[发明专利]多孔材料的制造方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年8月6日提交的美国临时申请号61/371,293的优先权，其整体在此引入作为参考。

技术领域

本发明涉及一种制造多孔材料的连续方法，且特别涉及一种采用卷对卷(roll-to-roll)方式的模板技术以制造多孔材料的连续方法。

背景技术

一般来说，多孔材料为具有多孔结构的材料。依据国际纯粹化学与应用化学联合会(IUPAC)的定义，多孔材料可分为三个类型，如微孔(microporous)材料、介孔(mesoporous)材料及大孔(macroporous)材料。微孔材料包括直径基本上小于2纳米的孔，大孔材料包括直径基本上大于50纳米的孔，而介孔材料包括直径在2至50纳米的孔之间。

表面活性剂通常包括具有亲水与疏水基团的有机两亲性分子(organic amphiphilic molecules)，且可溶于有机溶液与水性溶液中。当于水中的表面活性剂浓度很低时，表面活性剂的分子将会位于空气与水之间的界面处。当于水中的表面活性剂浓度增加至造成于空气与水之间的界面处的饱和吸附(saturated adsorption)的程度时，未能吸附在界面的表面活性剂，将会相互聚集而使其亲水端朝外并与水分子接触，以降低水分子与疏水基之间的接触面积。该表面活性剂聚集体称为”胶束(micelle)”，而于形成胶束时的表面活性剂浓度则定义为临界胶束浓度(CMC)。

表面活性剂的亲水-亲脂平衡值(hydrophilic-lipophilic balance，HLB)为表面活性剂的亲水程度。具有较高HLB值的表面活性剂具有较高亲水性。举例来说，具有为8或更高的HLB值的表面活性剂对水具有较高的溶解度。

于溶液浓度高于临界胶束浓度时，表面活性剂的分子将会聚集形成胶束。虽然胶束通常形成为球状，但其大小与形状会随浓度与温度变化而逐渐改变。此外，胶束的尺寸与形状亦受到表面活性剂的化学结构与分子量的影响。基于形成条件与组成，液晶包括热致型液晶(thermotropic liquid crystals)与溶致型液晶(lyotropic liquid crystals)。热致型液晶由于温度变化而形成，而溶致型液晶由于浓度变化而形成。

基于分子或表面活性剂聚集物的组成，液晶包括了近晶型介晶相(smectic mesophase)与向列型介晶相(nematic mesophase)。于向列型相中，所有分子或表面活性剂聚集物大体相互平行地排列，仅具有一维(方向上)有序性。于近晶型相中，所有分子或表面活性剂聚集物则表现出位置上与方向上的有序性(二维)。

于现有技术中，制备有序介孔材料的方法的一种为使用不同的表面活性剂作为结构导向剂(structure-directing agent)或所谓的模板(templates)。例如表面活性剂可为三嵌段共聚物(triblock copolymers)、双嵌段共聚物(diblock copolymers)或离子型表面活性剂(ionic surfactants)。上述方法也使用烷氧化物(alkoxides)作为前体，通过溶胶-凝胶(sol-gel)技术而合成金属氧化物或氢氧化物。或者，前述方法可使用含碳的单体或寡聚物作为碳的前体，并与表面活性剂混合，待表面活性剂形成有序排列并进行前体聚合之后，将表面活性剂移除，再针对所得的聚合物进行高温碳化，即可得到具高度有序性的介孔碳材。然而，迄今为止的关于制备介孔材料的研究主要专注于改变前体或材料的合成条件。举例来说，美国专利案第5,057,296、5,108,725、5,102,643及5,098,684号揭示了以离子型表面活性剂作为模板来制备多孔材料，其中其孔径大于5纳米。然而，所形成的介孔结构并不稳定。