使用喷丝器生产纤维的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请主张2018年1月31日提交的美国临时专利申请no.62/624,311和2018年4月24日提交的美国专利申请no.15/961,467的优先权，其全部公开内容通过引用合并于此。

背景技术：

中空纤维膜(hfms)是一类人造膜，所述人造膜包含呈中空纤维形式的半渗透屏障。中空纤维膜最初于1960年代开发用于反渗透应用，此后在气体分离、蒸气渗透、水处理、脱盐、细胞培养、医学和组织工程学中变得很普遍。大多数商用中空纤维膜都被包装在组件或筒芯中，所述组件或筒芯可以用于各种液体和气体分离。

hfm通常使用人造聚合物被生产。所涉及的具体生产方法在很大程度上取决于所使用的聚合物的类型及其分子量。hfm生产，通常称为“纺丝”，可以使用喷丝器进行，喷丝器是一种包含针和环形件的装置，其中“芯液(borefluid)”通过所述针被挤出，而聚合物溶液通过环形件被挤出。当聚合物通过喷丝器的环形件被挤出时，所述聚合物保持中空圆筒形形状。当聚合物离开喷丝器时，所述聚合物会通过被称为相转化的工艺被固化成膜。

技术实现要素：

本公开描述了用于使用喷丝器生产纤维的机器和方法。纤维是通过将聚合物挤出通过喷丝器而被生产，其中该聚合物在从喷丝器挤出后固化。这些系统和方法可以生产具有外部褶皱的各种实心纤维和具有外部褶皱、内部褶皱或外部褶皱和内部褶皱二者的中空纤维。可以使用这些系统和方法，例如，包括干湿纺丝、湿纺丝和熔融纺丝的相转化纺丝工艺。

由这些系统和方法生产的具有褶皱图案的纤维可以用作hfm组件中的间隔物，以通过改善组件中的进料流体和/或渗透流体流的混合来减少浓差极化，从而减少间隔物粗糙表面的结垢，并且减少组件中的死区或沟流效应。这些效果可以显著提高包含这些纤维的hfm组件的效率。

具有褶皱的纤维可以被制成为实心纤维(也称为线)或中空纤维。具有褶皱的中空纤维可以充当hfm组件中的间隔物，同时也参与实际的分离。相反，具有褶皱的实心纤维充当间隔物，以更好地混合并最小化浓差极化，以便在不直接参与实际分离的情况下最大化中空纤维束外部的传质系数。

在一个方面中，用于生产用于在中空纤维组件中使用的纤维的机器包括：具有基部和针的喷丝器，该基部和该针至少部分地限定具有轴线的通道；延伸到通道中的至少一个突出部；和连接到该至少一个突出部的马达，该马达能够操作以使该至少一个突出部相对于通道的轴线旋转。

在一个方面中，用于生产纤维的机器包括：限定第一通道的喷丝器，该喷丝器具有延伸到第一通道中的至少一个突出部；以及连接到该至少一个突出部的马达，该马达能够操作以使该至少一个突出部相对于通道的轴线旋转。

这些机器的实施例可以包括以下特征中的一个或多个。

在一些实施例中，至少一个突出部从基部延伸到通道中。在某些情况下，基部能够绕着通道的轴线旋转。在一些情况下，马达以可操作的方式联接至基部，以使得马达的操作使基部绕着通道的轴线旋转。

在一些实施例中，突出部可从喷丝器被拆卸。在某些情况下，机器包括插入件，该插入件以能够拆卸的方式安装到基部，其中至少一个突出部从插入件延伸到通道中。在某些情况下，插入件能够相对于基部旋转。

在一些实施例中，机器包括盖，盖的尺寸被设置成容纳插入件，盖可相对于基部旋转。在一些情况下，马达以能够操作的方式联接至盖，使得马达的操作使盖绕着通道的轴线旋转。

在一些实施例中，通道是第一通道，并且针限定在针内部的第二通道，第二通道通过针与第一通道隔开。

在一些实施例中，机器包括控制单元，该控制单元能够操作以将控制信号发送至马达。

在一些实施例中，喷丝器的针限定与第一通道同心的第二通道。在某些情况下，机器包括插入件，该插入件以能够拆卸的方式安装到基部，其中至少一个突出部从插入件延伸到通道中。

在一些实施例中，机器包括具有入口和出口的基部。在某些情况下，突出部设置在基部的出口的上游。在某些情况下，突出部设置在基部的出口的下游。

在一个方面中，用于生产具有褶皱的纤维的方法包括：使第一流体流动通过至少部分地限定在喷丝器中的第一通道；当流体流动经过喷丝器的延伸到喷丝器的通道中的突出部时，使所述突出部旋转；以及使流体固化以在突出部的下游形成纤维。

这些机器的实施例可以包括以下特征中的一个或多个。

在一些实施例中，该方法包括：使第二流体流动通过与第一通道同心的第二通道。

在一些实施例中，使突出部旋转包括：使突出部在第一方向上旋转。在一些情况下，使突出部旋转包括：使突出部在与第一方向相反的第二方向上旋转。

在一些实施例中，使突出部旋转包括：使喷丝器的、所述突出部延伸所自的基部旋转。

在一些实施例中，使突出部包括：使多个突出部旋转。

在一些实施例中，该方法包括：将插入件放置在所述喷丝器的基部的下游的盖中，所述突出部从所述插入件延伸。在某些情况下，使突出部旋转包括：使插入件旋转。

在一个方面中，用于生产用于在中空纤维组件中使用的间隔纤维的机器包括：喷丝器，该喷丝器限定在入口与出口之间延伸的第一通道；和延伸到通道中的第一叶片，该第一叶片具有与所述第一通道的壁成锐角设置的表面，所述第一叶片从所述壁延伸。

在一个方面中，用于生产纤维的机器包括：喷丝器，该喷丝器限定从入口延伸到出口的第一通道；其中该喷丝器具有设置在该通道中的至少一个叶片，该叶片具有与通道的、该叶片延伸所自的壁成锐角设置的表面。

这些机器的实施例可以包括以下特征中的一个或多个。

在一些实施例中，喷丝器包括：基部和插入到该基部中的针。在某些情况下，第一叶片设置在喷丝器的基部上。在某些情况下，机器包括第二叶片，该第二叶片具有与通道的、该叶片延伸所自的壁成锐角的表面，其中该第二叶片设置在喷丝器的针上。

在一些实施例中，第一叶片设置在喷丝器的针上。

在一些实施例中，第一叶片是多个第一叶片中的一个。在某些情况下，第一叶片围绕第一通道的圆周设置在均匀间隔开的位置处。在某些情况下，第一叶片设置在喷丝器的基部上。在某些情况下，机器包括设置在喷丝器的针上的多个第二叶片。

在一些实施例中，锐角在30度与85度之间。

在一些实施例中，第一叶片具有在通道的厚度的10％与50％之间的厚度。

在一些实施例中，至少一个叶片包括设置在喷丝器的基部上的多个第一叶片。在一些情况下，至少一个叶片包括设置在喷丝器的针上的多个第二叶片。在一些情况下，第一叶片围绕通道的圆周设置在均匀间隔开的位置处。

在一些实施例中，所述至少一个叶片包括设置在喷丝器的针上的多个叶片。

在一个方面中，用于生产纤维的方法包括：使流体流动通过限定在喷丝器中的通道；使用设置在通道中的至少一个叶片破坏流体的流动，该叶片具有与通道的、该叶片延伸所自的壁成锐角的表面；以及使流体固化以在通道的出口的下游形成纤维。

这些方法的实施例可以包括以下特征中的一个或多个。

在一些实施例中，使流体流动通过限定在喷丝器中的通道包括：使流体流动通过限定在喷丝器中的环形通道。在一些情况下，所述至少一个叶片包括从限定环形通道的外壁延伸到通道中的至少一个叶片。在一些情况下，所述至少一个叶片包括从限定环形通道的内壁延伸到通道中的至少一个叶片。在一些情况下，所述至少一个叶片包括从限定环形通道的内壁延伸到通道中的至少一个叶片。

在一些实施例中，使用设置在通道中的至少一个叶片来破坏流体的流动包括：引起所述流体绕着通道的轴线的旋转，其中所述叶片具有与通道的、所述叶片延伸所自的壁成锐角表面。

这些系统和方法的一个或多个实施例的细节在附图和以下描述中被阐述。这些系统和方法的其它特征、目的和优点将从说明书和附图以及从权利要求变得显而易见。

附图说明

图1示出了用于在使用喷丝器生产纤维中使用的机器；

图2是图1中所示的机器的喷丝器的出口部分的横截面；

图3是图1中所示机器的喷丝器的出口部分的平面图；

图4示出了用于生产纤维的方法；

图5a示出了由具有接收恒定信号的马达的喷丝器系统生产的示例性实心纤维；

图5b示出了由具有接收正弦信号的马达的喷丝器系统生产的示例性实心纤维；

图5c示出了由具有接收恒定信号的马达的喷丝器系统生产的示例性中空纤维；

图5d示出了由具有接收正弦信号的马达的喷丝器系统生产的示例性中空纤维。

图6示出了用于在使用喷丝器生产纤维中使用的机器；

图7是图6中所示的机器的喷丝器的出口部分的横截面；

图8是图6中所示的机器的喷丝器的出口部分的平面图；

图9示出了用于在使用喷丝器生产纤维中使用的机器；

图10a是可以在图9中所示的机器中使用的喷丝器的出口部分的示意图；

图10b是图10a中所示的喷丝器的喷丝器基部的出口部分的透视图；

图10c是图10b中所示的喷丝器基部的出口部分的内表面的一部分的示意性侧视图。为了说明叶片的定向，图10c以平面侧视图示出了圆形内表面；

图11是图10a、10b和10c中所示的、在喷丝器的端部处截取的喷丝器的出口部分的横截面图；

图12示出了一种用于生产纤维的方法；

图13a示出了由具有位于喷丝器的基部上的叶片的喷丝器生产的示例性实心纤维；

图13b示出了由图9中所示的机器使用图10a、图10b和图10c中所示的喷丝器生产的示例性中空纤维；

图14是可以在图9中所示的机器中使用的喷丝器的出口部分的示意图；

图15是图14中所示的喷丝器的出口部分的平面示意图；

图16a-b示出了由图9中所示的机器使用图14中所示的喷丝器生产的示例性中空纤维；

图17是可以在图9中所示的机器中使用的喷丝器的出口部分的示意图；

图18示出了图17中所示的喷丝器的出口部分的平面示意图；以及

图19a-b示出了由图9中所示的机器使用图17中所示的喷丝器生产的示例性中空纤维。

在各个附图中，相同的附图标记指示相同的元件。

具体实施方式

本公开描述了用于使用喷丝器生产纤维的机器和方法。纤维是通过将聚合物挤出通过喷丝器生产而成，所述聚合物在从喷丝器挤出后固化。这些系统和方法可以生产具有外部褶皱的各种实心纤维和具有外部褶皱、内部褶皱或内部褶皱和内部褶皱二者的中空纤维。

这些系统和方法中的一些通过使延伸到容纳聚合物的通道中的突出部旋转来产生褶皱。这些系统和方法中的一些使用延伸到容纳聚合物的通道中的倾斜叶片来产生褶皱。

图1示出了用于在使用喷丝器102生产纤维中使用的机器100。喷丝器102包括基部104和针106。连接齿轮108联接至马达110和基部104，以使得马达110的操作通过连接齿轮108使基部104旋转。基部104和针106以可释放的方式联接，但是能够相对于彼此旋转。例如，基部104和针106可以螺纹连接的方式联接，以防止液体在联接处逃逸。

控制单元111能够操作以控制机器100。控制单元111向马达110发送信号。由控制单元111发送的信号可以导致马达110启动、沿第一方向旋转、沿第二方向旋转、停止旋转或关闭。喷丝器102具有外部入口112、中心入口114和出口116。外部入口112和中心入口114与出口116流体连通，但是除了在出口116处之外，外部入口112和中心入口114彼此不流体连通。

图2和图3示出了机器100的喷丝器102的出口部分。基部104和针106至少部分地限定第一通道118。第一通道118是具有轴线120的环形通道。基部104提供第一通道118的外壁122，而针106提供第一通道118的内壁124。第一通道118与外部入口112和出口116流体连通。针106在针106内部限定第二通道126。第二通道126与喷丝器102的中心入口114和出口116流体连通。针106将第二通道126与第一通道118隔开。

喷丝器102具有延伸到第一通道118中的突出部128。在机器100中，四个突出部128延伸到第一通道118中。一些机器具有更多的突出部(例如，六个突出部或八个突出部)。一些机器具有更少的突出部(例如，三个突出部、两个突出部或一个突出部)。在机器100中，突出部128从基部104向内延伸到第一通道118中。如将在本公开中稍后讨论的，代替从基部104延伸的突出部或除了从基部104延伸的突出部之外，一些机器还具有从针106延伸的突出部。突出部128位于出口116处。

如参考图1所讨论的，马达110的操作使连接齿轮108、基部104和从基部104延伸到第一通道118中的突出部128旋转。图2和图3中的箭头130指示基部104的旋转。箭头130指示基部的单个旋转方向。如前所述，马达110可以反向操作以使基部104沿相反方向旋转。突出部128突出到第一通道118中以在基部104和突出部128旋转时至少部分地破坏第一流体的流动。

控制单元111(参见图1)能够操作以控制马达110的旋转速度和旋转方向。控制单元111能够向马达110上的接收器发送各种各样的信号。例如，由控制单元111发送的信号可以是恒定的(产生恒定旋转)、正弦的(产生交替旋转)或步进的(产生启停旋转)。如前所述，马达110通过齿轮108能够操作地连接到喷丝器102。在机器100中，马达110的旋转使连接齿轮108旋转，这继而使基部104和突出部128旋转。

图4示出了用于使用例如机器100生产纤维的方法150。该方法150是参照图1-3中所示的机器100及其部件来描述的。方法150包括使流体流动通过喷丝器102的通道(步骤152)，使喷丝器102的突出部128旋转(步骤154)，以及使流体固化以在突出部128的下游形成纤维(步骤156)。

在操作中，机器100使第一流体(例如，聚合物溶液)流动通过第一通道118，并且使第二流体(例如，芯液)流动通过第二通道126。当两种流体经过出口116时，由于当聚合物离开喷丝器102时溶剂的存在，聚合物保持中空圆筒形形状。

当聚合物沿箭头158的方向流动通过第一通道118时，马达110的操作使基部104以及从基部104延伸到第一通道118中的突出部128旋转。突出部128和基部在第一流体的外表面上形成波纹。当第一流体离开出口116时，第一流体固化成外表面上具有褶皱的纤维。

机器100还可以用于通过使聚合物通过第一通道118挤出而不使芯液流动通过第二通道126来形成实心纤维。在没有芯液的情况下，聚合物填充流体流的中心以固化为实心纤维。固化后的纤维的表面保留了由第一流体的表面形成的波纹，从而产生在外表面具有褶皱的实心纤维。

控制单元111能够操作以通过向马达110发送信号来控制马达110。控制单元111可以发送各种信号。信号可以影响马达110，以使得马达110启动，开始沿第一方向旋转，停止旋转，开始沿第二方向旋转或关闭。另外，这些信号可以影响马达110旋转的速度。

图5a-5d示出了使用机器100形成的示例性纤维。图5a示出了当控制单元111发送恒定信号以使马达110使基部104和突出部128沿一个方向以恒定速度旋转时形成的纤维160。这种操作模式提供具有恒定螺距和高度的螺旋式或盘绕式褶皱的纤维160。图5b示出了当控制单元111发送正弦信号时形成的纤维162，其中所述正弦信号使马达110交替地正向操作和反向操作以使基部104和突出部128沿第一方向旋转，然后沿相反的第二方向旋转。这种操作模式提供在外表面上具有人字形褶皱的纤维162。图5c和图5d分别示出了具有螺旋褶皱的中空纤维164和具有人字形褶皱的中空纤维166。

图6、图7和图8示出了用于在使用喷丝器202生产纤维中使用的机器200。机器200与机器100基本类似，但是使安装在喷丝器202下方的插入件210旋转，而不是使喷丝器202的基部104旋转。机器200还包括容纳插入件210的插入件保持器212。机器200的连接齿轮108联接到马达110和插入件保持器212，而不是类似于机器100的连接齿轮10联接到马达110和基部104。插入件保持器212联接到基部104，以使得插入件保持器212相对于基部104自由旋转。插入件保持器212和插入件210联接，以使得旋转插入件保持器212也使插入件210旋转。使用控制单元111来操作马达110，以通过连接齿轮108和插入件保持器212使插入件210旋转。

喷丝器202与喷丝器102基本类似，并且包括参照图1-3所述的基部104和针106。然而，喷丝器202是传统的喷丝器，所述传统的喷丝器不包括作为喷丝器102的一部分的突出部128。

喷丝器202的基部104和针106限定参照图1-3所述的第一通道118和第二通道126。第一通道118和第二通道126在喷丝器202的出口116处汇合。插入件210限定延伸穿过插入件210的中心通道214。插入件210以可拆卸的方式安装到基部104，以使得中心通道214与出口116对准，使得插入件210的中心通道214和喷丝器202的出口116流体连通。

插入件具有延伸到插入件的中心通道中的至少一个突出部。插入件210具有延伸到中心通道214中的四个突出部128。一些插入件具有其它数量的突出部(例如，一个突出部、两个突出部、三个突出部、五个突出部或六个突出部)。箭头216示出了沿第一方向旋转的插入件210和插入件保持器212。在操作中，马达110也可以沿与第一方向相反的第二方向旋转。

机器200可以用于执行参照图4所述的方法400。机器200和机器100(参见图1)以类似的方式操作以生产实心纤维或中空纤维(即，通过使第一流体和第二流体流动通过喷丝器102、202内的通道)。然而，马达110的操作使插入件210和相关联的突出部128旋转，而不是使基部104旋转。

一些系统和方法使用延伸到树脂通道中的固定叶片以在正在被生产的纤维中产生褶皱。这些系统不是使叶片旋转，而是使用叶片相对于叶片延伸到其中的通道的轴线设定一角度，以在正在被挤出的聚合物中引起旋转，同时在聚合物中形成褶皱。叶片可以延伸到一通道中，所述通道用于从喷丝器的基部、从喷丝器的针或从喷丝器的基部和针两者携带树脂或其它流体。

图9示出了用于生产间隔纤维的机器300，该机器300包括喷丝器302。喷丝器302包括基部104和针106。

图10a-10c和图11示出了喷丝器302的靠近喷丝器302的出口116的一部分。喷丝器302与参照图1-3所述的喷丝器102基本类似。然而，喷丝器302包括延伸到第一通道118中以在由机器300形成的纤维的表面中形成褶皱的叶片304，而不是旋转突出部。叶片304包括表面306所述表面306相对于叶片304延伸到其中的通道118的轴线120以一锐角设置。

基部104和针106至少部分地限定通道118。基部104提供通道118的外壁，而针106提供通道118的内壁。通道118与外部入口112和出口116流体连通。针106还包括位于针106内部的通道126。通道126与喷丝器302的中心入口和出口116流体连通。针106将通道118与通道126隔开。通道118是环形的，并且通道126与通道118同心。在操作中，机器300使第一流体(例如，聚合物)流动通过通道118，并使第二流体(例如，芯液)流动通过针106内的通道126。

喷丝器302在喷丝器302的远端处包括四个叶片304。叶片304设置在喷丝器302的延伸到通道118中的基部104上。叶片304中的每一个都具有相对于叶片304延伸到其中的通道118的轴线120以在30度与85度之间的锐角α(参见图11)设置而成的表面。图10c示出了通道118的轴线120的投影305与叶片304从其延伸的壁的角度α。

角度是基于系统被配置成挤出的流体的粘度来选择的。较小的角度(与针方向相比略微倾斜)适用于高粘度溶液(例如，大于7,000厘泊)，而较大的角度适用于粘度较小的溶液(例如，小于7,000厘泊)。在喷丝器302中，角度α约为30度。喷丝器302上的叶片304围绕通道118的圆周均匀地间隔开。叶片304终止于喷丝器302的出口116处。

通道118具有厚度tc，并且叶片304具有厚度tb。叶片304的厚度tb通常在通道118的厚度tc的10％％与50％之间。在所示的喷丝器302中，叶片304的厚度tb约为通道118的厚度tc的30％。

一些喷丝器具有不同的叶片构造。一些喷丝器具有其它数量的叶片(例如，一个叶片、两个叶片、三个叶片、五个叶片或六个叶片)。叶片的长度、厚度和角度也可以变化。叶片的变化特征(例如，通道118的长度、厚度或角度)改变纤维的表面上的褶皱。例如，倾斜角度较大的叶片产生较小的螺距，从而导致线圈更紧。在一些喷丝器中，角度α在5度与60度之间。替代地，与较薄的叶片相比，较厚的叶片在盘绕的褶皱中产生为更深、更宽或更深和更宽沟槽的沟槽。在一些喷丝器中，叶片终止于喷丝器出口的上游。

图12示出了用于使用机器300生产纤维的方法400。参照图9-11中所示的机器300及其部件来描述方法400。方法400包括：使流体流动通过喷丝器的通道(步骤402)；使用设置在通道中的至少一个叶片来破坏流体的流动(步骤404)，该叶片具有与通道的壁成锐角的表面，其中叶片从所述壁延伸；以及固化流体以在通道的出口的下游形成纤维(步骤406)。

在操作中，机器300使第一流体(例如，聚合物)流动通过通道118。第一流体沿箭头方向行进通过通道118。叶片304从基部104的壁延伸到第一通道118中。随着第一流体流动，叶片304与第一流体的外表面相互作用并且破坏流体流。流体相对于通道118的轴线120旋转，且叶片304在第一流体的外表面中形成波纹。第一流体离开出口116并且固化成外表面中具有(一个或多个)褶皱的纤维。类似于机器100，机器300可以用于形成实心纤维和中空纤维。

图13a和13b示出了由机器300生产的纤维。纤维308是具有褶皱状外表面的实心纤维。纤维310是具有褶皱状外表面和光滑内表面的中空纤维。

图14和图15示出了可以与机器300一起使用的另一个喷丝器。喷丝器410与参照图9-11所述的喷丝器302基本相同。然而，喷丝器410具有从喷丝器410的针106而不是从基部104延伸到通道118中的叶片。借助喷丝器410，机器300产生具有褶皱状内表面的中空纤维。

图16a和图16b示出了在机器300上使用喷丝器402形成的纤维412。纤维412是中空的，且具有褶皱状内表面414和光滑外表面416。

图17和图18示出了可以与机器300一起使用的另一个喷丝器。喷丝器420与参照图9-11所述的喷丝器302基本相同。然而，在喷丝器420中，第一组叶片304从针106延伸到通道118中，而第二组叶片304从通道118的基部104延伸到通道118中。借助喷丝器420，机器300产生具有褶皱状内表面和褶皱状外表面的中空纤维。

图19a-19b示出了在机器300上使用喷丝器402形成的中空纤维。纤维422是中空的，且具有褶皱状内表面和褶皱状外表面。

已经描述了本发明的多个实施例。然而，将要理解的是，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行各种修改。例如，尽管参照图9-11描述的喷丝器302包括四个叶片304，但是一些喷丝器具有其它数量的叶片(例如，1个叶片、2个叶片、3个叶片、5个叶片或6个叶片)。因此，其它实施例在所附权利要求的范围内。