[發明專利]多孔材料

在審

• 申請號: 201080059952.0
• 申請日: 2010-11-11
• 公開（公告）號: CN102770196A
• 公開（公告）日: 2012-11-07
• 發明（設計）人: G·A·愛德華茲
• 申請（專利權）人: 新納米有限公司
• 主分類號: B01D67/00
• 分類號: B01D67/00;B01D63/08;B01D69/06;H01M8/10
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司 72002
• 代理人: 于輝

技術領域

本發明涉及新的多孔材料。在一個方面，本發明涉及多孔膜材料，其中通過涂布于現有多孔膜材料的均勻薄涂層提供特定的功能。

背景技術

多孔材料和多孔膜材料應用廣泛。具有受控的孔結構的材料用于例如，分離用過濾器、凈化水、空氣處理、催化，以及去除重金屬或生物污染物。具有可控的孔徑和傳導率的材料用于諸如電池、超級電容器、燃料電池和氣體傳感器之類的應用。納米尺寸范圍內的孔用于與生物活性分子相關的分離過程和反應。

對多孔材料和/或膜的性能而言，孔結構可能是關鍵。例如，過濾膜的功能通常是過濾具有特定尺寸的顆粒。通常明確說明可通過膜的顆粒的最大尺寸。因此，為了能夠正確說明此粒度，需要嚴格控制孔結構。另外，重要的是，具有達到所需的最大粒度同時表現出良好的滲透率并提供足夠的力學強度的孔結構。

對流過膜的流體而言，孔結構是關鍵。通常期望使膜的滲透率最大，從而產生較低的壓降，故此使流體流過膜所需的能量較少。滲透率是孔結構的強函數，因此受控的高級孔結構令人期望。

在許多應用中還期望傳導膜。尤其是，在諸如染料敏化太陽能電池、電池、氣體傳感器、燃料電池、超級電容器、電解器、光電極及一些水處理和空氣處理應用之類的應用中，期望傳導率和受控的孔結構來控制流體流動。例如，許多氣體傳感器利用傳導率隨著暴露于氣體而改變的材料來工作。氣體傳感器的多孔性可通過控制暴露于氣體的材料的量以及發生此暴露的速度來控制氣體傳感器的運行。染料敏化太陽能電池、燃料電池和電池也需要傳導多孔電極。由于孔結構控制流體的運動和/或溶液中的離子種類，這些電極的多孔性也可能是關鍵。在一些過濾和水處理應用中，重要的是具有傳導膜，從而可對該膜施加電壓。就與流動和能量需求相關的壓降而言，滲透率也是關鍵。

在一些應用中，期望電導率與熱導率之比高。換言之，需要電導率高且熱導率低的材料。電導率高的材料一般表現出高熱導率。因此，電導率與熱導率之比高的要求是重大挑戰。如此應用的實例是熱電材料。

膜領域是廣泛的，在不同的應用中，需要許多其它功能。

現有的膜可被歸類成兩大組：基于聚合物的膜和陶瓷膜。雖然聚合物膜可獲得多種高級的孔結構和構造，但這些膜受限于它們的操作溫度及對一定環境的耐性。此外，無機材料如陶瓷可提供聚合物所不能提供的功能。例如，在許多應用中，傳導膜是有利的。

存在陶瓷膜，但是就可得到的孔結構和構造而言，甚至更受限制。

聚合物膜包括濾膜。這些可由各種聚合物制得，包括纖維素、硝酸纖維素酯、乙酸纖維素酯、混合纖維素酯、尼龍、PTFE(特氟隆)、聚醚砜(PES)、聚酰胺、乙烯基聚合物和聚碳酸酯。可獲得具有許多孔類型和尺寸的膜。典型地，孔徑由可透過膜的最大粒度來規定。例如，可獲得孔徑0.1μm-10μm規格的特定膜類型。徑跡蝕刻濾膜(典型地聚碳酸酯)具有圓柱形孔。但是，許多膜具有甚至更復雜且不規則的孔結構。這些包括基于纖維素的濾膜，以及一些尼龍、PTFE和PES濾膜。

可制得厚度范圍很寬的膜，例如數微米厚至數百微米厚，乃至厚達毫米范圍。

本發明的一個目的是提供顯著拓寬膜的孔結構和功能的可得組合的材料。

本發明人已發現，可通過將均一的薄涂層涂布于現有的多孔材料或膜提供期望的功能。以此方式，可將由基于聚合物的膜材料提供的孔結構與由無機材料提供的功能組合。可增加此功能，同時基本上保留或者至少以受控的方式改變現有材料的孔特征。

通常，可通過將厚度均勻的薄涂層涂布于現有的多孔膜實現受控的孔結構與性質（諸如傳導率、對環境的耐性和電導率與熱導率之比）的組合。由于涂層可以非常薄，故可將對孔結構的影響最小化。由于可精確控制涂層厚度，故可控制對孔結構的影響。還可控制涂層的體積分數。

本發明人已意外地發現，可利用很薄的涂層和低固體體積分數提高性能。這對于商業應用很重要。

本發明人還已意外地發現，這些提高的性能可通過如下實現：涂布多孔支持基材(scaffold)，然后清除支持基材同時保持合理的性質乃至改進的性質。在厚度方向沒有過度收縮的情況下，可實現此清除。

發明內容

本發明人已意外地發現，多孔膜材料，包括聚合物濾膜，可涂布均勻的薄無機涂層，產生獨特的特征。涂層基本上保留材料的原來的孔結構。由于涂層均勻并可嚴格控制厚度，故可最小化或以可控的方式改變涂層對膜的孔特征及它們相關的重要性質如滲透率的影響。