具有高空隙體積的多孔聚合物膜的制作方法
【專利說明】具有高空隙體積的多孔聚合物膜
[0001]發(fā)明背景
[0002]聚合物膜用于過濾多種流體。然而，存在著對于提供高通量性能的膜的需求。
[0003]本發(fā)明用于改善現(xiàn)有技術的至少一些缺陷。從下面列出的說明書來看，本發(fā)明的這些和其它優(yōu)勢將會是顯而易見的。
[0004]發(fā)明簡介
[0005]本發(fā)明的一個實施方式提供了微孔膜，包含單一整體層，具有:(i)第一微孔表面；(ii)第二微孔表面；其中至少第一微孔表面包含圖案化表面，其包含多個峰和谷，圖案化表面包含多個包含峰的第一區(qū)域表面以及多個包含谷的第二區(qū)域表面；以及，(iii)介于第一微孔表面和第二微孔表面之間的多孔本體，多孔本體包含多個第一區(qū)域本體和多個第二區(qū)域本體；(a)第一區(qū)域本體由相應的第一區(qū)域表面向第二微孔表面延伸，第一區(qū)域本體包含具有外邊緣的第一組孔，其通過移除引入的可溶二氧化硅納米顆粒而制備，第一組孔具有第一受控孔徑，以及與第一組孔的外邊緣連接的第二組孔，第二組孔具有第二受控孔徑，以及支撐第一組孔的第一聚合物基質(zhì)，其中第一受控孔徑大于第二受控孔徑；(b)第二區(qū)域本體由相應的第二區(qū)域表面向第二微孔表面延伸，第二區(qū)域本體包含具有外邊緣的第三組孔，其通過移除引入的可溶二氧化硅納米顆粒而制備，第三組孔具有第三受控孔徑，以及與第三組孔的外邊緣連接的第四組孔，第四組孔具有第四受控孔徑，以及支撐第三組孔的第二聚合物基質(zhì)，其中第三受控孔徑大于第四受控孔徑。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的其它實施方式，提供了包含膜的過濾器和過濾裝置，以及制備和使用膜的方法。
【附圖說明】
[0007]圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的膜的一個實施方式的第一區(qū)域的表面視圖的掃描電子顯微鏡圖像(SEM)，顯示出具有連接外邊緣的第一組孔(一個孔用短劃線標注)，以及位于第一組孔的連接的外邊緣之中的第二組孔(一個孔用實線標注)。
[0008]圖2闡釋了根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的膜第一區(qū)域中的第一組孔(通過溶解顆粒形成)的六方堆，其中六方堆是74體積百分數(shù)。圖2還闡釋了支撐第一組孔的基質(zhì)(“聚合物形成的間質(zhì)”)，以及與第一組孔外邊緣連接的第二組孔。
[0009]圖3形象地闡釋了根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的膜的橫截面視圖，顯示出包含峰和多個谷的膜的圖案化表面，第一區(qū)域表面包含峰以及第二區(qū)域表面包含谷；以及，介于圖案化表面和另一膜表面之間的多孔本體，多孔本體包含第一區(qū)域本體和多個第二區(qū)域本體；第一區(qū)域本體由第一區(qū)域表面向另一膜表面延伸，第一區(qū)域本體包含具有外邊緣的第一組孔，其通過移除引入的可溶納米顆粒而制備，第一組孔具有第一受控孔徑，以及與第一組孔的外邊緣連接的第二組孔，第二組孔具有第二受控孔徑，以及支撐第一組孔的第一聚合物基質(zhì)，其中第一受控孔徑大于第二受控孔徑；第二區(qū)域本體由相應的第二區(qū)域表面向另一膜表面延伸，第二區(qū)域本體包含具有外邊緣的第三組孔，其通過移除引入的可溶納米顆粒而制備，第三組孔具有第三受控孔徑，以及與第三組孔的外邊緣連接的第四組孔，第四組孔具有第四受控孔徑，以及支撐第三組孔的第二聚合物基質(zhì)，其中第三受控孔徑大于第四受控孔徑，其中第一受控孔徑與第三受控孔徑基本上相同。
[0010]圖4圖解地闡釋了根據(jù)本發(fā)明另一實施方式的膜的橫截面視圖，顯示出包含多個峰和多個谷的膜的圖案化表面，第一區(qū)域表面包含峰以及第二區(qū)域表面包含谷；以及，介于圖案化表面和另一膜表面之間的多孔本體，多孔本體包含第一區(qū)域本體和多個第二區(qū)域本體；第一區(qū)域本體由各自的第一區(qū)域表面向另一膜表面延伸，第一區(qū)域本體包含具有外邊緣的第一組孔，其通過移除引入的可溶納米顆粒而制備，第一組孔具有第一受控孔徑，以及與第一組孔的外邊緣連接的第二組孔，第二組孔具有第二受控孔徑，以及支撐第一組孔的第一聚合物基質(zhì)，其中第一受控孔徑大于第二受控孔徑；第二區(qū)域本體由各自的第二區(qū)域表面向另一膜表面延伸，第二區(qū)域本體包含具有外邊緣的第三組孔，其通過移除引入的可溶納米顆粒而制備，第三組孔具有第三受控孔徑，以及與第三組孔的外邊緣連接的第四組孔，第四組孔具有第四受控孔徑，以及支撐第三組孔的第二聚合物基質(zhì)，其中第三受控孔徑大于第四受控孔徑，其中第一受控孔徑小于第三受控孔徑。
[0011]圖5A、5B和5C是示出根據(jù)本發(fā)明另一實施方式的膜的橫截面視圖(圖5A ;顯示出膜的圖案化基材-接觸表面)、表面視圖(圖5B ;顯示出膜的圖案化基材-接觸表面)和表面視圖(圖5C;顯示出膜的自由或非圖案化基材-接觸表面)的SEM圖像。
[0012]圖6是示出根據(jù)本發(fā)明另一實施方式的膜的放大的局部橫截面視圖的SEM圖像，顯示出包含約為570nm的第一受控孔徑的第一區(qū)域本體以及包含約為310nm的第三受控孔徑的第二區(qū)域本體。
[0013]發(fā)明詳述
[0014]本發(fā)明的一個實施方式提供了微孔膜，包含單一整體層，具有:(i)第一微孔表面；(ii)第二微孔表面；其中至少第一微孔表面包含圖案化表面，其包含多個峰和谷，圖案化表面包含多個包含峰的第一區(qū)域表面以及多個包含谷的第二區(qū)域表面；以及(iii)介于第一微孔表面和第二微孔表面之間的多孔本體，多孔本體包含多個第一區(qū)域本體和多個第二區(qū)域本體；(a)第一區(qū)域本體由相應的第一區(qū)域表面向第二微孔表面延伸，第一區(qū)域本體包含具有外邊緣的第一組孔，其通過移除引入的可溶二氧化硅納米顆粒而制備，第一組孔具有第一受控孔徑，以及與第一組孔的外邊緣連接的第二組孔，第二組孔具有第二受控孔徑，以及支撐第一組孔的第一聚合物基質(zhì)，其中第一受控孔徑大于第二受控孔徑；(b)第二區(qū)域本體由相應的第二區(qū)域表面向第二微孔表面延伸，第二區(qū)域本體包含具有外邊緣的第三組孔，其通過移除引入的可溶二氧化硅納米顆粒而制備，第三組孔具有第三受控孔徑，以及與第三組孔的外邊緣連接的第四組孔，第四組孔具有第四受控孔徑，以及支撐第三組孔的第二聚合物基質(zhì)，其中第三受控孔徑大于第四受控孔徑。
[0015]根據(jù)一個實施方式，第一組孔的受控孔徑(和/或通過移除引入的二氧化硅納米顆粒制備的另一組孔的受控孔徑)在約50nm至約100nm的范圍內(nèi)，例如約160nm至約630nm。因此，例如，第一組孔的孔徑是約160nm、約180nm、約200nm、約220nm、約240nm、約260nm、約 280nm、約 300nm、約 320nm、約 340nm、約 360nm、約 380nm、約 400nm、約 420nm、約440nm、約 460nm、約 480nm、約 500nm、約 520nm、約 540nm、約 560nm、約 580nm、約 600nm 或約620nm。
[0016]在一個實施方式中，第一區(qū)域本體中的第二受控孔徑(或者，相對與具有外邊緣的孔連接的孔而言的任意其它區(qū)域中的受控孔徑)與第一受控孔徑(或者，相對具有外邊緣的孔而言的受控孔徑)的比率在約0.2至約0.4倍的范圍內(nèi)。
[0017]第三受控孔徑可以與第一受控孔徑基本上相同，或者，第三受控孔徑可以比第一受控孔徑小至少約10%，或者，第三受控孔徑可以比第一受控孔徑大至少約10%。例如，在一個實施方式中，第三組孔的孔徑與第一組孔的孔徑的差別為至少10%，例如，20%、30%、40 %、50 %、60 %、70 %或80 %。第三組孔的孔徑可以大于或小于第一組孔的孔徑。
[0018]在一些實施方式中，第一區(qū)域本體中具有外邊緣的孔的受控孔徑大于第二區(qū)域本體中具有外邊緣的孔的受控孔徑，例如，其中第二區(qū)域本體包含膜的截留部分。在一些其它實施方式中，第一區(qū)域本體中具有外邊緣的孔的受控孔徑小于第二區(qū)域本體中具有外邊緣的孔的受控孔徑，例如，其中第一區(qū)域本體包含膜的截留部分。
[0019]在膜的一些實施方式中，第二區(qū)域本體由相應第二區(qū)域表面向第二表面延伸。
[0020]在膜的一些實施方式中，第一區(qū)域本體由相應第一區(qū)域表面向第二表面延伸，以及第二區(qū)域本體由相應第二區(qū)域表面向第二表面延伸。
[0021]在一個實施方式中，第二表面包含第二圖案化表面，其包含多個峰和谷，第二圖案化表面包含多個包含峰的第三區(qū)域表面和多個包含谷的第四區(qū)域表面。
[0022]根據(jù)本發(fā)明，峰和谷可以具有任意適合的形狀，例如，峰和谷不需要尖銳的末端和凹陷，例如它們在頂部和/或底部和/或升高且相當平坦的頂部和/或底部可以具有圓的形狀。
[0023]有利地，具有峰和谷的圖案(例如，“局域化不對稱性”)的膜比常規(guī)膜具有更好的抗污能力。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的膜是整體的(膜表現(xiàn)為單一結(jié)構(gòu)，其在通常使用條件下不分層或分離)。例如，當制備膜時，各本體的部分可以互相滲透和混合。
[0025]典型地，在具有包含通過移除引入的可溶二氧化硅納米顆粒而制備的、具有外邊緣的孔的受控孔徑，以及，包含與孔的外邊緣連接的較小孔的附加受控孔徑的任何區(qū)域中，較小孔的受控