CN101961609B - 一种聚四氟乙烯中空纤维拉伸装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种聚四氟乙烯中空纤维拉伸装置。该装置的两个导辊、多个拉伸辊和冷却辊圆柱表面均开有与脱脂辊相同槽数的等分槽；烘箱由拉伸烘箱、脱脂烘箱和烘箱排气罩组成。退绕辊、冷却辊和卷绕辊位于烘箱外，脱脂烘箱内装有上下错开的多个脱脂辊，拉伸烘箱内装有多个导辊和多个两个为一组的拉伸辊，绕制在退绕辊上与脱脂辊槽数相同的聚四氟乙烯中空纤维经脱脂烘箱内的脱脂辊，脱脂后的中空纤维进入拉伸烘箱，经导辊、成对布置的拉伸辊和另一导辊后，经冷却辊卷绕在卷绕辊上。本发明将脱脂和拉伸在烘箱中进行，节约了能源；进行多根中空纤维的脱脂和拉伸，效率高，保证加工质量；采用分步拉伸，有效实现中空纤维膜的孔径控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种拉伸装置，尤其是涉及一种聚四氟乙烯中空纤维拉伸装置。
背景技术
中空纤维膜作为一种常见的膜组件，具有自支撑、易清洗、装填密度高、占地面积小等特点，在反渗透、超滤、微滤、膜接触器和膜反应器等膜分离领域中大量采用。常见的中空纤维膜材料包括醋酸纤维素、聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚丙烯腈、聚砜、聚醚砜、聚偏氟乙烯等。不同的膜材料有不同的制备方法，如湿法或干-湿法纺丝，采用溶剂-非溶剂或热相转换机理，得到中空纤维膜，目前的大多数中空纤维膜采用此类方法。或者采用熔融纺丝，采用拉伸成孔方法，如聚丙烯、聚乙烯，甚至聚偏氟乙烯中空纤维膜的制备。
不同的应用场合对中空纤维膜提出了不同的使用要求，包括膜孔径、膜结构、膜通量、膜污染、膜强度、耐腐蚀、耐氧化、耐微生物、耐溶剂性等方面的要求。聚四氟乙烯具有极强的耐酸碱、耐氧化、耐微生物侵蚀、耐高低温等优良特性，聚四氟乙烯中空纤维膜除了具有聚四氟乙烯本身的优良特性外，还具有强度高、通量大的优点，在特种过滤、膜接触器、膜反应器等领域中具有重要的应用价值。
聚四氟乙烯中空纤维膜一般采用分散聚合高分子量聚四氟乙烯树脂，在润滑剂作用下，进行糊料挤出，得到聚四氟乙烯中空纤维，脱除润滑剂(脱脂)后再通过拉伸和烧结得到中空纤维壁上具有微孔的聚四氟乙烯中空纤维膜。其中的拉伸步骤是实现微孔产生、微孔尺寸控制和中空纤维膜结构控制的关键环节，此方面的报道和专利不多。其中美国专利US4250138中给出了一种聚四氟乙烯中空纤维拉伸装置，该装置采用类似无缝金属管拉伸装置，采用圆孔模具和芯棒的方式，实现聚四氟乙烯的拉伸。该装置通过芯棒和圆孔模具的配合，实现了聚四氟乙烯中空纤维壁的挤压。但由于采用自由活动芯棒方式，对于内径较小的中空纤维，则芯棒直径很小，拉伸过程中芯棒难以得到有效控制，同时芯棒加工十分困难，拉伸操作十分不便。美国专利US4496507中给出了一种采用开槽热辊拉伸装置，该装置中采用加热辊筒进行温度控制，一次拉伸一根中空纤维，拉伸过程中易出现中空纤维破裂、中空纤维塌陷等问题。同时，以上两个专利均将脱脂和拉伸分步进行。
发明内容
本发明的目的是提供一种聚四氟乙烯中空纤维拉伸装置，将脱脂和拉伸工艺有效集成在一起，并采用成对配置的半圆形表面开槽拉伸辊进行多步拉伸，有效控制脱脂和拉伸过程，避免在拉伸过程中出现中空纤维的破裂和塌陷，该拉伸装置用来制备聚四氟乙烯中空纤维膜。
本发明目的是通过以下技术方案实现的：
该拉伸装置包括退绕辊、多个圆柱表面均开有半圆形等分槽的脱脂辊、两个导辊、多个拉伸辊、冷却辊、卷绕辊和烘箱；两个导辊、多个拉伸辊和冷却辊圆柱表面均开有与脱脂辊相同槽数的半圆形等分槽；烘箱从下至上依次由拉伸烘箱、脱脂烘箱和烘箱排气罩组成；退绕辊、冷却辊和卷绕辊位于烘箱外，脱脂烘箱内装有上下错开的多个脱脂辊，拉伸烘箱内装有多个导辊和多个两个为一组的拉伸辊，绕制在退绕辊上与脱脂辊槽数相同的聚四氟乙烯中空纤维经脱脂烘箱内装有上下错开的多个脱脂辊，脱脂后聚四氟乙烯中空纤维进入拉伸烘箱，经导辊、成对布置的拉伸辊和另一导辊后，由另一导辊经冷却辊卷绕在卷绕辊上；以上的退绕辊、脱脂辊、导辊、拉伸辊、冷却辊和卷绕辊均由电机带动转动。
所述的成对布置的拉伸辊的中心连线垂直于聚四氟乙烯中空纤维。
所述的拉伸烘箱和脱脂烘箱之间用非保温金属板隔开。
所述的最后一对拉伸辊表面线速度大于第一对拉伸辊表面线速度，二者的比值为1-20。
本发明所具有的有益效果是：
(1)将脱脂和拉伸在整体式烘箱中进行，有效利用下部拉伸用烘箱的热能，节省了空间，节约了能源；
(2)一次可以进行多根中空纤维膜的脱脂和拉伸，效率高；
(3)有效避免了聚四氟乙烯中空纤维在拉伸过程中出现管破裂、管塌陷等疵病，保证加工质量；
(4)采用分步拉伸，可以有效实现中空纤维膜的孔径控制。
本发明可用于糊料挤出聚四氟乙烯中空管的脱脂和拉伸。
附图说明
图1是聚四氟乙烯中空纤维膜拉伸装置总体示意图。
图2是半圆形表面开槽辊示意图。
图3是成对配置的半圆形表面开槽辊示意图。
图中：1.退绕辊，2.脱脂辊，3、3’.导辊，4、4’、5、5’、5”、6、6’.拉伸辊，7.冷却辊，8.卷绕辊，9.聚四氟乙烯中空纤维，I.拉伸烘箱，II.脱脂烘箱，III.烘箱排气罩
具体实施方式
下面结合附图以及实施例对本发明作进一步说明。
如图1、图2所示，该拉伸装置包括退绕辊1、五个圆柱表面均开有半圆形等分槽的脱脂辊2，两个导辊3、3’，七个拉伸辊4、4’、5、5’、5”、6、6’，冷却辊7，卷绕辊8和烘箱；两个导辊3、3’，七个拉伸辊和冷却辊7圆柱表面均开有与脱脂辊2相同槽数的半圆形等分槽；烘箱从下至上依次由拉伸烘箱I、脱脂烘箱II和烘箱排气罩III组成；退绕辊1、冷却辊7和卷绕辊8位于烘箱外，脱脂烘箱II内装有上下错开的五个脱脂辊，拉伸烘箱I内装有两个导辊3、3’和两个为一组的四组拉伸辊4、4’，5、5’，5’、5”，6、6’，绕制在退绕辊1上与脱脂辊2槽数相同的聚四氟乙烯中空纤维9经脱脂烘箱II内装有上下错开的五个脱脂辊2，脱脂后聚四氟乙烯中空纤维9进入拉伸烘箱I，经导辊3、成对布置的四组拉伸辊和另一导辊3’后，由另一导辊3’经冷却辊7卷绕在卷绕辊8上；以上的退绕辊、脱脂辊、导辊、拉伸辊、冷却辊和卷绕辊均由电机带动转动。如图2、图3所示，所述的半圆形等分槽，开槽直径不大于和开槽处接触的聚四氟乙烯中空纤维的外径。
如图1所示，所述的成对布置的四组拉伸辊4、4’，5、5’，5’、5”，6、6’的中心连线垂直于聚四氟乙烯中空纤维。不同表面速比的成对拉伸辊之间构成一个拉伸区，拉伸区可以配置一个到多个。
脱脂烘箱温度在120-250℃，拉伸烘箱温度在220-320℃，所述的拉伸烘箱和脱脂烘箱之间用非保温金属板隔开。
所述的最后一对拉伸辊表面线速度大于第一对拉伸辊表面线速度，二者的比值为1-20。
如图1所示，两个导辊3和3’起到调整聚四氟乙烯中空纤维走向作用，保证聚四氟乙烯中空纤维在前后两个辊上具有合适的包围角，可以根据需要使用一个或多个或不使用。拉伸辊4，4’，5，5’，5”，6，6’构成两个拉伸区，分别为4、4’和5、5’两对拉伸辊构成的一个拉伸区，以及5、5”和6，6’两对拉伸辊构成的另一个拉伸区。
退绕辊1、脱脂辊2和导辊3的表面线速度均相等，导辊3’、冷却辊7和卷绕辊8的表面线速度均相等。拉伸辊4和4’的表面线速度相等，拉伸辊5、5’和5”的表面线速度相等，拉伸辊6和6’的表面线速度相等。拉伸辊4和4’的表面线速度等于脱脂辊2和导辊3的表面线速度，拉伸辊5、5’和5”的表面线速度大于拉伸辊4和4’的表面线速度，拉伸辊6和6’的表面线速度大于拉伸辊5、5’和5”的表面线速度。三者的表面线速度比决定了总的拉伸倍数，总的拉伸倍数在1-20之间。脱脂辊2、导辊3，3’、拉伸辊4，4’，5，5’，5”，6，6’、冷却辊7均采用如图2所示的表面半圆形开槽的空心金属辊，拉伸辊4，4’，5，5’，5”，6，6’具有相同材质和规格。表面半圆形槽的直径不大于与之接触的聚四氟乙烯中空纤维的外径。
拉伸辊4’、5’和5”、6’分别为和拉伸辊4、5、6进行配对的拉伸辊，配对拉伸辊接触状态如图3所示。A、B、C、D四点分别为中空纤维和拉伸辊4、5和6的接触切点，AB构成一个拉伸区，CD构成另一个拉伸区，AB分别垂直于拉伸辊4和4’、拉伸辊5和5’的中心连线，CD分别垂直于拉伸辊5和5”、拉伸辊6和6”的中心连线。
退绕辊1和卷绕辊8采用非金属材质，如空心塑料、木材或纸辊等，脱脂辊2、导辊3，3’、拉伸辊4，4’，5，5’，5”，6，6’、冷却辊7采用金属材质空心辊，如镀镍45#钢、不锈钢等。
脱脂辊2、导辊3，3’、拉伸辊4，4’，5，5’，5”，6，6’、冷却辊7的直径与所接触的聚四氟乙烯中空纤维的直径比控制在1∶50-1∶200范围内，以保证聚四氟乙烯中空纤维与辊接触时具有较大的接触面积和较大的曲率半径。脱脂辊2、导辊3，3’、拉伸辊4，4’，5，5’，5”，6，6’、冷却辊7的长度由辊表面开槽个数所决定，总长度不小于开槽半圆直径与开槽个数乘积的2倍。退绕辊1、脱脂辊2、导辊3的表面线速度在1-10m/min。导辊3’、冷却辊7、卷绕辊8的表面线速度由拉伸比所决定，一般和最后一个拉伸辊表面线速度相同。
实施例1：
糊料挤出悬浮聚合聚四氟乙烯树脂得到内径2mm，外径4mm中空纤维，采用航空煤油作为润滑剂，润滑剂含量18wt％。退绕辊1采用直径40cm纸筒，脱脂辊2采用直径30cm镀镍45#钢，空心辊筒，辊筒壁厚8mm，辊筒长度5cm，辊筒表面开槽半圆形直径4.1mm，表面开槽数为4。采用4只脱脂辊，有效脱脂长度1.5m，脱脂辊筒表面线速度5.0m/min。脱脂烘箱温度200℃。导辊3采用和脱脂辊相同规格。拉伸辊4，4’，5，5’，5”，6，6’均采用直径30cm镀镍45#钢空心辊筒，辊筒壁厚15mm，辊筒长度5cm。拉伸辊筒4，4’表面开槽半圆形直径4.1mm，拉伸辊筒5，5’，5”表面开槽半圆形直径为3.8mm，拉伸辊筒6，6’表面开槽半圆形直径为3.4mm，表面开槽数均为4。导辊3’、冷却辊7采用和拉伸辊筒6相同规格。拉伸辊4，4’辊筒表面线速度5.0m/min，拉伸辊5，5’，5”辊筒表面线速度10.0m/min，拉伸辊6，6’辊筒表面线速度30.0m/min，导辊3’、冷却辊7和卷绕辊8辊筒表面线速度30.0m/min，拉伸烘箱温度280℃。一次可以加工得到拉伸6倍的聚四氟乙烯中空纤维膜丝4根。所制备的中空纤维膜内径1.8mm，外径3.3mm，用Autopore压汞仪测得平均孔径0.1μm，空隙率68％。
实施例2：
糊料挤出悬浮聚合聚四氟乙烯树脂得到内径1mm，外径2mm中空纤维，采用航空煤油作为润滑剂，润滑剂含量20wt％。退绕辊采用直径10cm纸筒，脱脂辊采用直径20cm镀镍45#钢，空心辊筒，辊筒壁厚5mm，辊筒长度6cm，辊筒表面开槽半圆形直径2mm，表面开槽数为10。采用5只脱脂辊，有效脱脂长度2m，脱脂辊筒表面线速度1.0m/min。脱脂烘箱温度120℃。导辊3采用和脱脂辊相同规格。拉伸辊4，4’，5，5’，5”，6，6’均采用直径15cm不锈钢空心辊筒，辊筒壁厚5mm，辊筒长度6cm，拉伸辊筒4，4’表面开槽半圆形直径2mm，拉伸辊筒5，5’，5”表面开槽半圆形直径为1.8mm，拉伸辊筒6，6’表面开槽半圆形直径为1.3mm，表面开槽数均为10。导辊3’、冷却辊7采用和拉伸辊筒6相同规格。拉伸辊4，4’辊筒表面线速度1.0m/min，拉伸辊5，5’，5”辊筒表面线速度4.0m/min，拉伸辊6，6’辊筒表面线速度20.0m/min，导辊3’、冷却辊7和卷绕辊8辊筒表面线速度20.0m/min，拉伸烘箱温度220℃。一次可以加工得到拉伸20倍的聚四氟乙烯中空纤维膜丝10根。所制备的中空纤维膜内径0.8mm，外径1.2mm，用Autopore压汞仪测得平均孔径0.65μm，空隙率82％。
实施例3：
糊料挤出悬浮聚合聚四氟乙烯树脂得到内径0.5mm，外径1mm中空纤维，采用航空煤油作为润滑剂，润滑剂含量20wt％。退绕辊采用直径10cm纸筒，脱脂辊采用直径5cm镀镍45#钢空心辊筒，辊筒壁厚3mm，辊筒长度8cm，辊筒表面开槽半圆形直径1mm，表面开槽数为20。采用3只脱脂辊，有效脱脂长度1m，脱脂辊筒表面线速度10.0m/min。脱脂烘箱温度250℃。导辊和冷却辊采用和脱脂辊相同规格。拉伸辊4，4’，5，5’，5”，6，6’均采用直径5cm不锈钢实心辊，辊长度8cm，拉伸辊4，4’表面开槽半圆形直径1mm，拉伸辊5，5’，5”表面开槽半圆形直径为0.8mm，拉伸辊6，6’表面开槽半圆形直径为0.6mm，表面开槽数均为20。导辊3’、冷却辊7采用和拉伸辊6相同规格。拉伸辊4，4’辊表面线速度10.0m/min，拉伸辊5，5’，5”辊表面线速度50.0m/min，拉伸辊6，6’辊表面线速度100.0m/min，导辊3’、冷却辊7和卷绕辊8辊筒表面线速度100.0m/min，拉伸烘箱温度320℃。一次可以加工得到拉伸10倍的聚四氟乙烯中空纤维膜丝20根。所制备的中空纤维膜内径0.4mm，外径0.6mm，用Autopore压汞仪测得平均孔径0.35μm，空隙率76％。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的发明范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种聚四氟乙烯中空纤维拉伸装置，其特征在于：该拉伸装置包括退绕辊(1)、多个圆柱表面均开有半圆形等分槽的脱脂辊、两个导辊、多个拉伸辊、冷却辊(7)、卷绕辊(8)和烘箱；两个导辊、多个拉伸辊和冷却辊(7)圆柱表面均开有与脱脂辊相同槽数的半圆形等分槽；烘箱从下至上依次由拉伸烘箱(I)、脱脂烘箱(II)和烘箱排气罩(III)组成；退绕辊(1)、冷却辊(7)和卷绕辊(8)位于烘箱外，脱脂烘箱(II)内装有上下错开的多个脱脂辊，拉伸烘箱(I)内装有多个导辊和多个两个为一组的拉伸辊，绕制在退绕辊(1)上与脱脂辊槽数相同的聚四氟乙烯中空纤维(9)经脱脂烘箱(II)内装有上下错开的多个脱脂辊，脱脂后聚四氟乙烯中空纤维(9)进入拉伸烘箱(I)，经导辊、成对布置的拉伸辊和另一导辊后，由另一导辊经冷却辊(7)卷绕在卷绕辊(8)上；以上的退绕辊、脱脂辊、导辊、拉伸辊、冷却辊和卷绕辊均由电机带动转动。
2.根据权利要求1中所述的一种聚四氟乙烯中空纤维拉伸装置，其特征在于：成对布置的拉伸辊的中心连线垂直于聚四氟乙烯中空纤维(9)。
3.根据权利要求1中所述的一种聚四氟乙烯中空纤维拉伸装置，其特征在于：所述的拉伸烘箱(I)和脱脂烘箱(II)之间用非保温金属板隔开。
4.根据权利要求1中所述的一种聚四氟乙烯中空纤维拉伸装置，其特征在于：最后一对拉伸辊表面线速度大于第一对拉伸辊表面线速度，二者的比值为1-20。
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