擠出機芯模結構專利技術發展分析

肖紅梅 王利霞 陳聚陽 劉春陽 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）

擠出機芯模結構專利技術發展分析

肖紅梅 王利霞 陳聚陽 劉春陽 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，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，進而影響擠出產品的質量。本文通過開設溝槽、多流道、多層芯模以及設置過渡部件對擠出機芯模結構的改進進行研究，著重對擠出機芯模結構的技術發展進行分析。

擠出機；芯模；技術路線

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　擠出機芯模結構橫向發展

如圖1所示，上世紀70年代初，國外已經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，液態膠料從出膠孔流出后進入螺旋形流道，螺旋形流道深度組件變淺，實現膠料分流后平穩匯合，使膠料混合均勻，進而提高產品質量；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螺旋形流道，螺旋形流道的設計保證了產品的質量；隨后的一段時間對芯模的流道和出料通道進行了改進和探索，1988年專利GB2225272A對出料的通道進行改進，將進料口有一排多個修改為兩排，實現更多分流，使得每股膠料匯合后混合更加均勻；在2002年專利US2004022886A1進一步對對出料通道進行改進，螺旋形流道與出料通道之間設置分級流道，即每個出料通道分為兩個分流道，然后流道再進行分級，最后與螺旋形流道相通，分級流道的設置可以在較短的距離內實現膠料更多的分流，縮短了模頭的長度，提高了分流塑化效果；2006年專利JP2008018598A對流道進行了改進，流入的膠料分為兩路從兩側分別進入多級分流道，混合均勻后進入中間流道；2011年中國專利CN202293298U在出料通道與螺旋形流道之間設置了分級流道，同時各出料通道之間也通過流道進行連通，同時對出料通道和流道進行改進，使得疏導和分流效果更好。

圖1 芯模結構發展路線

與此同時，國內外也對流道壁和形狀進一步進行改進，用以提高口模的分流和塑化效果，1977年專利US5984657A口模上對稱設置兩流道，兩流道末端均開設兩條分流道，流道由深到淺設置，分流道末端交匯在一起，且在結合部形成溝槽，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對口模進一步進行改進，設置了分級流道的同時，并在分流道匯合處設置均壓環，使壓力進一步均勻釋放；2001年專利US2002163099A1公布了將流體通道采用兩個楔形的凸塊分成四個流道，用以促進分流和再融合；2014年中國專利CN104029370A設置有流體通道網絡，整個流體通道網絡逐漸分成最后的8個縱向通道進入到環形通道內，最后環形通道內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，同時將縱向通道和斜向通道的側壁都設置成直壁，橡膠流體由多級的縱向通道進入到斜向通道過程中，兩個斜向通道的流體量更加均勻，進一步使得進入到環形通道的橡膠流體更加均勻。

此外，也可以通過在口模中設置過渡部件，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、外模座，在內、外模座間形成有連結葉片，連結葉片具有適當長度的叉狀葉片，其中叉狀葉片的一上葉片與外模座的內壁連結，下葉片則與內模座的內壁連結，使自模具的料槽由內向外被押出時，利用連結葉片，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；2010年中國專利CN102049849A的塑料擠出管材模具設置交錯分流結構的支架板，該支架板外圈與內圈的連接結構為上下兩個菱形或矩形塊交錯形成的交錯分流結構，該結構可將流經支架流道的塑料坯料進行交錯分流，打亂了其流向，從而能夠有效的減少塑料管材支架痕的產生，從而提高管材的綜合物理性能，降低管材報廢率；2010年中國專利CN201792478U的塑料擠出機與模頭之間設置過渡環，過渡環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分流流道，每個分流流道的內壁有兩至六道內螺旋導流面，且內螺旋導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壁形成靜態螺旋葉片式結構，將通過的熔融物料的中間料流與外部料流進行互換，熔融物料進行混煉、塑化與分流，使得進入模頭的物料內外塑化均勻，熔壓更一致，料流更平穩，可以提高型材的質量。

上世紀70年代初，國外已經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，液態膠料從出膠孔流出后進入螺旋形流道，螺旋形流道深度組件變淺，實現膠料分流后平穩匯合，使膠料混合均勻，進而提高產品質量；專利US4182603A制作了多層芯模，并在每層芯模上開設螺旋形流道，多層芯模可以用來制備多層或者多色的制品，螺旋形流道的設計保證了產品的質量；專利GB2225272A對出料的通道進行改進，將進料口有一排多個修改為兩排，實現更多分流，使得每股膠料匯合后混合更加均勻；專利US2004022886A1進一步對對出料通道進行改進，螺旋形流道與出料通道之間設置分級流道，即每個出料通道分為兩個分流道，然后流道再進行分級，最后與螺旋形流道相通，分級流道的設置可以在較短的距離內實現膠料更多的分流，縮短了模頭的長度，提高了分流塑化效果；專利JP2008018598A對流道進行了改進，流入的膠料分為兩路從兩側分別進入多級分流道，混合均勻后進入中間流道；專利CN202293298U在出料通道與螺旋形流道之間設置了分級流道，同時各出料通道之間也通過流道進行連通，使得疏導和分流效果更好。

專利US5984657A口模上對稱設置兩流道，兩流道末端均開設兩條分流道，流道由深到淺設置，分流道末端交匯在一起，且在結合部形成溝槽，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對口模進一步進行改進，設置了分級流道的同時，并在分流道匯合處設置均壓環，使壓力進一步均勻釋放；專利US2002163099A1流體通道被兩個楔形的凸塊分成四個流道，用以促進分流和再融合；專利CN104029370A設置有流體通道網絡，整個流體通道網絡逐漸分成最后的8個縱向通道進入到環形通道內，最后環形通道內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，同時將縱向通道和斜向通道的側壁都設置成直壁，橡膠流體由多級的縱向通道進入到斜向通道過程中，兩個斜向通道的流體量更加均勻，進一步使得進入到環形通道的橡膠流體更加均勻。

同時，專利CN2439944Y的塑膠管擠出模具具有內、外模座，在內、外模座間形成有連結葉片，連結葉片具有適當長度的叉狀葉片，其中叉狀葉片的一上葉片與外模座的內壁連結，下葉片則與內模座的內壁連結，使自模具的料槽由內向外被押出時，利用連結葉片，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；專利CN102049849A的塑料擠出管材模具設置交錯分流結構的支架板，該支架板外圈與內圈的連接結構為上下兩個菱形或矩形塊交錯形成的交錯分流結構，該結構可將流經支架流道的塑料坯料進行交錯分流，打亂了其流向，從而能夠有效的減少塑料管材支架痕的產生，從而提高管材的綜合物理性能，降低管材報廢率；專利CN201792478U的塑料擠出機與模頭之間設置過渡環，過渡環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分流流道，每個分流流道的內壁有兩至六道內螺旋導流面，且內螺旋導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壁形成靜態螺旋葉片式結構，將通過的熔融物料的中間料流與外部料流進行互換，熔融物料進行混煉、塑化與分流，使得進入模頭的物料內外塑化均勻，熔壓更一致，料流更平穩，可以提高型材的質量。

3　結語

英國、美國等歐美國家于上世紀70年代已經開始關注到芯模的結構會對擠出制品帶來很大的影響；芯模是擠出機機頭的重要部件，其結構直接影響到塑料熔體在擠出機機頭中的流動狀態，進一步影響了擠出產品的性能與質量，因而芯模的研究方向主要在于對其結構進行改進和優化，來獲得所需的技術功效，其中流動優化、生產多層制品、提高塑化效果、提高產品性能、過濾以及流量控制是人們普遍關注的技術功效。

［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 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：材料領域發明申請的實質審查；王利霞（1988-），女，碩士，審查員，研究方向：材料領域發明申請的實質審查，等同于第一作者。