[发明专利]多嵌段共聚物膜及其制备方法和用途

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年5月4日提交的美国临时专利申请号为61/482,354的优先权，其通过引用并入本文。

关于联邦资助研究的声明

本发明在美国国家科学基金资助的基金号为DGE-0707428的美国国家科学基金研究生研究奖学金的政府支持下完成。美国政府对本发明拥有一定权利。

发明领域

本发明的领域主要涉及多嵌段共聚物膜的制备方法以及此类膜的用途。更具体地，本发明涉及多嵌段共聚物均孔分级膜的制备方法以及此类膜的用途。

发明背景

在纳米级认识和控制化学物质的转运对设计能够解决在化学分离、药物递送和分子传感方面所面临的若干问题的新型装置和系统是重要的。多种这些技术依赖于具有牢固的机械性质以及孔尺寸和化学性质控制良好的薄膜和膜。为推动对在纳米级利用转运现象的技术的理解和执行，在下一代高性能介孔材料的制造和表征方面产生显著的进步是必不可少的。

已通过批量铸造产生了基于二嵌段共聚物和三嵌段三元共聚物自组装的膜，但是这些材料选择层比较厚，因而具有较低的渗透率。已通过在固体基底上的旋转涂覆由二嵌段共聚物制造了介孔膜；然而，这种方法需要较长的退火时间，并且从第一基底向第二支持膜转移易碎膜较为繁琐。

发明概述

在一个方面，本发明提供了多嵌段共聚物均孔分级膜的制备方法。在一个实施方式中，所述方法包括步骤：形成包括具有氢键嵌段（例如，聚（（4-乙烯基）吡啶）、聚（（2-乙烯基）吡啶）、聚（环氧乙烷）、聚（甲基丙烯酸酯）、聚（甲基丙烯酸甲酯）、聚（二甲基氨基乙基甲基丙烯酸酯）、聚（丙烯酸）和聚（羟基苯乙烯））的多嵌段共聚物的膜，所述膜能够使用沉积溶液自组装于基底上，所述沉积溶液包括多嵌段共聚物和溶剂系统（例如，1,4-二氧六环）；从所述膜中除去至少一部分所述溶剂系统；和将来自步骤b）的所述膜与相分离溶剂系统接触，以形成均孔分级膜。

在一个实施方式中，所述多嵌段共聚物具有低Tg嵌段。例如，所述低Tg嵌段可以是聚（异戊二烯）、聚（丁二烯）、聚（丁烯）或聚（异丁烯）。在一个实施方式中，所述沉积溶液进一步包括均聚物或小分子，并且所述膜进一步包括所述均聚物或所述小分子。

在一个方面，本发明提供了一种均孔分级膜。所述膜包括多嵌段共聚物。所述多嵌段共聚物具有氢键嵌段（例如，聚（（4-乙烯基）吡啶）、聚（（2-乙烯基）吡啶）、聚（环氧乙烷）、聚（甲基丙烯酸酯）、聚（甲基丙烯酸甲酯）、聚（二甲基氨基乙基甲基丙烯酸酯）、聚（丙烯酸）和聚（羟基苯乙烯））。在一个实施方式中，所述多嵌段共聚物具有低Tg聚合物嵌段（例如，聚（异戊二烯）、聚（丁二烯）、聚（丁烯）和聚（异丁烯））。所述膜的厚度为5微米至500微米。

在一个实施方式中，所述膜是混合膜。所述混合膜包括多嵌段共聚物和均聚物或小分子。在一个实施方式中，所述膜具有至少一种无机材料，并且所述无机材料置于至少一部分的所述膜上。例如，所述无机材料是金属（例如，金属纳米粒子）、金属氧化物或半导体。

在一个方面，本发明提供了一种具有本发明的膜的装置。在一个实施方式中，所述膜是装置中的滤膜。

附图简述

图1。由聚（异戊二烯-b-苯乙烯-b-4-乙烯基吡啶）（ISV）三嵌段三元共聚物浇铸的介孔膜的例子。a.ISV三元共聚物的结构，表中显示了由溶解度参数计算得到的聚合物-溶剂相互作用参数，以及分离层的预计形成机制。b.批量ISV材料的典型小角X-射线散射（SAXS）轨迹。虚线表示峰位置（q/q*）²=1、3、4和7，预计为六方晶格。插图：由OsO₄选择性染色的三元共聚物膜的TEM图像。更高放大倍数的插图显示了相互连接的白色聚苯乙烯区域，其各边均为100nm。最暗的区域为PI、灰色区域为P4VP和白色区域为PS域。比例尺为100nm。c.批量三嵌段三元共聚物和二嵌段二元共聚物膜的典型应力应变曲线。