新型中空纤维膜喷丝头的制作方法

本实用新型涉及中空纤维膜，具体地，涉及一种新型中空纤维膜喷丝头。

背景技术：

中空纤维膜是水处理、血透析、海水淡化、气体分离、液体分离等领域设备的核心部件，应用于反渗透膜、微滤膜，纳滤膜和超滤膜等方面的一种重要新材料，在环保水处理、血透析、气体分离等领域逐渐得到越来越广泛的应用。随着对中空纤维膜的质量和性能要求的提高，需求量的增大，国内现有的生产工艺和设备越来越难于满足生产需求，大部分依赖进口。

如何能生产出高性能中空纤维膜并提高生产效率，降低生产成本，已成为研究中空纤维膜领域最热门、也是最关键的问题之一。中空纤维膜的生产成型过程，简要的概述就是将纺丝料液和芯液从喷丝头基座的不同位置注入喷丝头，通过喷丝头内部的特殊结构，从喷丝头盖喷出中空纤维丝状物—俗称膜丝。从整个制膜过程来看，除制膜设备和工艺参数影响膜丝性能外，喷丝头的优劣直接影响到膜丝的一些关键性能和参数。因此，要获得合适尺寸、外观和性能优良的中空纤维膜丝，优质的喷丝头设计是首要任务。

目前国内纺制中空纤维膜广泛采用的是单孔喷丝头，单孔喷丝头纺丝时每次只能出一根丝，生产效率极低，不能规模化大量生产。大部分该类型喷丝头结构复杂，再次组装精度降低，影响产品质量和浪费大量的调机和维护时间。如专利 200420019464.9、2011200281810、、200420019464.9、92215496.1、932222865.8、 2013200597367、201420104073、CN204570097U公开资料所述。

经过对现有技术的检索，发现申请号为201520229656.0，名称为一种喷丝头的实用新型公开了一种喷丝头，但具有如下不足：

第一、对多个独立喷丝头进行成倍效率的多头扩展时，对流道模组设计、生产要求非常高，多孔的一致性要求很难实现，产品的合格率会受生产参数影响而波动非常大，合格率较低；其一致性差的中空纤维膜膜丝组装成膜组后，单位体积内的膜丝的滤水的面积将大打折扣，通量达不到设计标准；

第二、膜丝的性能除了与膜材料的配方、喷丝头质量、工艺参数等有并以外，还与后处理的温度及其他参数密切相关，尤其是膜丝离开喷丝头之后进入固化浴之前的阶段也十分重要，而常规的喷丝头设计无法满足高性能中空纤维膜对工艺参数控制的需求。

第三、现在的喷丝头也无法实现中空纤维膜的在线质量监测，在线智能反馈、调节和控制的功能。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种新型中空纤维膜喷丝头。

根据本实用新型提供的新型中空纤维膜喷丝头，包括喷丝头主体、喷丝头辅助功能环以及芯液导流管；

其中，所述芯液导流管连接所述喷丝头主体的顶端面；所述喷丝头辅助功能环连接所述喷丝头主体的底端面；

所述喷丝头主体的侧面设置有料液注入孔，在喷丝头主体底端部设置有与料液注入孔相连通的喷丝成型孔；

所述喷丝头主体内设置有一芯液管，芯液管穿设在喷丝成型孔内并与所述芯液导流管相连通形成芯液流道。

优选地，所述喷丝头主体、所述喷丝头辅助功能环以及所述芯液导流管同轴设置。

优选地，所述芯液管、所述芯液导流管、所述芯液流道同轴设置。

优选地，所述喷丝头主体的顶端面上设置有一环形的密封槽。

优选地，所述喷丝头主体的侧面设置有沿周向均匀分布的若干料液注入孔。

优选地，所述喷丝头辅助功能环内设置有温度调节装置。

优选地，所述喷丝头辅助功能环的直径d和高度h之间满足如下关系：

ξQ/(Q_R·η)＝hπ(d·π^1/2·S^1/2/2-1)，其中，ξ为修正系数；Q为总热量；Q_R为导体单位长度发热量；S为导体截面积。

优选地，所述喷丝头辅助功能环内设置有温度传感器和测量传感器。

优选地，所述喷丝头辅助功能环内设置有温度调节装置和湿度调节装置。

与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：

1、本实用新型为新型喷丝头，结构简单，制造工艺简单，在喷丝的生产过程中，芯液、料液的流动更均匀，同时，这种喷丝头可以单独使用，也可易于实现在一个喷丝模组上进行喷丝孔数量的无限扩展，可突破性提高生产效率，对多个独立喷丝头进行成倍效率的多头扩展时，对流道模组设计、生产要求低，本实用新型中的芯液导流管使模组中每个芯液管中的芯液流动均习，一致性高，膜丝合格率大幅度提升；

2、本实用新型中喷丝头辅助功能环能够安装温度调节装置和多种传感器，可以对膜丝在离开喷丝头之后进入固化浴之前的生产工艺参数如温度梯度进行控制，使膜丝的性能大大提高；此外，喷丝头辅助功能环的设置也可以实现膜丝的在线质量监测，在线智能反馈、生产工艺参数的调节和控制的多功能模块的架设，实现在不停机的情况下，监测和控制膜丝的质量，可以提升膜丝的性能，提升生产系统水平。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本实用新型第一实施例的结构示意图；

图2为本实用新型第一实施例的一种截面示意图；

图3(a)、图3(b)示出了本实用新型第二实施例的结构示意图和截面示意图；

图4(a)、图4(b)为本实用新型第一实施例、第二实施例变形例的一种截面示意图。

图中：

1-喷丝头主体；2-喷丝头辅助功能环；3-芯液导流管；4-料液注入孔；5-喷丝成型孔；6-芯液管；7-芯液流道；8-密封槽；9-温度调节装置/温度传感器。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。

图1、图2示出本实用新型第一实施例中新型中空纤维膜喷丝头的结构示意图；在本实施例中，本实用新型提供的新型中空纤维膜喷丝头，包括喷丝头主体1、喷丝头辅助功能环2以及芯液导流管3；

所述喷丝头主体1的侧面设置有沿周向均匀分布的若干料液注入孔4，在喷丝头主体1底端部中心设置有与料液注入孔4相连通的喷丝成型孔5，在喷丝头主体1内设置有一芯液管6，芯液管6穿设在喷丝成型孔5内并与所述喷丝成型孔5同轴设置。所述芯液管6内设置有一与其同轴并贯穿至芯液导流管3的芯液流道7。所述芯液导流管3 设置在喷丝头主体1顶端并与喷丝头主体1同轴设置。所述喷丝头辅助功能环2为一圆柱环，设置在喷丝头主体1底端并与喷丝头主体1同轴。

作为一种改进，在喷丝头主体1的顶端设置了一环形的密封槽8。

本实用新型提供的新型中空纤维膜喷丝头时，在喷丝过程中，料液从料液注入孔4 流入，在压力作用下，均匀的以料液流的形式从喷丝成型孔5喷出。另一方面，芯液由芯液导流管导3流进喷丝头，在压力和重力的作用下经过芯液流道7，从芯液管6中流出。

由于芯液管6的直径比喷丝成型孔5的直径小，因此芯液流被料液流围绕，使得料液流形成管状，从而在之后工序中形成所需的中空膜纤维丝。

图3(a)、图3(b)示出本实用新型中第二实施例中新型中空纤维膜喷丝头的结构示意图；本领域技术人员可以将本实施例理解为图2所示实施例的一个变化例，具体地，本实施例与图2所示实施例的区别之处在于，在本实施例中，喷丝头辅助功能环2的直径大于喷丝头主体1的直径。

图4(a)、图4(b)示出本实用新型中第一实施例、第二实施例的变形例。在变形例中，喷丝头辅助功能环2内设置有温度调节装置。本实用新型提供的新型中空纤维膜喷丝头的设置高度与固化浴水面之间的距离δ为10cm，被研究对象只取10cm长丝介质，对此段长丝介质设定不同的温度梯度并对外放换热，其维持膜性能所设计的温度梯度而需要的热量主要三部分：1、介质向空间的辐射换热；2、空气对流带走的热量；3、认为分界面处介质横截面温度与环境(液体)温度相近(等)，此段介质向下端介质的热传导。

设定膜丝离开本实用新型提供的喷丝头的分界面为第一截面，理论设定温度为60℃；设定固化浴分界面为第二截面，理论设定温度为30℃，先考虑此段介质对空气的放热，则此段介质会通过本身的热传导向下部分介质传热，那么第一截面到第二截面间会形成温度梯度，那么理论上计算推导必然是偏微分数学公式，在此实施案例中，为了便于工程计算和本实用新型的设计原理阐述，因此做简化处理后，可用工程计算公式计算。

1、计算介质向空间的辐射换热

设丝介质温度60℃,周围环境温度30℃，温差小，且向空气辐射，此部分换热量可忽略不计。

2、计算空气对流带走的热量，

具体为，Q_f＝αA(t_w-t_f)

其中，Q_f为热(流)量，单位W；α为对流换热系数，单位为W/(m²·℃)；A为换热壁面面积，单位为m²(在此即为介质外表面积)；t_w为壁面温度，单位℃(在此简化取第一截面、第二截面温度的平均值，t_w＝(t₁+t₂)/2，假设为45℃)；t_f为周围流体(空气),单位℃。

3、计算此段介质向下端介质的热传导，

Q_t＝λA(t₁-t₂)/δ

其中，Q_t为热(流)量，单位W；λ为热传导系数，单位W/(m·℃)；A为物体横截面积(垂直于导热方向)，单位m²(在此即为介质横截面积)；t₁、t₂为两个截面温度，单位℃；δ为物体厚度，单位m(在此即为介质长度10cm)；

则向外总传热为Q＝Q_f+Q_t，计算时，可以加个修正系数如1.1，因此总热量Q＝1.1 (Q_f+Q_t)即是为了维持膜丝高性能所设计的介质温度梯度所需要的总热量。此实施例中所需的热量Q设定为电伴热，经实验确定，电伴热发热量57.23％，设符号η为有效加热 (维持介质温度)，其他热量进入环境产生损失。

导体单位长度发热量Q_R为：

Q_R＝I_w²R_ac；

R_ac＝ρ[1+α_t(t₁-20)]K_s/S

其中，Q_R为导体单位长度发热量，单位W；I_w为通过导体的电流，单位A；R_ac为导体单位长度交流电阻，单位Ω；ρ为导体20℃时直流电阻率，单位Ω·m；α_t为电阻温度系数；t₁为导体运行温度，单位℃；K_s为集肤系数；S为导体截面积，单位m²；

设所需导体(电阻器)长L，单位m，电伴热功率为Q_T＝Q_R·L；

等式Q＝Q_T·η＝Q_R·L·η；

喷丝头辅助功能环2的直径d和高度h满足计算公式：

ξQ/(Q_R·η)＝hπ(d·π^1/2·S^1/2/2-1)，其中ξ为修正系数。

在变形例中，喷丝头辅助功能环2中仅设置有温度传感器和测量传感器等传感器，以实现生产工艺所需要的功能，即图4所示中9从温度调节装置替换成相应的温度传感器和测量传感器等传感器。

在变形例中，喷丝头辅助功能环2中不仅设置有温度传感器、测量传感器等传感器的同时，还设置有温度调节装置、湿度调节装置等装置，以实现生产工艺所需要的功能，即图4所示中9可为温度调节装置、湿度调节装置、温度传感器、湿度传感器及测量传感器等。

在变形例中，在某些情况下，喷丝头辅助功能环不需设置额外的设备、夹具、传感器等，只以合适的直径和高度所形成的腔体，既可以保护喷丝成型孔及芯液孔端部不被划伤、碰伤等物理损伤，也可以形成半密闭的膜丝成型所需要温湿度环境，实现生产工艺所需要的功能。

以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。