挤出机芯模结构功效专利技术分析

陈聚阳 刘春阳 肖红梅 贠东海（国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南　郑州　450002）

挤出机芯模结构功效专利技术分析

陈聚阳 刘春阳 肖红梅 贠东海
（国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南郑州450002）

挤出机芯模是挤出机中的重要部件，芯模和口模之间形成塑料熔体的流通通道，因而芯模的形状及结构直接影响了塑料熔体在模头中的流动状态，从而直接影响挤出产品的质量。本文从申请国家、芯模结构和改进效果三个方面分别对国内外关于芯模研究的专利申请进行统计分析，并着重对芯模结构改进的技术功效进行了分析。

挤出机；芯模；技术功效

1　挤出机芯模技术概述

塑料成型加工的方法多种多样，如注塑成型、挤出成型、吹塑成型、压延成型、流延成型及发泡成型等。挤出成型在塑料的成型方法中占有举足轻重的地位。挤出成型是塑料加工工业中最早使用的成型方法之一，同时也是塑料成型加工的主要方法。大多数热塑性塑料和少数热固性塑料都能够使用挤出成型方法进行加工。挤出成型可以实现连续化生产，挤出成型的生产效率高、应用十分广泛，尤其适用于塑料制品的连续化成型加工。人们日常生活中广泛使用的管材、片材、异型材以及薄膜等多种制品都是通过挤出成型加工的。挤出成型方法还能够应用于物料的混合、材料的改性、切片造粒、物料着色及坯料的成型等多种用途。挤出成型的众多优点使得其在聚合物加工产业中占有重要地位，挤出成型的制品也被广泛地应用于建筑工业、机械制造、核电工业及航天军工等诸多领域［1，2］。

挤出成型使用最普遍、最广泛的设备是螺杆挤出机。在塑料熔体挤出成型过程中，挤出模头主要完成熔体的引流，分流以及产品定型作用，挤出模头结构影响塑料熔体挤出流动与挤出成型制品。挤出模头主要由芯模、口模等组成，芯模和口模之间形成塑料熔体的流通通道，因而芯模的形状及结构直接影响了塑料熔体在模头中的流动状态，从而影响挤出产品的质量。近年来，挤出模头的设计技术研究工作主要集中在芯模的结构设计和优化上，对于模头芯模的改进主要包括：开设沟槽、多流道设计、设置分配器、多层芯模、设置过渡部件（如分配器等）以及开设孔结构［3，4］。

2　主要申请国家专利申请量的比较分析

图1示出了不同国家有关芯模改进和优化的专利申请量，由图1可以看出，中国是申请量最多的国家，其次是日本、美国、德国，这在一定程度上反映出了各国工业化的发展程度。

图1　主要申请国家专利申请量

由图1还可以看出，我国的有关专利申请量所占比例超过了1/3，这说明我国在挤出机芯模优化方面的研究较多。塑料与水泥、金属等传统材料相比，具有重量轻、耐腐蚀、不生锈、易加工、导热系数低、绝缘性能好、施工安装维修方便等优点，而我国正处于社会发展的黄金期，在建筑、市政、化工、农业、医疗卫生等各个领域均处于飞速发展期，因此对塑料制品的需求量逐年增大，同时对塑料制品的性能要求也有所提高，这就需要对塑料制品的生产设备进行一定的改进，使其满足社会发展的需求。另外，这也在一定程度上反映出我国工业化水平的提升及知识产权意识的提高。

此外，日本、美国、德国一直以来在工业方面就处于领先地位，其有关塑料制品生产方面的改进也较多。

2.1国内外挤出机芯模改进方向专利申请量分析

图1示出了不同国家有关芯模改进和优化的专利申请量，由图1可以看出，中国是申请量最多的国家，其次是日本、美国、德国，这在一定程度上反映出了各国工业化的发展程度。

由图1还可以看出，我国的有关专利申请量所占比例超过了1/ 3，这说明我国在挤出机芯模优化方面的研究较多。塑料与水泥、金属等传统材料相比，具有重量轻、耐腐蚀、不生锈、易加工、导热系数低、绝缘性能好、施工安装维修方便等优点，而我国正处于社会发展的黄金期，在建筑、市政、化工、农业、医疗卫生等各个领域均处于飞速发展期，因此对塑料制品的需求量逐年增大，同时对塑料制品的性能要求也有所提高，这就需要对塑料制品的生产设备进行一定的改进，使其满足社会发展的需求。另外，这也在一定程度上反映出我国工业化水平的提升及知识产权意识的提高。

此外，日本、美国、德国一直以来在工业方面就处于领先地位，其有关塑料制品生产方面的改进也较多。

2.2国内外挤出机芯模改进方向专利申请量分析

图2所示为国内外挤出机芯模不同结构专利申请量对比图，该对比图反映出：为了提高挤出制品的性能、得到实际所需的塑料制品，对挤出机芯模的优化主要体现在设置多层芯模、多流道、分配器、沟槽、过渡部件及孔结构等方面。

国内通过设置过渡部件、沟槽优化芯模的专利申请量是比较多的，另外还有设置多流道的方式。在芯模内设置多流道一方面能使熔体的流动优化，另一方面还可以生产多层产品，由此可见，我国在生产多层产品方面的研究量及生产量相对较高，通过在挤出机芯模内设置多流道对提高薄膜状、层片状、板状等产品的生产效率大有裨益。

图2　国内芯模结构改进方向申请量对比

在国外的有关挤出机芯模优化的专利申请中，在芯模内设置沟槽是最普遍的方式，这在一定程度上反映出国外在这方面的技术较为成熟，这也反映出，在熔体的流动优化及提高塑化效果方面，通过设置沟槽所达到的技术效果是相对来说最好的。

总之，几种挤出机芯模的优化方式的有关专利申请中，设置沟槽的方式是最多的，其次是设置过渡部件及设置多流道的方式，设置多层模芯及分配器相对较少，设置孔结构的方式是最少的

3　芯模结构主要改进类型分析

3.1国内外挤出机芯模改进方向专利申请量分析

在挤出机模头结构中，芯模与口模之间构成塑料熔体的流动通道，也即塑料熔体流经芯模的外表面。塑料熔体是一种流体，其符合流体流动的一般规律，因而芯模的外表面的结构及形状直接影响了塑料熔体的流动状态，根据图3可以看出，通过设置沟槽的方式优化挤出机芯模的有关专利申请量最大，主要原因在于，相对于其他几种优化方式而言，在挤出机芯模内设置沟槽比较易于实现，其加工方便、加工工艺相对比较简单，沟槽常见的加工方式为机加工方法，如车、铣、刨等；另外，在挤出机芯模表面设置沟槽的主要作用是优化熔体的流动、提高塑化效果，从而减少制品熔接痕的产生，由此也可以反映出，传统的挤出机挤出成型制品最大的缺陷即是熔体塑化不均匀而产生的缺陷。

图3　芯模结构改进方向-申请量分布

图4　芯模结构功效分析

除了通过设置沟槽的方式优化挤出机芯模外，通过设置过渡部件的专利申请量所占比例相对来说也是较多的，其原因也可以归结为对芯模的加工要求较低、加工工艺相对简单、易于实现；而通过设置孔结构以实现芯模的优化的专利申请量很少，因为在芯模内加工孔结构，其加工工艺较为复杂，精度要求较高，其采用量较少。

3.2芯模结构技术功效分析

对于模头芯模结构的改进可以达到多种功效，针对模头芯模目前的专利申请进行梳理和分析，发现对芯模改进后的技术效果主要有流动优化、生产多层制品、提高塑化效果、提高产品性能、过滤以及流量控制。

图4为申请量与技术功效分布图，由图4可以看出对于芯模进行改进和优化以实现流动优化的申请量占54％，由此也可以反应出如何提高塑料熔体在模头内的流动效果是目前行业中面临的主要技术问题，塑料熔体的流动效果直接影响产品的质量。

多层产品是通过共挤出方式，将不同类型的原材料或同类型不同牌号原材料分别在各台挤出机中加入料斗后，经塑化，物料被定量、定压挤进机头，输送到各自的分配流道中，在压力和温度的作用下，这些熔体“各行其道”，然后在口模区汇集，并从模头的成型段挤出，再经冷却和定型后获得所需的多层复合产品，多层产品由如下优点：⑴能充分发挥各种塑料的固有特性，使其在多层复合产品中起到应有的主导作用；⑵属多种塑料一起成型的整体技术，层间粘合较好，勿需黏合或贴合，生产效率高，成本低；⑶可构成品种多、花样新、性能优异的各种制品，以满足特殊场合的使用要求；⑷可以大幅度降低制品成本、简化流程、减少设备投资，复合过程不用溶剂、很少产生三废物质。因为多层产品有着众多的优点，因而其在模头改进方面占有较大的比例。申请量紧随其后的为过滤、提高塑化效果、提高产品性能及流量控制相关功能的专利。

需要注意的是，在对芯模进行一个改进时可以达到多个技术功效，例如在芯模表面开设沟槽可以实现流动优化、提高塑化效果、过滤及提高产品性能等功效，不同的沟槽开设形式（位置、形状、结构等）具有相应的技术功效，例如在芯模表面开设螺旋槽可以优化塑料熔体的流动，同时提高塑化效果，在芯模表面开设由多条平行并最终交汇的沟槽可以提高塑料熔体的塑化效果，减少由于塑化不良对产品质量的影响，而在芯模表面沿圆周方向开设环形槽可以起到对塑料熔体的缓冲作用。

图5示出了芯模结构技术功效矩阵分析，从图5中可以得出：在技术需求方面，最为受到关注的是流动优化、生产多层产品以及提高产品性能这三个功效；在流动优化和提高产品性能技术功效方面，开设沟槽来对芯模进行改进和优化的申请量较大，紧随其后的是使用过渡部件和设置多流道来对熔体的流动进行优化；在生产多层制品技术功效方面，行业中最普遍的技术手段是使用多层芯模。

图5　芯模结构改进-功效矩阵

另一方面从图5中还可以看出，在芯模上开设孔结构的改进方式的申请量最少，可以视为目前的技术空白点。设置孔结构对熔体流动的优化效果是非常明显的，塑料熔体的塑化效果也会进一步提高。孔结构的形状尺寸、布局以及表面精度是影响塑料熔体流动的重要因素，孔结构的形状尺寸和布局直接影响熔体的流动方式，但是受于加工方式的限制（行业中通常使用机加工的方式来开孔），使得开孔的成本会明显提高，并且在一个整体的芯模内部开孔的难度相当大，普遍使用的做法可以设计成组合芯模，在各个芯模模块上开设槽，然后芯模模块组合后成为孔，这样可以降低开孔难度，但是带来的问题是芯模的整体性及密封性不够好；孔结构的表面质量也是影响塑料熔体流动的重要因素，塑料流体流经通道的表面质量（光滑度等）会影响塑料熔体的流动状态，严重时会使挤出产品产生褶皱、内应力集中等缺陷。因而如何降低开孔的加工成本、合理设计孔结构的布置方式以及提高孔结构的表面质量是本领域中亟需解决的技术问题。考虑到孔结构的技术功效，如何精加工带有孔结构的芯模是行业中的一个发展新方向。

4　结论

目前芯模结构和形状的改进主要集中于设置沟槽、过渡部件、多流道、多层芯模、分配器及孔结构等，芯模的制造受限于传统的机加工方法，加工方式及精度直接影响芯模的质量，因而如何提高芯模的加工精度和采用新的加工方法来制造高精度的芯模是行业中热点也是难点问题，是今后的重点发展方向。

［1］金恒义.行星单螺杆一体化挤出机流场的有限元数值模拟及结构优化［D］.北京：北京化工大学，2015.

［2］郭淋.多层共挤出过程模拟及实验研究［D］.广州：华南理工大学，2012.

［3］刘小建.多层共挤流延发制备PVDF复合膜的研究［D］.北京：北京化工大学，2011.

［4］郑爽.单螺杆挤出机共挤控制系统研究［D］.太原：中北大学，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

陈聚阳（1987—），男，硕士，审查员，研究方向：材料领域发明申请的实质审查；刘春阳（1990—），女，硕士，审查员，材料领域发明申请的实质审查，等同第一作者。