[发明专利]多孔材料

说明书

技术领域

本发明涉及新的多孔材料。在一个方面，本发明涉及多孔膜材料，其中通过涂布于现有多孔膜材料的均匀薄涂层提供特定的功能。

背景技术

多孔材料和多孔膜材料应用广泛。具有受控的孔结构的材料用于例如，分离用过滤器、净化水、空气处理、催化，以及去除重金属或生物污染物。具有可控的孔径和传导率的材料用于诸如电池、超级电容器、燃料电池和气体传感器之类的应用。纳米尺寸范围内的孔用于与生物活性分子相关的分离过程和反应。

对多孔材料和/或膜的性能而言，孔结构可能是关键。例如，过滤膜的功能通常是过滤具有特定尺寸的颗粒。通常明确说明可通过膜的颗粒的最大尺寸。因此，为了能够正确说明此粒度，需要严格控制孔结构。另外，重要的是，具有达到所需的最大粒度同时表现出良好的渗透率并提供足够的力学强度的孔结构。

对流过膜的流体而言，孔结构是关键。通常期望使膜的渗透率最大，从而产生较低的压降，故此使流体流过膜所需的能量较少。渗透率是孔结构的强函数，因此受控的高级孔结构令人期望。

在许多应用中还期望传导膜。尤其是，在诸如染料敏化太阳能电池、电池、气体传感器、燃料电池、超级电容器、电解器、光电极及一些水处理和空气处理应用之类的应用中，期望传导率和受控的孔结构来控制流体流动。例如，许多气体传感器利用传导率随着暴露于气体而改变的材料来工作。气体传感器的多孔性可通过控制暴露于气体的材料的量以及发生此暴露的速度来控制气体传感器的运行。染料敏化太阳能电池、燃料电池和电池也需要传导多孔电极。由于孔结构控制流体的运动和/或溶液中的离子种类，这些电极的多孔性也可能是关键。在一些过滤和水处理应用中，重要的是具有传导膜，从而可对该膜施加电压。就与流动和能量需求相关的压降而言，渗透率也是关键。

在一些应用中，期望电导率与热导率之比高。换言之，需要电导率高且热导率低的材料。电导率高的材料一般表现出高热导率。因此，电导率与热导率之比高的要求是重大挑战。如此应用的实例是热电材料。

膜领域是广泛的，在不同的应用中，需要许多其它功能。

现有的膜可被归类成两大组：基于聚合物的膜和陶瓷膜。虽然聚合物膜可获得多种高级的孔结构和构造，但这些膜受限于它们的操作温度及对一定环境的耐性。此外，无机材料如陶瓷可提供聚合物所不能提供的功能。例如，在许多应用中，传导膜是有利的。

存在陶瓷膜，但是就可得到的孔结构和构造而言，甚至更受限制。

聚合物膜包括滤膜。这些可由各种聚合物制得，包括纤维素、硝酸纤维素酯、乙酸纤维素酯、混合纤维素酯、尼龙、PTFE(特氟隆)、聚醚砜(PES)、聚酰胺、乙烯基聚合物和聚碳酸酯。可获得具有许多孔类型和尺寸的膜。典型地，孔径由可透过膜的最大粒度来规定。例如，可获得孔径0.1μm-10μm规格的特定膜类型。径迹蚀刻滤膜(典型地聚碳酸酯)具有圆柱形孔。但是，许多膜具有甚至更复杂且不规则的孔结构。这些包括基于纤维素的滤膜，以及一些尼龙、PTFE和PES滤膜。

可制得厚度范围很宽的膜，例如数微米厚至数百微米厚，乃至厚达毫米范围。

本发明的一个目的是提供显著拓宽膜的孔结构和功能的可得组合的材料。

本发明人已发现，可通过将均一的薄涂层涂布于现有的多孔材料或膜提供期望的功能。以此方式，可将由基于聚合物的膜材料提供的孔结构与由无机材料提供的功能组合。可增加此功能，同时基本上保留或者至少以受控的方式改变现有材料的孔特征。

通常，可通过将厚度均匀的薄涂层涂布于现有的多孔膜实现受控的孔结构与性质（诸如传导率、对环境的耐性和电导率与热导率之比）的组合。由于涂层可以非常薄，故可将对孔结构的影响最小化。由于可精确控制涂层厚度，故可控制对孔结构的影响。还可控制涂层的体积分数。

本发明人已意外地发现，可利用很薄的涂层和低固体体积分数提高性能。这对于商业应用很重要。

本发明人还已意外地发现，这些提高的性能可通过如下实现：涂布多孔支持基材(scaffold)，然后清除支持基材同时保持合理的性质乃至改进的性质。在厚度方向没有过度收缩的情况下，可实现此清除。

发明内容

本发明人已意外地发现，多孔膜材料，包括聚合物滤膜，可涂布均匀的薄无机涂层，产生独特的特征。涂层基本上保留材料的原来的孔结构。由于涂层均匀并可严格控制厚度，故可最小化或以可控的方式改变涂层对膜的孔特征及它们相关的重要性质如渗透率的影响。