一种制备中空纤维膜的装置的制作方法

本发明涉及一种制备中空纤维膜的装置，属于材料加工设备领域。

背景技术

膜技术作为一种高效低耗的分离技术，已经在众多领域得到应用，包括污水处理与回用、纯水生产、化工、海水淡化、市政供水、电子工业、制药和生物工程、食品、纺织等。中空纤维膜作为最常用的分离膜之一，应用规模在逐步扩大。另一方面膜材料及制膜工艺与膜结构有关，进一步会影响到分离膜的性能。目前中空纤维膜主要制备方法有熔纺-拉伸(mscs)法，浸没沉淀法(nips)和热致相分离(tips)法。拉伸法制备中空纤维膜技术在上世纪70年代已经被公开了，一般采用挤出机将树脂熔体挤出后高速牵引，再经过冷拉伸，热拉伸和热定型，其原料单一，膜丝直径小，组件装填密度大，但是孔隙率低，孔径分布宽，难以满足大规模工业污水处理需求。nips法是工业膜组件中采用的最多的方法，膜的通量高，但是膜丝强度较差，因此有众多厂家采用编织管或者长纤维增强的方式，此类设备往往需要同时加工增强材料，受限于增强材料的在线加工速度，而且通常采用反应釜来混合溶解聚合物、各种溶剂和添加剂，此方式需要在混合后进行较长时间的静置脱泡或者真空脱泡后才能进入纺丝工艺阶段，效率难以满足大规模生产需求。一般的tips法制膜设备采用与nips类似的釜式设备，同样存在效率问题。

中国专利cn102851763了一种中空纤维膜纺丝机，采用了带搅拌的圆筒状反应釜配制铸膜液，此方法在投料较多时会因为铸膜液液面距离底部高而造成底部脱泡困难，脱泡耗时长，制备效率低，采用tips法制膜时铸膜液粘度较高，搅拌困难，也不利于批量连续制备。专利cn101920172中公开的技术是采用釜式装置配料，混合时间在10h以上，而且需要两次脱泡来达到脱泡效果，因此同样存在工艺耗时长，制膜效率低的问题。

目前中空纤维膜的nips和tips法生产为了提高生产效率多采用多孔喷丝头的方式提高生产效率，但是多孔喷丝头的孔数越多，喷丝板的体积越大，流道越复杂，由于进料孔位置单一，孔数越多的喷丝板的不同喷丝孔距离进料口的距离差异越大，不论是使用常温喷丝头还是对喷丝头进行外部加热，都容易出现传热或者冷却不均匀的现场，进一步造成流道内铸膜液粘度出现较大差异，使得多孔喷丝过程中出现膜丝有明显差异，影响中空纤维膜生产的稳定性。除此之外通常中空纤维膜纺丝采用单轮或者双轮绕丝轮进行收丝，绕丝速度恒定，随着绕丝时间延长，轮上膜丝增加造成绕丝轮绕丝直径变大，膜丝收卷线速度增加，对膜丝的牵引不稳定，同样影响膜丝结构的稳定性。

本发明设计一种中空纤维膜的制备装置，选择合适的聚合物原料，直接使用挤出机进行连续混合挤出以及专门设计的喷丝头结构和连续定长切丝设计，工艺稳定，流程简单，克服了传统设备存在反应釜需要切换，溶解脱泡慢，喷丝板加热不均匀，绕丝不稳定等问题，高效而且简便的生产孔径均匀的中空纤维分离膜。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术存在的多孔喷丝时膜丝差异较大，中空纤维稳定性不好，使用复杂的溶解和脱泡工艺，工艺耗时长，不利于大规模生产等技术问题，提供一种制备中空纤维膜的装置，本发明装置可稳定控制中空纤维膜生产工艺质量，生产效率高，制得的产品强度高，均匀性好，可广泛应用于水处理、生物、医药和能源等领域，具有良好的应用前景。

本发明提供了一种制备中空纤维膜的装置，包括：

上料装置，用于对所述原料进行计量和预处理；

混合挤出装置，用于接收来自所述上料装置的原料，并对其混合挤出形成铸膜液；

喷丝装置，用于接收来自所述混合挤出装置的铸膜液，并喷丝形成纤维；

凝胶装置，用于接收由所述喷丝装置喷出的纤维，对其进行固化处理得到膜丝；

收丝装置，用于对所述膜丝进行切丝和收卷处理；

其中，所述喷丝装置包括喷丝头，所述喷丝头内设有传热通道，所述传热通道内密封有机物。

根据本发明的一些实施方式，所述上料装置包括：

计量装置，其上设有进料口和出料口，用于对原料进行计量；

预热罐，其出料口与所述计量装置的进料口相连，用于对原料进行预热处理。

根据本发明的优选实施例，所述计量装置包括固体计量装置和液体计量装置；所述预热罐出料口与所述液体计量装置的进料口相连。

根据本发明的一个实施例，所述液体计量装置上设有加热装置，加热温度为常温～200℃。在一些具体实施例中，所述液体计量装置优选为液体失重计量装置，所述固体计量装置优选为固体失重计量装置。

在一些具体实施例中，所述预热罐上设有加热装置和搅拌搅拌，加热温度为常温～200℃，搅拌速度为0～60r/min。

根据本发明的一些实施方式，所述混合挤出装置包括：

机筒，其加料口连接所述计量装置的出料口，用于接收来自所述计量装置的原料；

位于所述机筒内部的平行螺杆，用于对机筒内的原料进行混合挤出；

过渡体，其进料口连接所述机筒的出料口，其出料口与所述喷丝装置连接。

根据本发明的优选实施例，所述机筒内设有隔热片，将所述机筒分成加料区域和熔融区域。

在一些具体的实施例中，在所述加料区域的机筒外壁上，设有固体加料口和液体加料口，延物料的运输方向上，液体加料口位于固体加料口之后。

在一些优选实施例中，所述固体加料口连接所述固体计量装置，所述液体加料口连接所述液体计量装置。

根据本发明的一些实施方式，所述所述机筒和过渡体上设有冷却装置和加热装置；所述机筒上设有分开的固体加料口和液体加料口，所述机筒上的加热装置分为多个加热模块，将机筒分为多个加热区域。同时每个加热区域配置有冷却装置，冷却装置为循环冷却装置，冷却介质为水或者冷媒。

根据本发明的一个优选实施例，所述液体加料口不少于1个。

当液体与固体在加热后难以快速相溶则需要通过液体分次加料使液体比例达到工艺设定值。

在机筒上液体加料口之后设置隔热片，将加料区域机筒与后段加热熔融区域机筒隔离开，同时隔热片前后设有独立冷却装置，避免后段机筒温度直接影响加料口区域温度，便于物料输送，加料口冷却装置优选冷媒冷却，以使液体加料口达到40℃以下，尤其是部分工艺采用的液体在温度低于50℃时粘度大或者容易出现结晶，为了避免在进料口发生结块堵塞，所以采用独立冷却和隔热片。所述隔热片材质为耐高温密封隔热材料，包括但不限于石墨，玻璃纤维，聚四氟乙烯，碳纤维，陶瓷或以上材料的复合材料。

根据本发明的优选实施方式，所述螺杆贯穿所述隔热片，通过螺杆的转动对加入的原料进行混合，同时向前推送物料，将物料由加料区域传送至加热熔融区域，在加热熔融区域内受热熔融形成铸膜液。

在一些具体实施例中，所述过渡体的进料口与所述机筒熔融区域的出料口链接。

根据本发明的一些实施方式，所述喷丝装置包括：

计量泵，其进口连接所述过渡体的出料口，用于接收来自所述过渡体的铸膜液并将其送至喷丝头；

芯液装置，其出液口连接所述喷丝头的进口，用于配制芯液并送至喷丝头；

喷丝头，用于接收来自于所述计量泵和芯液装置的物料并进行喷丝。

根据本发明的优选实施例，所述计量泵包括第一计量泵和第二计量泵；在所述第一计量泵和第二计量泵之间，设有压力传感器。

物料通过混合挤出后形成铸膜液进入过渡体，利用第一计量泵将铸膜液输送至第二计量泵，第一计量泵和第二计量泵通过管路串联。由于中空纤维膜制备纺丝过程中在喷丝头对压力稳定性要求较高，传统釜式中空纤维膜挤出纺丝设备仅采用一级计量泵，而挤出机由于经过螺杆的压缩挤出段，机头出口压力较高，压力波动较大，本发明采用两级计量泵，并且采用压力关联计量泵转速的设计，达到稳定第二计量泵出口压力的目的。

根据本发明的优选实施方式，所述芯液装置包括加热釜和计量泵。

根据本发明的一些实施例，所述芯液装置上设有加热装置，加热温度为常温～200℃可控，加热方式为电热套或者导热油。

根据本发明的优选实施例，所述喷丝头包括进料口和喷丝孔，在所述进料口和喷丝孔之间通过喷丝孔流道连接。

在一些具体实施例中，所述喷丝头上设有加热装置，加热温度为常温～200℃可控，加热方式为电热套或者导热油。

根据本发明的优选实施例，所述喷丝头为金属材质，优选为不锈钢。

根据本发明的一些实施方式，所述喷丝孔具有环状结构，喷丝孔为单孔或者多孔，单孔喷丝头生产效率低，体积小时受环境影响较大，温度容易波动，造成膜丝不均匀；多孔喷丝头体积较大，喷丝效率高，但是不同位置喷丝孔流道长度不同，长度越长热损失越大，而温度越低铸膜液的粘度越大，流动性降低，使得不同位置喷丝孔生产的纤维结构和性质有较大差异。

为此，本发明在喷丝头内设置了传热通道，所述传热通道环绕所述喷丝孔流道，其内密封有机物，通过所述有机物的流动在喷丝头内进行传热，使喷丝头内各喷丝孔流到内的铸膜液温度平均，进而得到结构和性质相近、均匀性好的纤维。

在一些实施方式中，还可向所述传热通道内装入空密封管，密封管内密封有机物。对于所述密封管没有特别的限定，可为金属材质，例如不锈钢，铜和铝等；中空密封管直径根据喷丝头大小选择，直径范围为1～10mm，直径小于1mm密封管加工困难，直径大于10mm则影响喷丝头本身结构强度，或者需要进一步加大喷丝头尺寸，不利于喷丝头的使用。

根据本发明的一些实施方式，对于所述有机物没有特别的限定，选择本领域内常见的、升华温度低于喷丝头温度的有机物即可，优选包括樟脑，薄荷醇，薄荷酮，对二氯苯或萘中的一种或几种。

本发明传热通道内的有机物升华温度低于喷丝头的温度，在喷丝时传热通道内的有机物即升华成为气体，气体的传热性能和流动性更好，更有利于在喷丝头内进行传热。

根据本发明的优选实施例，所述凝胶装置包括：

凝胶槽，位于所述喷丝头的下方，其内装有有机物和/或水，用于对所述喷丝头喷出的纤维进行固化处理；

循环系统，用于对凝胶槽内的有机物进行过滤和循环；

升降系统，用于调节所述凝胶槽的位置；

液面控制系统，用于控制和调节所述凝胶槽内的有机物液面位置。

在一些具体的实施例中，所述有机物包括但不限于丙三醇，聚乙二醇和三乙酸甘油酯。

铸膜液和芯液通过喷丝头形成初生纤维，初生纤维从喷丝头喷出后经过一段空气后垂直进入凝胶装置。凝胶槽位于喷丝头下方，设有温控装置和在线检测装置，温控装置可调节凝胶槽温度范围为常温～90℃；在线检测装置为总有机碳(toc)在线检测装置或者化学需氧量(cod)在线检测装置，可以在线检测凝胶槽内有机物浓度。凝胶槽内的液体可固化纤维，同时控制纤维中的稀释剂与凝胶浴的交换速度，进而控制纤维表面孔结构。由于凝胶槽内液体浓度随着纺丝时间的延长而增加，影响后续纺丝初生纤维内液体向凝胶槽内扩散的速度，进一步影响中空纤维膜膜孔结构，因而为了保证中空纤维膜在长时间的生产过程中的孔结构均一性，本发明采用在线监测的方式控制凝胶槽内有机物浓度，有机物浓度与进水和排水调节阀门关联，当凝胶槽内有机物浓度超出设定上限时，通过外排调节阀，进水调节阀和液位控制系统降低凝胶槽内有机物浓度。所述升降系统包括凝胶槽支架，限位开关和电机；所述液面控制系统包括液位传感器和比例调节阀，通过液位传感器与比例调节阀的关联控制凝胶槽液位。

根据本发明的一些实施方式，所述收丝装置包括：

膜丝传送系统，包括第一膜丝传送装置和第二膜丝传送装置；

切刀，位于所述第一膜丝传送装置和第二膜丝传送装置之间。

中空纤维膜膜丝在凝胶槽内固化后进入收丝装置，所述收丝装置包括膜丝传送系统和切刀，所述膜丝传送系统分为第一膜丝传送装置和第二膜丝传送装置，切刀位于第一膜丝传送装置和第二膜丝传送装置之间；凝胶固化的膜丝经过第一膜丝传送装置垂直进入切刀，切丝之后通过第二膜丝传送装置输送切好的膜丝；所述切刀可以通过设定动作间隙时间关联切丝长度，实现定长切丝功能。

具体地，可根据膜丝传送速度设定切刀的动作间隙时间，实现定长切丝功能。

本发明装置的工作过程和工作原理如下：

将制备中空纤维膜的固体原料和经预热罐预热的液体原料分别加入固体计量装置和液体计量装置，通过固体计量装置和液体计量装置计量之后，原料分别通过固体加料口和液体加料口进入机筒，在平行螺杆的作用下，物料边搅拌边被送至熔融区域加热熔融，形成铸膜液；铸膜液经由过渡体进入喷丝装置的第一计量泵，然后经由第二计量泵送至喷丝头，同时芯液装置配制芯液也送至喷丝头，物料经由喷丝头上的喷丝孔喷丝形成纤维；喷丝头的传热通道内密封有机物，当热的铸膜液和芯液流入喷丝头后，有机物升华成气体，通过气体在传热通道内的流动传热，使喷丝头内的温度均匀，在各个喷丝孔喷出结构和性质相近的纤维；纤维落入位于喷丝头下方的凝胶槽中，喷丝头内设有两个滚轮，以对所述纤维形成牵引；凝胶槽通过其下部的支架的升降调节高度，其中装有有机物，可对纤维进行固化处理，固化处理后的纤维即为膜丝；通过温度控制装置调节凝胶槽内的液体温度；通过在线检测仪监测凝胶槽内有机物浓度，当凝胶槽内有机物浓度超出设定上限时，通过外排调节阀，进水调节阀和液位控制系统降低凝胶槽内有机物浓度；液面控制系统包括液位传感器和比例调节阀，通过液位传感器与比例调节阀的关联控制凝胶槽液位；通过循环泵、循环阀和y型过滤器对凝胶槽内的液体进行循环；由凝胶槽处理后得到的膜丝首先经过第一膜丝传送装置垂直进入切刀，切丝之后通过第二膜丝传送装置卷绕输送切好的膜丝。

附图说明

图1为本发明制备中空纤维膜的装置结构示意图；

图2为本发明喷丝头的剖面图；

图3为本发明凝胶装置结构示意图；

图4为根据本发明一个实施例制备的中空纤维膜横截面的电镜图；

附图标记说明：1、上料装置；11、固体计量装置；12、液体计量装置；13、预热罐；2、混合挤出装置；21、机筒；22、过渡体；23、固体加料口；24、液体加料口；25、隔热片；3、喷丝装置；31、第一计量泵；32、第二计量泵；33、压力传感器；34、喷丝头；35、芯液装置；36、喷丝孔；37、传热通道；4、凝胶装置；41、凝胶槽；42、进水比例调节阀；43、循环泵；44、循环阀；45、y型过滤器；46、支架；47、外排比例调节阀；48、在线检测仪；49、温度控制装置；5、收丝装置；51、第一膜丝装置；52、第二膜丝装置；53、切刀。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来进一步解释本发明：

如图1所示，本发明制备中空纤维膜的装置包括：上料装置1、混合挤出装置2、喷丝装置3、凝胶装置4和收丝装置5。

其中，上料装置1包括固体计量装置11、液体计量装置12和预热罐13；在具体实施例中，固体计量装置11为固体失重计量装置，其出料口与机筒的固体加料口23连接；预热罐13上设有加热装置和搅拌装置，可对液体原料进行预热处理，加热装置的加热温度为常温～200℃，搅拌装置的搅拌速度为0～60r/min，预热罐13的出料口与液体液体计量装置12的进料口连接，将预热后的液体原料送至液体计量装置；液体计量装置12为液体失重计量装置，其出料口与机筒的液体加料口24连接；

混合挤出装置2包括机筒21和过渡体22，机筒21通过设置于其中的隔热片25分成加料区域和熔融区域，在加料区域的机筒侧壁上分别设有至少一个固体加料口23和液体加料口24，用于接收来自计量装置的原料；熔融区域内设有平行螺杆，对机筒内的原料进行混合；过渡体22的进料口与机筒连接，出料口与喷丝装置连接，将机筒内混合后的物料(铸膜液)送至喷丝装置；

喷丝装置3包括依次连接的第一计量泵31、压力传感器33、第二计量泵32、和喷丝头34，芯液装置35用于配制芯液，其出液口连接喷丝头34的进口；在如图2所示的实施例中，喷丝头34上包括多个环状喷丝孔，喷丝头内设有传热通道37，传热通道37内密封有机物；来自第二计量泵32的铸膜液和芯液装置35的芯液进入喷丝头34，通过环状喷丝孔36喷丝形成中空纤维；

如图3所示，凝胶装置4包括凝胶槽41、循环系统、升降系统和液面控制系统，凝胶槽位于喷丝头34的下方，由喷丝头喷出的纤维直接落入凝胶槽41中，凝胶槽41内装有有机物，可对纤维进行固化处理；温度控制装置49通过管路与凝胶槽41相通，进水比例调节阀42设置于凝胶槽的进水管路上，外排比例调节阀47设置于凝胶槽的外排管路上，凝胶槽的外侧设有循环管路，其上依次设有循环阀44、循环泵43、在线检测仪48和y型过滤器45，支架46位于凝胶槽41的底部，其与电机相连；

收丝装置5包括第一膜丝装置51、第二膜丝装置52和切刀53，切刀53位于第一膜丝装置51和第二膜丝装置52之间。

实施例1

将原料聚偏氟乙烯粉料加入固体计量装置11，将原料碳酸二苯酯在预热罐13内预热至110℃，然后送至液体计量装置12，向喷丝头34的传热通道37内加入樟脑，加满后堵住传热通道的出口，使樟脑密封在传热通道内；原料通过固体计量装置11和液体计量装置12计量之后，分别通过固体加料口23和液体加料口24进入机筒21，在平行螺杆的作用下，物料边搅拌边被送至熔融区域加热熔融，形成铸膜液；铸膜液经由过渡体22进入喷丝装置的第一计量泵31，然后经由第二计量泵32送至喷丝头34，同时芯液装置配制芯液也送至喷丝头34，喷丝头34上有四个喷丝孔，喷丝形成纤维；纤维落入位于喷丝头下方的凝胶槽41中，喷丝头内设有两个滚轮，以对所述纤维形成牵引；凝胶槽41通过其下部的支架46的升降调节高度，其中装有有机物，可对纤维进行固化处理，固化处理后的纤维即为膜丝；通过温度控制装置49调节凝胶槽内的液体温度；由凝胶槽处理后得到的膜丝首先经过第一膜丝传送装置垂直进入切刀，切丝之后通过第二膜丝传送装置输送切好的膜丝，即得。

实施例2

将原料聚偏氟乙烯粉料加入固体计量装置11，将原料γ-丁内酯在预热罐13内预热至120℃，然后送至液体计量装置12，向喷丝头34的传热通道37内加入薄荷醇，加满后堵住传热通道的出口，使薄荷醇密封在传热通道内；原料通过固体计量装置11和液体计量装置12计量之后，分别通过固体加料口23和液体加料口24进入机筒21，在平行螺杆的作用下，物料边搅拌边被送至熔融区域加热熔融，形成铸膜液；铸膜液经由过渡体22进入喷丝装置的第一计量泵31，然后经由第二计量泵32送至喷丝头34，同时芯液装置配制芯液也送至喷丝头34，喷丝头34上有四个喷丝孔，喷丝形成纤维；纤维落入位于喷丝头下方的凝胶槽41中，喷丝头内设有两个滚轮，以对所述纤维形成牵引；凝胶槽41通过其下部的支架46的升降调节高度，其中装有有机物，可对纤维进行固化处理，固化处理后的纤维即为膜丝；通过温度控制装置49调节凝胶槽内的液体温度；由凝胶槽处理后得到的膜丝首先经过第一膜丝传送装置垂直进入切刀，切丝之后通过第二膜丝传送装置输送切好的膜丝，即得。

实施例3

将原料聚偏氟乙烯粉料加入固体计量装置11，将原料三乙酸甘油酯在预热罐13内预热至120℃，然后送至液体计量装置12，向喷丝头34的传热通道37内塞入不锈钢密封管，不锈钢密封管内密封有薄荷酮；原料通过固体计量装置11和液体计量装置12计量之后，分别通过固体加料口23和液体加料口24进入机筒21，在平行螺杆的作用下，物料边搅拌边被送至熔融区域加热熔融，形成铸膜液；铸膜液经由过渡体22进入喷丝装置的第一计量泵31，然后经由第二计量泵32送至喷丝头34，同时芯液装置配制芯液也送至喷丝头34，喷丝头34上有四个喷丝孔，喷丝形成纤维；纤维落入位于喷丝头下方的凝胶槽41中，喷丝头内设有两个滚轮，以对所述纤维形成牵引；凝胶槽41通过其下部的支架46的升降调节高度，其中装有有机物，可对纤维进行固化处理，固化处理后的纤维即为膜丝；通过温度控制装置49调节凝胶槽内的液体温度；由凝胶槽处理后得到的膜丝首先经过第一膜丝传送装置垂直进入切刀，切丝之后通过第二膜丝传送装置输送切好的膜丝，即得。

实施例4

将原料聚偏氟乙烯粉料加入固体计量装置11，将原料乙酰柠檬酸三丁酯在预热罐13内预热至120℃，然后送至液体计量装置12，向喷丝头34的传热通道37内塞入不锈钢密封管，不锈钢密封管内密封有萘；原料通过固体计量装置11和液体计量装置12计量之后，分别通过固体加料口23和液体加料口24进入机筒21，在平行螺杆的作用下，物料边搅拌边被送至熔融区域加热熔融，形成铸膜液；铸膜液经由过渡体22进入喷丝装置的第一计量泵31，然后经由第二计量泵32送至喷丝头34，同时芯液装置配制芯液也送至喷丝头34，喷丝头34上有四个喷丝孔，喷丝形成纤维；纤维落入位于喷丝头下方的凝胶槽41中，喷丝头内设有两个滚轮，以对所述纤维形成牵引；凝胶槽41通过其下部的支架46的升降调节高度，其中装有有机物，可对纤维进行固化处理，固化处理后的纤维即为膜丝；通过温度控制装置49调节凝胶槽内的液体温度；由凝胶槽处理后得到的膜丝首先经过第一膜丝传送装置垂直进入切刀，切丝之后通过第二膜丝传送装置输送切好的膜丝，即得。

应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。