具有纳米级图案的滤膜制造技术

一种用于流体输送的膜包括：基膜和由相容材料形成的图案，该图案覆盖基膜表面的工作区域。该图案具有不超过1微米的周期性和/或振幅。一种用于从溶液中过滤组分的方法，包括将包括组分的溶液通过包括基膜的膜。基膜和覆盖其表面的工作区域的图案由与溶液相容的材料形成。该图案具有不超过1微米的周期性和/或振幅，且减少了表面积聚的可溶的和/或悬浮的物质和颗粒从所述溶液到膜的质量转移，同时所述溶液通过膜。一种制备用于流体输送的膜的方法，包括在聚合物膜的工作区域上形成纳米级图案。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利说明】具有纳米级图案的滤膜
技术介绍
聚合物膜在压力驱动的分离技术中已经获得重要地位并且用于广泛的应用。因为它 们控制化学物质通过材料的渗透，所以它们在各种技术工艺中起着重要的作用。尽管具有 所有的这些优点，然而这些膜的连续操作受到在膜表面处、孔内或孔壁处的污染（fouling) 现象（例如，剩留颗粒、胶体、高分子、盐等的沉积）的阻碍，导致在渗透/通量上从初始速 率的减小。 污染开始是"浓差极化"的形式，其中，滤除成分的浓缩物积累在膜表面的附近。这可以 增大跨膜的有效渗透压，引起高分子的凝胶层，导致难溶态盐的沉降，或者在膜表面附近开 始颗粒饼的沉积。在其最早阶段中，污染是可逆的，这是由于最初的渗透/通量通常 可以通过停止过滤或者执行光冲洗（例如，施加背压）而被还原。由于滤除物的浓度增加， 故膜变得更粘着地被污染，导致更加难以反转的通量下降（其要求更复杂的清洗以反转）， 且实际上可以变成不可逆的。当通量下降发生时，随着饼/污染层施加称为"滤饼阻力"的 另外的阻力，水阻力增大。为了解决污染，不同类型的预处理和清洗方案已经通过特 定加工行业被开发和使用。通常，由于如前文所提到的不可逆的成分，故通量下降增大了能 耗（例如，为了保持定向的流体通量）且限制了膜的使用寿命。因此，在膜技术的领 域中已经采用很多工作来减少污染。 伴随污染的膜分离工艺主要是表面现象。改性膜的表面已经进行大量的研宄，以 减少污染。在这些工作中，许多目的在于改变表面能，例如，增大膜的亲水性，这是由于污染 物被怀疑有助于疏水表面上的吸附。已经利用多种表面活性剂和聚合物的吸附来增大 膜的亲水性。此外，关于将基于聚乙烯醇（PVA)和聚乙二醇（PEG)的聚合物涂覆到 膜表面上已经进行了大量的工作。基于PEG的聚合物和甲基丙烯酸羟乙酯的表面 接枝是修饰膜表面的常用技术。另外，使用C0 2、N2、02和UV的多种等离子体处理 已经被用来增大膜表面的亲水性。然而，所有这些工艺的广泛应用已经受到限制， 这是由于许多工艺在危险条件下完成。另外，接枝和涂覆倾向于暂时的，并且这些技术中的 大部分技术在工业规模上进行是昂贵的。
技术实现思路
本专利技术解决了多个前述挑战，其提供了用于流体输送的膜，包括通过纳米刻蚀所形成 的图案且具有周期性和振幅的特征，该特征发挥抵抗污染的作用。本专利技术的膜可以是滤膜。 滤膜包括适于纳米过滤、超滤、微滤和反渗透的膜。 本专利技术还提供了一种膜，该膜在膜的表面上包括凸起的部分或凹陷的部分以形成形 状，其中，在这些形状之间的谷的深度或振幅在50nm和500nm之间。在一些实施方式中，这 些形状被布置成具有在l〇nm和1500nm之间或者在400nm和lOOOnm之间的周期性。在另 一些实施方式中，这些形状被布置成具有约834nm的周期性。 在膜的一些实施方式中，振幅在l〇nm和300nm之间。在另一些实施方式中，振幅是约 200nm。在一些实施方式中，在形状之间的空间或者谷具有在200nm和800nm之间的宽度或 者在300nm和600nm之间的宽度。在另一些实施方式中，谷是约400nm的宽度。 在膜的一些实施方式中，膜具有在0. lkDa和lOOOkDa之间的截留分子量（MWCO)。在另 一些实施方式中，膜包括聚醚砜。 本专利技术提供了使用本文描述的膜从流体过滤组分的方法。流体可以是液体或气体。在 一些实施方式中，液体是极性溶剂。 在一些实施方式中，本专利技术提供了一种从水溶液过滤组分的方法，该方法包括使包 括所述组分的水溶液穿过本文描述的膜。在一些实施方式中，所述组分具有在〇. lkDa和 lOOOkDa之间的分子量。在另一些实施方式中，过滤在室温下进行。室温可以是约21°C。 在过滤方法的一些实施方式中，过滤在6psi和51psi的压力下进行。在另一些实施方 式中，过滤在亚临界通量下进行。在【具体实施方式】中，当组分按直径计具有250nm的平均粒 径时，临界通量是大于40L ? nT2 ? 1T1或者在40L ? nT2 ? 1T1和60L ? nT2 ? 1T1之间。在一些实 施方式中，在上述参数下，膜具有约400nm的谷深度。 在【具体实施方式】中，当组分按直径算具有500nm的平均粒径时，临界通量是大于 60L ? m_2 ? h-1或者在60L ? m_2 ? h-1和90L ? m_2 ? h-1之间。在一些实施方式中，在上述参数 下，膜具有约400nm的谷深度。 本专利技术还提供了本文描述的制膜方法，包括纳米压印刻蚀技术（NIL)。NIL可以是热压 花NIL或者步进-闪光NIL。 在本文描述的制膜方法的一些实施方式中，热压花NIL包括：提供膜；在约3MPa至 7MPa的压力下，在刚性模具中对膜加压；将膜加热到可以高于或低于膜的玻璃化转变温度 的温度；将膜冷却到低于膜的玻璃化转变温度的温度；以及将膜与模具分离；由此制备本 文描述的膜。 在制备本文描述的膜的方法的另一实施方式中，热压花NIL包括：提供膜；在约3MPa 至7MPa的压力下，在刚性模具中对膜加压；将膜加热到在100°C和150°C之间的温度；将膜 冷却到低于膜的玻璃化转变温度的温度；以及将膜与模具分离；由此制备本文描述的膜。 在制备本文描述的膜的方法的一些实施方式中，刚性模具由硅、聚合物、金属、玻璃、陶 瓷、复合材料或其组合制成。在一些实施方式中，加压步骤在约4MPa的压力下进行。在另 一些实施方式中，在加热步骤期间，膜被加热到约120 °C的温度。在一些实施方式中，加热和 加压步骤进行约180秒，而在另一些实施方式中，对于高通量加热和加压步骤进行较短的 时间。在另一些实施方式中，在膜与模具分离之前，膜被冷却到约40°C的温度。 在特定实施方式中，在上述方法中所描述和所用的膜是超滤膜。 在一个实施方式中，用于流体输送的膜包括：具有第一表面和与第一表面相对的第二 表面的基膜，和由与基膜相容的材料形成的图案，该图案覆盖第一表面的工作区域，图案形 成具有尺寸不超过1微米的周期性和振幅的特征。 在一个实施方式中，从溶液中过滤组分的方法包括：使包括组分的溶液穿过膜。膜包括 具有第一表面和与第一表面相对的第二表面的基膜。基膜包括与该溶液相容的材料、和包 括与基膜和溶液相容的材料的图案，其覆盖第一表面的工作区域。图案形成具有尺寸不超 过1微米的周期性和振幅的特征。图案减少了表面积聚的可溶的和/或悬浮的物质和颗粒 从溶液到膜的质量转移，同时溶液通过膜，这与表面积聚的可溶的和/或悬浮物质和颗粒 从溶液到没有图案的基膜的质量转移相反。 在一个实施方式中，制备用于流体输送的膜的方法包括：在聚合物膜的工作区域上，形 成纳米级图案。 【附图说明】 图1A示出原始膜的地形AFM(原子力显微镜）图像。 图1B示出根据实施方式的图案化膜的地形AFM图像。 图1C示出图1B的图案化膜的横截面FE-SEM(场发射扫描电子显微镜）图像。 图1D示出图1A的原始膜的横截面FE-SEM图像。 图1E是示出图1A的原始膜的三个轮廓的线形图。 图1F是示出图1B的图案化膜的三个轮廓的线形图。 图2是根据实施方式的用于评价滤膜的实验装置的示意图。 图3是示出根据实施方式的对于原始膜和图案化膜在施加的跨膜本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于流体输送的膜，包括：基膜，所述基膜具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，和由与所述基膜相容的材料制成的图案，所述图案覆盖所述第一表面的工作区域，所述图案形成具有尺寸不超过1微米的周期性和振幅的特征。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁遗福，萨贾德·马鲁夫，约翰·佩莱格里诺，艾伦·格林伯格，
申请(专利权)人：科罗拉多大学董事会，法人团体，
类型：发明
国别省市：美国;US