長度的叉狀葉片，其中叉狀葉片的一上葉片與外模座的內(nèi)壁連結(jié)，下葉片則與內(nèi)模座的內(nèi)壁連結(jié)，使自模具的料槽由內(nèi)向外被押出時(shí)，利用連結(jié)葉片，末端的叉狀葉片使成型的塑膠管壁的接合處呈一非直線狀，可防止塑膠管自接合處斷裂，確保塑膠管的品質(zhì)；專利CN102049849A的塑料擠出管材模具設(shè)置交錯(cuò)分流結(jié)構(gòu)的支架板，該支架板外圈與內(nèi)圈的連接結(jié)構(gòu)為上下兩個(gè)菱形或矩形塊交錯(cuò)形成的交錯(cuò)分流結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可將流經(jīng)支架流道的塑料坯料進(jìn)行交錯(cuò)分流，打亂了其流向，從而能夠有效的減少塑料管材支架痕的產(chǎn)生，從而提高管材的綜合物理性能，降低管材報(bào)廢率；專利CN201792478U的塑料擠出機(jī)與模頭之間設(shè)置過渡環(huán)，過渡環(huán)中間有與模頭流道截面形狀配合的截流壁，截流壁上均勻分布三至六個(gè)分流流道，每個(gè)分流流道的內(nèi)壁有兩至六道內(nèi)螺旋導(dǎo)流面，且內(nèi)螺旋導(dǎo)流面由兩端向分流流道對稱中心收縮使得分流流道兩端內(nèi)壁形成靜態(tài)螺旋葉片式結(jié)構(gòu)，將通過的熔融物料的中間料流與外部料流進(jìn)行互換，熔融物料進(jìn)行混煉、塑化與分流，使得進(jìn)入模頭的物料內(nèi)外塑化均勻，熔壓更一致，料流更平穩(wěn)，可以提高型材的質(zhì)量。

3　結(jié)語

英國、美國等歐美國家于上世紀(jì)70年代已經(jīng)開始關(guān)注到芯模的結(jié)構(gòu)會對擠出制品帶來很大的影響；芯模是擠出機(jī)機(jī)頭的重要部件，其結(jié)構(gòu)直接影響到塑料熔體在擠出機(jī)機(jī)頭中的流動狀態(tài)，進(jìn)一步影響了擠出產(chǎn)品的性能與質(zhì)量，因而芯模的研究方向主要在于對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，來獲得所需的技術(shù)功效，其中流動優(yōu)化、生產(chǎn)多層制品、提高塑化效果、提高產(chǎn)品性能、過濾以及流量控制是人們普遍關(guān)注的技術(shù)功效。

［1］金恒義.行星單螺桿一體化擠出機(jī)流場的有限元數(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 Technology of the Mandrel's Structure of the Extruder

Xiao HongmeiWang LixiaChen JuyangLiu Chunyang Yun 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 improvement of themandrel'sstructure was investigated by the structure of the helicoid flow head，the spiral flow head，multi-layer runners and mandrel support die，especial1y the technological improvement of the mandrel.

extruder；mandrel；technological improvement

TQ320.52

A

1003-5168（2016）06-0039-03

2016-5-12

肖紅梅（1985-），女，碩士，審查員，研究方向：材料領(lǐng)域發(fā)明申請的實(shí)質(zhì)審查；王利霞（1988-），女，碩士，審查員，研究方向：材料領(lǐng)域發(fā)明申請的實(shí)質(zhì)審查，等同于第一作者。