[发明专利]一种具有垂直贯穿孔道的多孔薄膜、其制造装置和制备方法

说明书

本发明涉及旋涂技术领域，公开了一种具有垂直贯穿孔道的多孔薄膜、其制造装置和制备方法。所述多孔薄膜的厚度为5～800微米，其内部具有垂直于薄膜表面的垂直贯穿孔道。所述多孔薄膜的制备装置为旋涂冷冻装置，其包括冷冻装置(7)和旋涂池(3)，其中所述冷冻装置(7)构造成对所述旋涂池(3)进行冷却，所述旋涂池(3)具有自转轴(1)，所述旋涂池(3)还具有物料入口(6)。本发明还公开了利用该旋涂冷冻装置制备多孔薄膜的方法。该方法操作简单，制得薄膜厚度均匀连续，可用来大规模制备具有楔形孔道的多孔薄膜。

技术领域

本发明涉及旋涂技术领域，特别涉及一种具有垂直贯穿孔道的多孔薄膜、其制造装置和制备方法。

背景技术

纳微米多孔膜具有比表面积大、密度低、孔隙率高等优点，在电化学、光催化等领域有着很广泛的应用。然而在一些化学反应中，例如气体参与的电化学反应中纳微米结构的无序排列堆叠会造成气体传输不畅、催化剂利用效率低等问题。因此期待通过设计垂直排列的纳微米多孔膜，既可以增加有效催化面积，又可以得到通畅连贯的气体运输通道，降低气泡传输阻力。目前制造纳微米多孔膜技术有很多种方法，例如静电纺丝法、模板法、水热法等，但是这些方法都存在一定的局限性。

静电纺丝法无法获得与膜表面垂直的规则排列纳微米孔，只能获得方向与膜表面近似平行的杂乱排列的纳微米构成的大小不一的不规则通道。对于已有的静电纺丝法生产的纳微米薄膜虽然可以以较低成本制备较大面积的具有纳微米通道的薄膜，但纺丝的方向一般与膜的表面平行，纺丝之间排列一般为杂乱无章，形成的通道也杂乱无章，并不能得到孔道方向与膜表面垂直、孔道之间相互平行且排列较为规则的多孔纳米薄膜从而限制其应用范围。

模板法虽然可以获得与膜表面垂直纳微米孔，但是一般需要在基底上进行，薄膜与基底分离困难，限制了其应用。且由于工艺本身难以得到大面积的薄膜，成本高昂不适合工业化生产。

此外，在制备具有垂直孔道的多孔膜的技术基础上，制备具有微米级别厚度、楔形孔道的薄膜更加困难。此种薄膜不仅具有垂直孔道多孔膜的诸多优点，还具有利于扩散、控制物质的单向运动、可以应用于特定反应或单向渗透等显著优势。

目前多孔膜的制备方法还有旋涂法、冷冻法等。旋涂法无法获得与膜表面垂直的孔道，冷冻方法可以获得具有垂直楔形孔道的多孔膜，但是多孔膜厚度一般为毫米级别，最小厚度也无法小于0.8毫米。若通过打磨将厚度控制为0.8毫米以下，会使得多孔膜容易破碎，并且浪费大部分材料。本发明创造性的采用冷冻旋涂技术制备厚度为微米级别，孔道为垂直贯穿孔道的多孔薄膜，该方法操作简单，制得薄膜厚度均匀，可用来大规模制备具有垂直贯穿孔道的多孔薄膜。

发明内容

为了实现上述目的，本发明的第一方面公开了一种具有垂直贯穿孔道的多孔薄膜，所述多孔薄膜的厚度为5～800微米，优选为5～600微米，再优选为5～400微米，更优选为5～200微米，进一步优选为5～100微米，更进一步优选为20～100微米，其内部具有垂直于所述薄膜表面的贯穿孔道。

优选的，所述孔道为楔形，孔道底部横截面积小于顶部横截面积。

优选的，所述孔道底部当量直径为0.1～8微米，顶部当量直径为10～50微米。

优选的，所述多孔薄膜的材质可以选自但不限于碳材料、金属、氧化物和氢氧化物。

其中，所述碳材料包括石墨烯、活性炭。

优选的，所述多孔薄膜通过一次旋涂冷冻即成型。

本发明的第二方面公开了一种用于制备第一方面所述的多孔薄膜的旋涂冷冻装置，所述装置包括冷冻装置7和旋涂池3，其中所述冷冻装置7构造成对所述旋涂池3进行冷却，所述旋涂池3具有自转轴1，所述旋涂池3还具有物料入口6。

优选的，所述冷冻装置7为设置在所述旋涂池3上的半导体制冷片。