中空纤维外压复合膜立式自动化连续涂覆设备的制作方法

本实用新型属于膜技术领域，尤其是涉及中空纤维外压复合膜立式自动化连续涂覆设备。

背景技术：

目前，世界面临的水资源短缺、环境污染等问题严重影响着人类的生存和经济的发展。膜分离技术因过滤过程简单、自动化程度高、易于控制等优点，被广泛应用于食品、医药、环保、化工、水处理等领域，产生了巨大的经济效益和社会效益，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。常用的分离膜主要分为平板型、管式和中空纤维膜。其中，中空纤维膜以其单位体积中填充面积大、自支撑、结构简单、容易清洗等独特的优点。

复合法以其操作简单和容易控制等优点成为制备高性能复合膜功能层的常用方法。其优点在于可以通过优化功能层和基膜各自的结构、组成等来分别调节控制膜性能。基膜的表面孔和亚孔，以及功能层的耐氧化、耐游离氯和抗污染性能等决定了复合膜最后的性能。复合膜最早研究可以追溯到70 年代末的JE Cadotte(US Pat.4812270)的NS-300复合膜的开发。而后，在此基础上相继出现了不同品牌的商品复合膜。如美国专利(US.Pat.4259183) 以哌嗪为水相，以均苯三甲酰氯为有机相界面聚合制备出复合膜；美国专利 (US.Pat.6113794)以PAN膜为基膜，将具有多孔结构亲水性的高聚物涂覆后制备出PAN复合膜；美国专利(US.Pat.5152901)制备出以聚酯无纺布为支持层，以聚醚砜为亚层，以多胺水溶液为水相、交联剂乙烷溶液为有机相制备出多层复合膜，等等。虽然也有涉及中空纤维复合膜的研究开发，但是都无法得到连续稳定的中空纤维复合膜产品。李建新等在中国专利(CN 101612530A)公布了一种中空纤维复合膜的制备设备，该设备设置了多个甬道，拉伸等工艺过程，控制条件较多。因中空纤维膜为自支持膜，于平板膜相比较，其强度较低，若拉伸成型线程过长的话，很容易导致纤维膜拉伸变形，甚至断裂。中国专利(CN97111020.4)中公布了一种中空纤维复合膜的制备技术，其中涂层材料在温度10-70℃下固化1-48小时。而且，在对中空纤维膜进行涂覆时，该方法需要在纤维内腔施加真空。美国专利 (USP4214020)提出了将一束中空纤维膜先浸入到水相中，然后经过预处理后将整束的中空纤维膜浸入有机相中完成涂层反应。这种方法很容易造成纤维膜间粘连，导致纤维膜外表层的超薄功能层剥离。中国专利 (CN1864827A)中公开了一种能够连续涂覆、且能够在纤维外表面形成均匀涂层的中空纤维复合膜涂覆机及中空纤维复合膜的制造方法和制品。但是，该专利中由于涂覆反应器为一水平放置的装满有机相溶液的管，纤维通过该水平管状容器进行涂覆，由于纤维入丝点和出丝点必须借助导轮，存在纤维碰触导轮的问题，并且由于反应器为管状，也存在碰触反应器壁的问题，使复合膜外表面的涂层不可避免地受到破坏，导致膜性能严重下降；另外该复合膜涂覆装置大多只能同一时间涂覆一根复合膜，使得复合膜涂覆工作效率很低，无法批量生产。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型旨在提出一种中空纤维外压复合膜立式自动化连续涂覆设备，以提供一种对中空纤维复合膜进行非接触涂覆且能够同时对多根纤维进行涂覆的自动化连续生产设备。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

中空纤维外压复合膜立式自动化连续涂覆设备，包括水相槽、位于水相槽中的放卷辊及与放卷辊依次设置的前张紧装置、脱水装置、界面聚合反应器、烘干装置、后张紧装置及收卷辊；

放卷辊与第一变频调速电机相连，前张紧装置上设有前张紧传感器，前张紧传感器与控制器相连，控制器与第一变频调速电机相连；

收卷辊与第二变频调速电机相连，后张紧装置上设有后张紧传感器，后张紧传感器与控制器相连，控制器与第二变频调速电机相连；

界面聚合反应器为入丝点与出丝点位于同一竖直线上的复合膜非接触式反应器。

进一步的，所述脱水装置及界面聚合反应器之间设有上引导装置；

烘干装置及后张紧装置之间设有下导轮；

放卷辊、前张紧装置、脱水装置及上引导装置从下到上依次设置；

上引导装置、界面聚合反应器、烘干装置、下导轮、后张紧装置及收卷辊从上到下依次设置；

上引导装置的出丝点、所述界面聚合反应器的入丝点及出丝点、所述烘干装置的入丝点及出丝点及所述下导轮的入丝点位于同一竖直线上；

烘干装置为非接触式烘干装置。

进一步的，所述上引导装置与下导轮分别与控制器及第三变频调速电机连接，控制器与第三变频调速电机连接。

进一步的，所述上引导装置包括第一导轮、第二导轮及第三导轮；

脱水装置、第一导轮、第二导轮、第三导轮及界面聚合反应器依次连接；

第一导轮、第二导轮及第三导轮均分别与PLC控制器及变频调速电机连接，控制器分别与变频调速电机连接；

优选的，第一导轮与第三导轮的顶端位于同一水平线上。

进一步的，所述下导轮与后张紧装置之间设有后处理装置；

后处理装置与控制器相连。

进一步的，所述前张紧装置及后张紧装置均包括两个滑轮及位于两个滑轮之间的张紧传感轮；

两个张紧传感轮分别与前张紧传感器、后张紧传感器连接。

进一步的，所述水相槽下端设置升降装置；

脱水装置中设有可独立控制温度和风量的吹扫通道。

进一步的，所述界面聚合反应器与给料泵连接，给料泵分别与控制器及储料槽连接。

进一步的，所述烘干装置为可调节温度与风量的烘干装置，烘干装置由控制器控制。

进一步的，所述放卷辊与脱水装置之间设有分丝装置；

脱水装置、上引导装置、界面聚合反应器、烘干装置、下导轮及后处理装置均为能够通过多条中空纤维的多通道平行分离式结构装置。

相对于现有技术，本实用新型所述的中空纤维外压复合膜立式自动化连续涂覆设备具有以下优势：

本实用新型所述的中空纤维外压复合膜立式自动化连续涂覆设备，使得中空纤维复合基膜竖直依次进入界面聚合反应器和烘干装置，避免反应生成的复合膜涂层与反应器壁接触，防止复合膜初生涂层被破坏，使得复合膜涂覆更加均匀；

在一台设备上能够实现至少一根中空纤维外压基膜涂覆的多道工序，涂覆根数视需要可任意增加，大大提高了复合膜的涂覆效率；

整个工艺过程由PLC集中控制，自动化连续制备出中空纤维外压复合膜，提高了工作效率；

实现了对中空纤维膜的“零张力”连续涂覆，均匀卷绕，可连续生产，结构简单，占地面积小，成本低，效率高，可用于超滤、纳滤、反渗透等中空纤维外压复合膜制备及表面处理。

附图说明

构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型实施例所述的中空纤维外压复合膜自动化连续涂覆设备的结构示意图；

图2为本实用新型实施例所述的前张紧装置与前张紧传感器、PLC控制器、第一变频调速电机及放卷辊连接的结构示意图；

图3为本实用新型实施例所述的4根中空纤维复合膜同时涂覆用的导丝辊与变频调速电机、PLC控制器连接的结构示意图，其中导丝辊代表下导轮或上引导装置中的第一滑轮、第二滑轮及第三滑轮；

图4为本实用新型实施例所述的8根中空纤维复合膜同时涂覆用的导丝辊及变频调速电机与PLC控制器连接的结构示意图，其中导丝辊代表下导轮或上引导装置中的第一滑轮、第二滑轮及第三滑轮；

图5为本实用新型实施例所述的界面聚合反应器与给料泵、储料槽及 PLC控制器连接的结构示意图。

附图标记说明：

1-2-放卷辊；1-3-水相槽；1-4-前张紧装置；1-5-分丝装置；1-6-脱水装置；1-7-上引导装置；1-8-界面聚合反应器；1-10-烘干装置；1-11-下导轮； 1-12-后处理装置；1-13-后张紧装置；1-15-收卷辊；1-16-前张紧传感器； 1-17-PLC控制器；1-18-第一变频调速电机；1-19-给料泵；1-20-储料槽。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

中空纤维外压复合膜立式自动化连续涂覆设备，如图1所示，包括水相槽1-3、位于水相槽1-3中的放卷辊1-2及与放卷辊1-2依次设置的前张紧装置1-4、脱水装置1-6、界面聚合反应器1-8、烘干装置1-10、后张紧装置1-13 及收卷辊1-15；

如图2所示，放卷辊1-2与第一变频调速电机1-18相连，前张紧装置 1-4上设有前张紧传感器1-16，前张紧传感器1-16与控制器1-17相连，控制器1-17与第一变频调速电机1-18相连；

收卷辊1-15与第二变频调速电机相连，后张紧装置1-13上设有后张紧传感器，后张紧传感器与控制器1-17相连，控制器1-17与第二变频调速电机相连；

界面聚合反应器1-8为入丝点与出丝点位于同一竖直线上的复合膜非接触式反应器。

脱水装置1-6及界面聚合反应器1-8之间设有上引导装置1-7；

烘干装置1-10及后张紧装置1-13之间设有下导轮1-11；

放卷辊1-2、前张紧装置1-4、脱水装置1-6及上引导装置1-7从下到上依次设置；

上引导装置1-7、界面聚合反应器1-8、烘干装置1-10、下导轮1-11、后张紧装置1-13及收卷辊1-15从上到下依次设置；

上引导装置1-7的出丝点、界面聚合反应器1-8的入丝点及出丝点、烘干装置1-10的入丝点及出丝点及下导轮1-11的入丝点位于同一竖直线上；

优选的，烘干装置1-10为非接触式烘干装置。

上引导装置1-7与下导轮1-11分别与控制器1-17及第三变频调速电机连接，控制器1-17与第三变频调速电机连接。

上引导装置1-7包括第一导轮、第二导轮及第三导轮；

脱水装置1-6、第一导轮、第二导轮、第三导轮及界面聚合反应器1-8 依次连接；

第一导轮、第二导轮及第三导轮均分别与PLC控制器及变频调速电机连接，控制器1-17分别与变频调速电机连接；

优选的，第一导轮与第三导轮的顶端位于同一水平线上。

下导轮1-11与后张紧装置1-13之间设有后处理装置1-12；

后处理装置1-12与控制器1-17相连。

前张紧装置1-4及后张紧装置1-13均包括两个滑轮及位于两个滑轮之间的张紧传感轮；滑轮及张紧传感轮均可感知纤维的受力程度，并对放丝速度和卷绕速度做出相应调节，防止纤维被拉断。

两个张紧传感轮分别与前张紧传感器1-16、后张紧传感器连接。

水相槽1-3下端设置升降装置；通过升降装置降低水相槽1-3，将中空纤维基膜卷绕在放卷辊1-2上，接着通过升降装置升高水相槽1-3，使得中空纤维基膜浸泡在水相槽1-3；

脱水装置1-6中设有可独立控制温度和风量的吹扫通道。

如图5所示，界面聚合反应器1-8与给料泵1-19连接，给料泵1-19分别与控制器1-17及储料槽1-20连接。控制器1-17控制给料泵1-19，将储料槽1-20中的有机相溶液提到界面聚合反应器1-8中；因此界面聚合反应器 1-8中有机相为液位可控的，从而调节中空纤维复合膜的涂覆速度。

烘干装置1-10为可调节温度与风量的烘干装置，烘干装置1-10由控制器1-17控制。

放卷辊1-2与脱水装置1-6之间设有分丝装置1-5；

脱水装置1-6、上引导装置1-7、界面聚合反应器1-8、烘干装置1-10、下导轮1-11及后处理装置1-12均为能够通过多条中空纤维的多通道平行分离式结构装置。

本实例的具体工作流程如下：

本实用新型解决了放卷辊1-2与收卷辊1-15在连续工作时的线速度协调问题，放卷辊1-2与收卷辊1-15本身为一对直径大小一样的辊，在涂覆过程中，两辊的直径随着中空纤维基膜的退绕量和卷绕量的变化而呈现连续变化。涂覆开始时，放卷辊1-2上的中空纤维基膜最多，相对直径最大，而收卷辊1-15上没有或仅有很少的复合膜，相对直径较小；随着涂覆工艺的连续进行，放卷辊1-2上的中空纤维基膜逐渐减少，而收卷辊1-15上的复合膜逐渐增加，使得收卷辊1-15的直径逐渐增大，而放卷辊1-2的直径逐渐减小，因而在涂覆过程中，放卷辊1-2与收卷辊1-15的线速度线性变化不能协调统一，即放卷辊1-2的线速度渐减，而收卷辊1-15的线速度渐增，膜丝张力建增直至断裂；为了解决这一问题，如图2所示，本实用新型专利中设置放卷辊1-2、前张紧装置1-4、前张紧传感器1-16、控制器1-17、第一变频调速电机1-18及放卷辊1-2依次连接；收卷辊1-15、后张紧装置1-13、后张紧传感器、控制器1-17、第二变频调速电机及收卷辊1-15依次连接；其中前张紧装置1-4通过前张紧传感轮与前张紧传感器1-16连接，后张紧装置 1-13通过前张紧传感轮与后张紧传感器连接；前张紧传感器1-16感应前张紧传感轮上的压力，并将压力信号传给控制器1-17，控制器1-17通过控制第一变频调速电机1-18的转速，进而调节放卷辊1-2的转速；后张紧传感器感应后张紧传感轮上的压力，并将压力信号传给控制器1-17，控制器1-17 通过控制第二变频调速电机的转速，进而调节收卷辊1-15的转速；如图3、图4所示，上引导装置1-7中的第一导轮、第二导轮及第三导轮及下导轮1-11 均通过控制器1-17与第三变频调速电机连接，控制器1-17通过控制第三变频调速电机的转速，进而调节复合膜的输送速度；通过以上手段共同控制了复合膜在生产线上的速度，使得放卷辊1-2与收卷辊1-15的线速度一致，实现零(恒)张力卷绕。

本实用新型所述的涂覆设备制造的中空纤维复合膜的基膜可以为聚丙烯腈(PAN)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、醋酸纤维素 (CA)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)，聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)、聚砜(PSF)及其衍生物磺化聚砜(SPSF)，聚醚砜(PES) 及其衍生物磺化聚醚砜(SPES)中的一种。

中空纤维复合膜的制造方法如下：

将中空纤维基膜有序的卷绕在放卷辊1-2上，通过放卷辊1-2的转动带动基膜在水相槽1-3中转动，使得基膜3充分浸润，对基膜进行预处理；经过预处理的基膜首先进入脱水装置1-6中除去多余水相；然后在上引导装置 7的引导下进入界面聚合反应器1-8，与其中的有机相发生界面聚合反应，从而在中空纤维基膜表面形成超薄涂层；之后进入烘干装置1-10烘干；接着在下导轮1-11的引导下进入后处理装置1-12进行后处理，最后中空纤维复合膜卷绕在收卷辊1-15上；

其中，本实用新型未涉及的水相溶液与有机相溶液的成份和浓度适用于现有技术；

下面给出本实用新型涂覆机制造中空纤维复合膜的具体实施例。

实施例1

放卷辊1-2和收卷辊1-15的直径均为450mm，导丝辊为单槽，适用于单纤维涂覆，吹扫装置宽度为50mm，风量50L/min。有机相供料速度为 2mL/min，加热管长度为500mm，风量为5L/min。前后压力传感器的设定值为5N。纤维运行速度为18m/min。上导丝辊和下导丝辊的垂直距离为3m。下导丝辊到卷绕辊的水平距离为5m。

实施例2

放卷辊1-2和收卷辊1-15的直径均为450mm，导丝辊为四槽，适用于四根纤维涂覆，吹扫装置宽度为100mm，风量50L/min。有机相供料速度为 8mL/min，加热管长度为500mm，风量为5L/min。前后压力传感器的设定值为10N。纤维运行速度为18m/min。上导丝辊和下导丝辊的垂直距离为3m。下导丝辊到卷绕辊的水平距离为5m。其中，多纤维设计的涂覆机可以完成少于额定纤维数量的涂覆工艺。

实施例3

实用新型涂覆机的另一种实施例设计为：水相溶液与有机相溶液的成份和浓度参照专利CN1864827A。放卷辊1-2和收卷辊1-15的直径均为450mm，导丝辊为八槽，适用于八根纤维涂覆，吹扫装置宽度为200mm，风量50L/min。有机相供料速度为16mL/min，加热管长度为500mm，风量为5L/min。前后压力传感器的设定值为10N。纤维运行速度为18m/min。上导丝辊和下导丝辊的垂直距离为3m。下导丝辊到卷绕辊的水平距离为5m。其中，多纤维设计的涂覆机可以完成少于额定纤维数量的涂覆工艺。

实施例4

实用新型涂覆机的另一种实施例设计为：水相溶液与有机相溶液的成份和浓度参照专利CN1864827A。放卷辊1-2和收卷辊1-15的直径均为450mm，导丝辊为八槽，适用于八根纤维涂覆，吹扫装置宽度为200mm，风量50L/min。有机相供料速度为20mL/min，加热管长度为500mm，风量为5L/min。前后压力传感器的设定值为10N。纤维运行速度为32m/min。上导丝辊和下导丝辊的垂直距离为3m。下导丝辊到卷绕辊的水平距离为5m。其中，多纤维设计的涂覆机可以完成少于额定纤维数量的涂覆工艺。

实验表明，所制备的中空纤维纳滤复合膜，在0.4Mpa下，对1g/L MgSO4 水溶液的截留可达到95％，通量达到25.0L/(m2h)。

实施例5

实用新型涂覆机的另一种实施例设计为：水相溶液与有机相溶液的成份和浓度参照专利CN1864827A。放卷辊1-2和收卷辊1-15的直径均为450mm，导丝辊为四槽，适用于四根纤维涂覆，吹扫装置宽度为100mm，风量80L/min。有机相供料速度为6mL/min，加热管长度为500mm，风量为5L/min。前后压力传感器的设定值为10N。纤维运行速度为10m/min。上导丝辊和下导丝辊的垂直距离为3m。下导丝辊到卷绕辊的水平距离为5m。其中，多纤维设计的涂覆机可以完成少于额定纤维数量的涂覆工艺。

实验表明，降低运行速度可以延长界面反应时间，所制备的中空纤维复合膜在0.4Mpa下，对1g/L MgSO4水溶液的截留可达到98％，通量达到20.0L/(m2 h)。

实施例6

实用新型涂覆机的另一种实施例设计为：若多元胺为间苯二胺或者对苯二胺，或二者按照一定比例配置成水相溶液，可制备出高性能中空纤维反渗透复合膜。水相溶液与有机相溶液的成份和浓度参照专利CN1864827A。放卷辊1-2和收卷辊1-15的直径均为450mm，导丝辊为四槽，适用于四根纤维涂覆，吹扫装置宽度为100mm，风量80L/min。有机相供料速度为6mL/min，加热管长度为500mm，风量为5L/min。前后压力传感器的设定值为10N。纤维运行速度为5m/min。上导丝辊和下导丝辊的垂直距离为3m。下导丝辊到卷绕辊的水平距离为5m。其中，多纤维设计的涂覆机可以完成少于额定纤维数量的涂覆工艺。

实验表明，所制备的中空纤维反渗透复合膜在0.6Mpa下，对0.5g/L NaCl 水溶液的截留可达到99％，通量达到15.0L/(m2h)。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。