一种具有气体间隙环境可控功能的纺丝喷头组件的制作方法

1.本实用新型涉及相转化法制膜技术领域，具体地说是一种具有气体间隙环境可控功能的纺丝喷头组件。


背景技术：

2.我国膜技术研究始于20世纪50年代，继中国化学研究所研发出我国第一张膜—聚乙烯醇离子交换膜之后，我国的膜产业得到了长足的发展。我国分离膜产业总产值从1993年的2亿元上升到2014年的730亿元，预计2022年可达到1000亿元。
3.分离膜的研究主要紧密围绕膜的功能与膜及膜材料微结构的关系、膜及膜材料的微结构形成机理与控制方法、应用过程中的膜及膜材料微结构演变规律三个关键科学问题展开。但是，我国在膜材料的自主研发和生产上距离国外先进水平还有一定差距，无法做到与进口产品相同的质量，导致了国内膜产品始终停留在较为低端的市场层面，高性能分离膜无论技术、市场还是价格均被国外企业垄断，在低端市场层面，膜进口占比大约为45％，而在高端市场层面，进口率却高达90％～95％，许多进口膜材料的价格高达1万元/平方米。
4.同国外产品相比，国内膜产品的缺陷普遍表现在通量较小、寿命较短、性能不稳定、孔径不均匀等问题上，除制膜原材料影响外，主要与制膜工艺有着密切关联，因此如何控制和改善膜制备过程对于快速提高我国膜产业的竞争力以及打破进口膜垄断我国市场的窘境极为重要。
5.利用相转化法制备中空纤维膜可以获得指状结构和海绵状结构，不同的膜结构对成膜的性能影响不同，最终影响膜的功能，因此控制好相转化过程的影响因素，对于成膜非常重要。在相转化法制膜过程中，挤出的纤维管坯体进入外部絮凝剂之前会通过一段气体间隙，当铸膜液从含有内插管的喷丝头挤出时，中空纤维膜的内层接触到内凝固浴，开始溶剂与非溶剂双扩散的相转化过程，而在中空纤维膜的外层接触到的是空气，易挥发的溶剂开始挥发，同时膜外层吸附空气中的潮气进行相转化过程，内外层相转化的不同步性和程度的差异性产生了中空纤维膜特有的内外结构变化。值得注意的是，在相转化过程中，气体间隙的温度会影响分子在溶液中的构相并影响溶剂的挥发，随温度升高溶剂的蒸发速率加快，同时膜分子链段的运动能力加强，膜分子能够快速调整构象以达到结晶。在一定温度下，当环境湿度较大时，溶剂的蒸发速度很慢，高分子有足够的时间调整其构象，造成膜材料分子堆积过于紧密，结晶度较高，从而导致膜的渗透通量大幅下降。因此，中空纤维分离膜相转化制备过程中所面临气体间隙的温度、压力、湿度和气氛对膜的微结构和质量具有非常显著的影响。只有精密控制气体间隙的温度、压力、湿度及气氛才能精细调控膜分离的堆积状态及结晶度，从而有效调控膜的结构及性能。
6.目前，国内研发、生产分离膜的科研单位及企业均通过对制膜设备所处的整个操作室的温度和湿度进行控制的做法，来宏观调控气体间隙的温度和湿度。由于凝固浴表面会产生一定的溶剂(水)饱和蒸汽压等一系列原因，该方法具有滞后性以及可控性不强等弱点，膜的近表面区容易受不确定性因素的影响，从而影响膜质量和制膜的重现性。具体体现
在：
7.(1)通过控制制膜设备所处的整个操作室的温度，难以精确控制设备气体间隙处的微环境温度并进行精细的温度调控，因此难以精确调控溶剂的蒸发速度及膜分子的构象调整过程。
8.(2)通过控制制膜设备所处的整个操作室的湿度，在气体间隙下方的凝固浴表面会产生一定的溶剂(水)饱和蒸汽压，导致气体间隙处的微环境湿度与整个操作室的湿度不同，因而难以精确调控溶剂的蒸发速度及膜分子的构象调整过程。
9.(3)铸膜液从喷丝头挤出后，中空纤维膜直接暴露在空气中，其外层直接接触空气进行溶剂的蒸发及空气中潮气引发的相转化，未考虑整个纺丝过程中随着溶剂的不断挥发导致的微环境气氛的变化，从而导致每一段中空纤维膜的微结构存在重复性差的问题。


技术实现要素：

10.本实用新型的目的在于提供一种具有气体间隙环境可控功能的纺丝喷头组件，通过对气体间隙微环境进行精确控制，可解决相转化法制膜技术中响应时间长、制膜条件不可控的瓶颈问题。
11.本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：
12.一种具有气体间隙环境可控功能的纺丝喷头组件，包括纺丝喷头模组和气体间隙环境控制系统，其中所述气体间隙环境控制系统包括环境箱体和设于所述环境箱体内的多个环境检测传感器，所述环境箱体上部设有加湿进气口和干气进气口、下端设有输出口，所述环境箱体壁内设有保温层，且所述保温层内设有加热元件和温度控制器，纺丝喷头模组设于所述环境箱体上端，且所述纺丝喷头模组包括喷头基体，所述喷头基体内设有芯液输送通道和浆料输送通道。
13.所述环境箱体内的环境检测传感器包括温湿度传感器和压力传感器。
14.所述环境箱体一侧设有排气口。
15.所述排气口外侧设有排气挡片，且所述排气挡片上端与环境箱体铰接。
16.所述纺丝喷头模组为单浆料通道纺丝喷头，所述喷头基体内设有芯液输送通道和第一浆料输送通道，且芯液输送通道设于喷头基体中心处，第一浆料输送通道设于所述芯液输送通道外侧。
17.所述纺丝喷头模组为双浆料通道纺丝喷头，所述喷头基体内设有芯液输送通道、第一浆料输送通道和第二浆料输送通道，且芯液输送通道设于喷头基体中心处，第一浆料输送通道设于所述芯液输送通道外侧，第二浆料输送通道设于所述第一浆料输送通道外侧。
18.所述芯液输送通道下端和各个浆料输送通道下端均形成喷丝孔。
19.所述纺丝喷头模组设于一个安装架体上，并且所述安装架体可拆装地设于所述气体间隙环境控制系统的环境箱体上端。
20.所述安装架体设有安装底板，所述纺丝喷头模组通过压板固定于所述安装底板上，所述环境箱体上端两侧设有卡槽，且所述安装底板两侧分别插入对应的卡槽中。
21.所述安装底板上设有超声波传感器，并且所述安装架体设于一个升降装置上。
22.本实用新型的优点与积极效果为：
23.1、传统制膜设备通过控制整个操作室的温度和湿度来宏观调控气体间隙的温度和湿度，由于凝固浴表面会产生一定的溶剂饱和蒸汽压等一系列原因，该方法具有滞后性和可控性不强等弱点，膜的近表面区容易受不确定性因素的影响，从而影响膜质量和制膜的重现性。本实用新型则能够对气体间隙环境控制系统的空间湿度、温度、压力等进行精确控制，从而克服了常规装置响应时间长、环境因素多变及不可控的瓶颈问题，真正实现了中空纤维膜的精确可控制备。
24.2、本实用新型既兼顾了传统纺丝装置和常规技术的优点，如占地面积小，易于线性放大、节能降耗、操作简单等，还通过制膜设备中的气体间隙环境控制系统精确控制克服了现有制备技术无法实现精确可控制备膜材料的缺点，可实现制膜效率提升和环境干扰消减的双重优化控制，满足多种复杂结构和组成的中空纤维膜的可控制备要求。
25.3、本实用新型的纺丝喷头模组包括单浆料通道纺丝喷头和双浆料通道纺丝喷头两种结构形式，可根据实际需要选择不同通道数量的纺丝喷头，使用更加灵活，且喷头拆装更换方便。
26.4、本实用新型的气体间隙环境控制系统上端一侧设有超声波传感器用于精确测量其与凝固浴之间的距离，且气体间隙环境控制系统可通过一个升降装置调整高度，进而调节其与凝固浴之间的距离，以保证制膜质量。
附图说明
27.图1为本实用新型的结构示意图，
28.图2为本实用新型的剖视图，
29.图3为本实用新型的分解示意图，
30.图4为本实用新型采用的单浆料通道纺丝喷头剖面示意图，
31.图5为本实用新型采用的双浆料通道纺丝喷头剖面示意图，
32.图6为本实用新型对比例的效果示意图，
33.图7为本实用新型应用例的效果示意图。
34.其中，1为纺丝喷头模组，101为安装底板，102为压板，2为气体间隙环境控制系统，201为卡槽，3为加湿进气口，4为干气进气口，5为输出口，6为排气口，7为温湿度传感器，8为压力传感器，9为超声波传感器，10为安装架体，11为喷头基体，12为芯液输送通道，13为第一浆料输送通道，14为第二浆料输送通道。
具体实施方式
35.下面结合附图对本实用新型作进一步详述。
36.如图1～5所示，本实用新型包括纺丝喷头模组1和气体间隙环境控制系统2，其中所述气体间隙环境控制系统2包括环境箱体和设于所述环境箱体内的多个环境检测传感器，所述环境箱体上部设有加湿进气口3和干气进气口4、下端设有输出口5，所述环境箱体壁内设有保温层，且所述保温层内设有加热元件和温度控制器，纺丝喷头模组1设于所述环境箱体上端，且如图4～5所示，所述纺丝喷头模组1包括喷头基体11，所述喷头基体11内设有芯液输送通道12和浆料输送通道。
37.如图1～3所示，所述环境箱体上的加湿进气口3与第一气流发生装置和湿度发生
装置连通用于向环境箱体内通入加湿气体，所述环境箱体上的干气进气口4与第二气流发生装置连通输入干气，本实用新型可通过调整湿度发生装置和各个气流发生装置参数调控环境箱体内的湿度和气压。所述气流发生装置和湿度发生装置均为本领域公知技术且为市购产品，其中气流发生装置包括精密气体质量流量计，其与气流发生装置中的智能气体流量控制系统连接实现精确控制气体流量，进而实现精确控制环境箱体内的湿度和气压。
38.本实施例中，所述加湿进气口3管路直径为1～50mm，进气湿度1％rh～99％rh，所述干气进气口4通入气体为空气、氩气、氮气、氦气等中的一种或几种，所述精密气体质量流量计的量程为0～500ml/min，另外所述环境箱体材质可为不锈钢、聚四氟乙烯、有机玻璃等材质，形状为圆形、弧形、方形或其他不规则形状。
39.如图1～3所示，所述环境箱体内的环境检测传感器包括温湿度传感器7和压力传感器8，所述温湿度传感器7和压力传感器8均与设备的智能控制系统连接，其中温湿度传感器7用于实时监测环境箱体内的温度和湿度，压力传感器8用于实时监测环境箱体内的压力，所述温湿度传感器7和压力传感器8的数量和位置可根据实际需要布置于所述环境箱体内，比如设于环境箱体上部、中部和/或下部。所述温湿度传感器7和压力传感器8均为市购产品，本实施例中，所述温湿度传感器7的品牌和型号为atmos 14vp-4，其温度量程为0～100℃，湿度量程为1％rh～99％rh，所述压力传感器8的品牌和型号为上海狄佳传感djyz-15，其量程为0～10bar。
40.所述环境箱体壁内的保温层用于保证环境箱体内温度，本实施例中，所述保温层材质为岩棉、玻璃棉、石英棉中的一种，而所述加热元件为金属电热元件或非金属电热元件，所述加热元件通电即实现加热并可通过温度控制器控制加热温度，所述加热元件和温度控制器均为本领域公知技术，本实施例中，所述加热元件的加热温度范围为20～100℃。
41.所述环境箱体一侧设有排气口6用于排出内部残留气体，如图1～2所示，所述排气口6外侧设有排气挡片，且所述排气挡片上端通过折页与环境箱体铰接从而可以实现自由摆动，如图1所示，所述排气挡片放下时挡住所述排气口6使环境箱体内部密封，并且所述排气口6周向可设置密封圈与排气挡片相抵接触保证密封效果，如图2所示，所述排气挡片抬起时排气口6露出排气，另外为了保证排气挡片与箱体紧贴，可在排气挡片下侧设置配重块，以避免箱体内气流将挡片吹开。本实施例中，所述排气挡片材质可为不锈钢、聚四氟乙烯、有机玻璃等，尺寸为5～50mm
×
5～50mm，形状为圆形、弧形、方形或其他不规则形状。
42.如图4～5所示，所述纺丝喷头模组1包括单浆料通道纺丝喷头和双浆料通道纺丝喷头两种结构形式，其中芯液输送通道12设于喷头基体11中心处，如图4所示，所述纺丝喷头模组1为单浆料通道纺丝喷头结构时，所述喷头基体11内部设有第一浆料输送通道13，且第一浆料输送通道13设于所述芯液输送通道12外侧，如图5所示，所述纺丝喷头模组1为双浆料通道纺丝喷头结构时，所述喷头基体11内部设有第一浆料输送通道13和第二浆料输送通道14，且第一浆料输送通道13设于所述芯液输送通道12外侧，第二浆料输送通道14设于所述第一浆料输送通道13外侧。
43.所述芯液输送通道12上端与芯液储存装置连通，各个浆料输送通道上端与浆料储存装置连通，所述芯液输送通道12下端以及各个浆料输送通道下端均形成喷丝孔。所述芯源储存装置和浆料储存装置为本领域公知技术。
44.当纺丝喷头模组1为单浆料通道纺丝喷头结构，所述芯液输送通道12所输送芯液
可为水、乙醇、多铵溶液、酰氯溶液等中的一种或几种，所述第一浆料输送通道13所输送浆料可为聚砜、聚醚砜、聚偏氟乙烯、聚乙烯亚胺、聚丙烯腈、钙钛矿、尖晶石、萤石等中的一种或几种。
45.当纺丝喷头模组1为双浆料通道纺丝喷头结构，所述芯液输送通道12所输送芯液可为水、乙醇、多铵溶液、酰氯溶液等中的一种或几种，所述第一浆料输送通道13所输送浆料可为聚砜、聚醚砜、聚偏氟乙烯、聚乙烯亚胺、聚丙烯腈、钙钛矿、尖晶石、萤石等中的一种或几种，所述第二浆料输送通道14所输送浆料可为聚砜、聚醚砜、聚偏氟乙烯、聚乙烯亚胺、聚丙烯腈、钙钛矿、尖晶石、萤石等中的一种或几种。
46.如图2～3所示，所述纺丝喷头模组1设于一个安装架体10上，且所述安装架体10可拆装地设于所述气体间隙环境控制系统2的环境箱体上端，本实施例中，所述安装架体10设有安装底板101，所述纺丝喷头模组1通过压板102固定于所述安装底板101上，所述环境箱体上端两侧设有卡槽201，所述安装底板101两侧分别插入对应的卡槽201中实现连接，这样可抽插安装地板101方便更换不同通道数量的纺丝喷头模组1，另外所述卡槽201内可设置密封垫或密封圈保证环境箱体内部密封。所述安装架体10也可以通过螺栓固定等方式固装于所述环境箱体上端。
47.如图1～3所示，所述安装底板101上设有超声波传感器9用于精确测量与凝固浴之间的距离，并且所述安装架体10设于一个升降装置上，这样便可以根据实际情况实时调整所述气体间隙环境控制系统2高度，进而保证制膜质量。所述超声波传感器9为本领域公知技术且为市购产品，所述升降装置可采用电机 丝杠丝母传动方式实现精确控制升降高度，进而精确调整气体间隙环境控制系统2与凝固浴之间的距离，其中丝杠通过电机驱动转动，丝母套装于丝杠上并沿着所述丝杠升降，所述丝母与所述安装架体10固连。
48.本实用新型的工作原理为：
49.本实用新型包括纺丝喷头模组1和气体间隙环境控制系统2，且纺丝喷头模组1设于气体间隙环境控制系统2上端，在中空纤维膜制备过程中，芯液输入纺丝喷头模组1内的芯液输送通道12中，并经由芯液输送通道12下端的喷丝孔流出进入气体间隙环境控制系统2的环境箱体中，浆料输入纺丝喷头模组1中对应的浆料输送通道中，并经由该浆料输送通道下端的喷丝孔流出进入气体间隙环境控制系统2的环境箱体中，所述环境箱体内的物料则经由下侧的输出口5进入凝固浴槽中。
50.如图1～3所示，所述环境箱体上设有加湿进气口3和干气进气口4用于调节箱体内部湿度和气压，另外所述环境箱体内设有包括温湿度传感器7、压力传感器8在内的多个环境检测传感器实时监测环境箱体内的温度、湿度、压力等参数，所述环境箱体壁内设有保温层，所述保温层内设有加热元件，所述加热元件可根据各个环境检测传感器的监测情况实时调节加热温度，以确保环境箱体内的环境参数满足要求，进而保证膜制备效率和质量。
51.如图4～5所示，所述纺丝喷头模组1包括单浆料通道纺丝喷头和双浆料通道纺丝喷头两种结构形式，本实用新型可根据实际需要选择不同通道数量的纺丝喷头，使用更加灵活，且设有纺丝喷头模组1的安装底板101两侧与环境箱体上端卡槽插装连接，喷头拆装更换方便。
52.另外如图2～3所示，所述气体间隙环境控制系统2上端一侧设有超声波传感器9用于精确测量其与凝固浴之间的距离，所述纺丝喷头模组1和气体间隙环境控制系统2均与所
述安装架体10连接，且所述安装架体10设于一个升降装置上，这样可根据实际情况实时调整所述气体间隙环境控制系统2高度，进而调节其与凝固浴之间的距离，以保证制膜质量。
53.下面以一个对比例和一个本实用新型的应用例进一步说明本实用新型的技术效果。
54.对比例：
55.制备聚醚砜中空纤维膜：将0.5g聚乙烯吡咯烷酮分散剂溶解在40g n-甲基吡咯烷酮溶剂中，再加入7.5g聚醚砜聚合物，搅拌24h，得到铸膜液，然后将铸膜液注入浆料罐中，真空脱气4h，在压力为0.6bar的空气驱动下，将铸膜液通过纺丝喷头成型后，不经过所述气体间隙环境控制系统2直接进入凝固浴槽中，其中芯液为去离子水的混合物，芯液流速为15ml/min，外部凝固液为水,将上述得到的中空纤维膜水中放置24h，使相转化充分进行，然后在空气中自然干燥后，放置烘箱中50℃烘干20h后，得到中空纤维膜。
56.本对比例不经过气体间隙环境控制系统2，如图6所示，将上述所得中空纤维膜进行扫描电镜表征，中空纤维膜横截面中指状孔分布受环境湿度影响很大，表面皮层孔结构分布不均匀。
57.本实用新型应用例：
58.制备聚醚砜中空纤维膜：将0.5g聚乙烯吡咯烷酮分散剂溶解在40g n-甲基吡咯烷酮溶剂中，再加入7.5g聚醚砜聚合物，搅拌24h，得到铸膜液，然后将铸膜液注入浆料罐中，真空脱气4h，在压力为0.6bar的空气驱动下，将铸膜液通过纺丝喷头成型后，经过所述气体间隙环境控制系统2后再进入凝固浴槽中，其中气体间隙环境控制系统2的环境箱体内部参数设置为：湿度为45％，温度为26℃，压力为0bar，芯液为去离子水的混合物，芯液流速为15ml/min，外部凝固液为水。将上述得到的中空纤维膜水中放置24h，使相转化充分进行。然后在空气中自然干燥后，放置烘箱中50℃烘干20h后，得到中空纤维膜。
59.本应用例经过气体间隙环境控制系统2，如图7所示，将上述所得中空纤维膜进行扫描电镜表征，中空纤维膜横截面处指状孔分布均匀，表面皮层孔结构分布均匀。