自组装表面活性剂结构制造技术

基于稳定化的表面活性剂的膜及其制造方法。包含多孔支持体上的稳定化的表面活性剂介观结构的膜可以用于多种分离，包括反向渗透和正向渗透。这些膜在溶剂蒸发之后稳定化；在一些实施方案中不需要移除表面活性剂。表面活性剂溶液可以包含也可以不包含亲水化合物如酸或碱。优选改性多孔支持体的表面，之后形成稳定化的表面活性剂介观结构。这些膜足够稳定以在商业分离器件如螺旋缠绕模块中采用。

Structure of Self-assembled Surfactants

Membranes based on stabilized surfactants and their manufacturing methods. Membranes containing stabilized surfactant mesostructures on porous supports can be used for a variety of separation, including reverse osmosis and forward osmosis. These membranes are stabilized after solvent evaporation; surfactants need not be removed in some implementations. Surfactant solutions may or may not contain hydrophilic compounds such as acids or bases. The surface of the porous support was optimized to form a stable mesoscopic structure of surfactant. These membranes are stable enough to be used in commercial separation devices such as spiral wound modules.

【技术实现步骤摘要】
自组装表面活性剂结构本申请是申请日为2011年05月23日、国际申请号PCT/US2011/037605、国家申请号201180035651.9且专利技术名称为“自组装表面活性剂结构”的之分案申请。相关申请的交叉引用本申请要求2010年5月21日提交的题为“经由物理限制的分等级和/或多尺度材料自组装(SelfAssemblyofHierarchicaland/orMultiscaleMaterialsViaPhysicalConfinement)”的美国临时专利申请系列号61/347,317和2010年11月19日提交的题为“独立式分等级自组装膜(FreeStandingHeirarchicallySelfAssembledFilms)”的美国临时专利申请系列号61/415,761的优先权和申请的权益。它们的说明书和权利要求通过引用结合在此。专利技术背景
本专利技术的实施方案采用仿生多尺度自组装体和材料，如从其制造的膜，其使用批次和自动化制造以不同构造制造，以能够进行水性分离和溶质的浓缩。本专利技术的实施方案还涉及多尺度自组装的方法和从其制成的材料，其中表面活性剂介观结构优选同时自组装并且通过两个以上不连续表面之间的物理限制和/或通过在两个以上侧上的物理限制结合有一种或多种材料。
技术介绍
应注意以下讨论可以参考一个或多个作者的多个出版物和公开的年份，并且归因于较近的公开日期，某些出版物不被认为是相对于本专利技术的现有技术。本文给出这些出版物的讨论用于使专利技术背景更完善，而不解释为承认这种出版物是用于可专利性判断目的的现有技术。膜用于分离离子、分子和胶体。例如，超滤膜可以用于从2k道尔顿以上的胶体分离水和分子；离子交换膜可以用于分离阳离子和阴离子；并且薄膜复合膜可以用于从水分离盐。这些膜都使用相同的分离物理学。膜对特定一类或多类离子、分子、胶体和/或粒子的渗透率比另一类或多类的离子、分子、胶体和/或粒子小得多。例如，超滤膜具有防止特定尺寸的分子和粒子的跨越的特定尺寸的孔。该技术被认为是尺寸排阻。反向渗透膜使用溶解度差别分离分子。在典型的薄膜复合膜中，水比氯化钠溶解度大三个数量级。结果是水分子相对盐离子的优选性＞100∶1的材料。实际上，该材料通过阻止99.7％的氯化钠而过滤水。对于大部分分离膜，膜的渗透率定义为给定的时间段内通过膜的溶剂通量与膜的面积和施加于膜的压力的比例。下面是控制通过膜的通量的公式通量＝P·(ΔP-Δπ)其中ΔP是跨越膜的压力，Δπ是越过膜的渗透压力并且P是膜渗透率。膜的渗透率是膜结构参数的函数。结构参数是其中S是结构参数，τ是曲率，t是厚度，并且ε是膜的孔隙率。曲率定义为通过该材料的两个点之间的距离与两个点之间的最小距离的比例。因为结构参数正比于膜的渗透率，曲率正比于渗透率。在很多构造中使用用于分离的膜。对于反向渗透(RO)和正向渗透(FO)应用，它们通常配置为螺旋缠绕构造，其中将膜卷绕在空心芯周围。水从芯流入膜封套中并且之后流回芯中。对于压力延缓渗透(PRO)，膜也可以是螺旋缠绕构造。在PRO中，水在压力下流入膜封套中，并且越过膜的渗透梯度将更多的水拉入膜封套中。也可以将用于RO、FO和PRO的膜构造为中空纤维。在中空纤维中，制造了空心多孔圆柱膜。水切向流至膜表面并且纤维中的孔使得能够分离。膜也可以制造为典型地用于蛋白质，病毒，细菌，糖和其他生物材料的浓缩的滤筒。这些膜可以放入使得能够容易地浓缩溶质的盒中。对于氯碱工艺、蓄电池和燃料电池，阳极和阴极由电解质分隔。该电解质传导阳离子或阴离子并且阻挡电子、阳极液和/或阴极电解液。在一些器件中，电解质是离子交换膜。典型地，离子交换膜将允许阳离子或者阴离子但不是两者通过。离子交换膜可以配置为允许单价和二价离子两者通过或者仅单价离子通过。不希望的溶质跨电解质液的输送被认为是膜交换(MembraneCrossover)。膜交换在阳极和/或阴极建立过电势，并且降低电池的电流效率。膜交换是很多器件如直接甲醇燃料电池、直接乙醇燃料电池、钒氧化还原蓄电池、铁铬蓄电池、流蓄电池等中的限制因素。在生物学中，水驱动称为脂质的一类表面活性剂在水中自组装，产生充当向细胞中扩散的扩散阻档物的脂质双分子层。测量了模型电池膜对水和多种低分子量溶质的渗透率。脂质双分子层的选择性的典型测量在水悬浮液中利用渗透(又称正向渗透)进行。同样，这些实验的结果显示脂质双分子层具有比商业渗透(又称正向渗透)膜更大的渗透率。模型电池膜是通过水自组装为称为泡囊的结构的磷脂。磷脂具有亲水头基团和疏水的两个脂肪酸尾。泡囊是直径在30nm至20,000nm之间的球形、空心脂质双分子层。脂质双分子层对泡囊内含有的水的体积建立物理阻挡物。典型的渗透率实验由两个步骤组成。第一步是改变含有泡囊的水溶液中溶质的渗透强度。第二步是测量溶质和/或溶剂越过脂质双分子层进入或离开泡囊的扩散。该实验类似于其中通过使用高度浓缩的盐水溶液的膜萃取水的正向渗透工业过程。这些实验的结果显示双分子层的疏水芯分离不同的低分子量化合物。一个机制是由双分子层中的脂质与双分子层的疏水芯之间的间隙建立的亚纳米多孔性，使得能够具有对于水、质子、不带电荷的低于100分子量的有机物和离子按以上顺序的优先选择性。同样，双分子层的分子结构中的起伏使得能够比预期更快地输送水和质子。此外，这些实验表明通过所使用的脂质的化学结构对选择性的控制。尤其是，脂质双分子层的分离特性依赖于脂质的脂肪酸尾的长度。
技术实现思路
本专利技术的一个实施方案包括一种膜，所述膜包含结合于多孔支持体的表面的稳定化的表面活性剂介观结构。所述稳定化的表面活性剂介观结构优选用保持表面活性剂分子的排列的材料稳定化。所述材料任选地是多孔的并且所述稳定化的表面活性剂介观结构任选地包含与包含所述多孔材料的薄片交替的薄片。备选地，所述材料任选地是非多孔的并且所述稳定化的表面活性剂介观结构任选地包含六角堆积柱，所述六角堆积柱包含成圆形排列的表面活性剂分子，所述柱的每一个基本上被所述非多孔材料环绕。所述膜优选还包含设置在所述稳定化的表面活性剂介观结构与所述表面之间的用于保持所述稳定化的表面活性剂介观结构中的表面活性剂与所述表面之间的氢键网络的材料。所述材料优选包括选自由以下各项组成的组的材料：硅烷、有机物、无机物、金属、金属氧化物、烷基硅烷、钙和二氧化硅。在所述稳定化的表面活性剂介观结构结合到所述表面之前优选将所述表面氧化、熔化和再凝固；在这种情况下所述再凝固表面处的平均孔径优选小于所述多孔支持体的主体中的平均孔径。所述多孔支持体的孔径优选足够小以防止所述稳定化的表面活性剂介观结构的前体溶液在稳定化的表面活性剂介观结构的形成之前完全渗入所述支持体。所述膜任选地还包含设置在所述多孔支持体与所述表面相反的一侧上的另外的多孔结构，用于机械或化学稳定化所述多孔支持体。所述稳定化的表面活性剂介观结构任选地包含输送体。所述膜任选地包含第二多孔支持体，其中所述稳定化的表面活性剂介观结构夹在所述多孔支持体与所述第二多孔支持体之间。所述膜优选具有小于大约1.09的曲率。所述稳定化的表面活性剂介观结构优选具有大约0.3埃至大约4nm的孔径。所述膜优选具有大于大约1％的孔隙率。所述多孔支持体优选包含塑料和/或纤维素。所述多本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种膜，所述膜包含结合于多孔支持体的表面的稳定化的表面活性剂介观结构。

【技术特征摘要】
2010.05.21 US 61/347,317;2010.11.19 US 61/415,7611.一种膜，所述膜包含结合于多孔支持体的表面的稳定化的表面活性剂介观结构。2.权利要求1所述的膜，其中所述稳定化的表面活性剂介观结构用保持表面活性剂分子的排列的材料稳定化。3.权利要求2所述的膜，其中所述材料是多孔的并且所述稳定化的表面活性剂介观结构包含与包含所述多孔材料的薄片交替的薄片。4.权利要求2所述的膜，其中所述材料是非多孔的并且所述稳定化的表面活性剂介观结构包含六角堆积柱，所述六角堆积柱包含成圆形排列的表面活性剂分子，所述柱的每一个基本上被所述非多孔材料环绕。5.权利要求1所述的膜，所述膜还包含设置在所述稳定化的表面活性剂介观结构与所述表面之间的、用于保持所述稳定化的表面活性剂介观结构中的表面活性剂与所述表面之间的氢键网络的材料。6.权利要求5所述的膜，其中所述材料包括选自由以下各项组成的组的材料：硅烷、有机物、无机物、金属、金属氧化物、烷基硅烷、钙和二氧化硅。7.权利要求1所述的膜，其中在所述稳定化的表面活性剂介观结构结合在所述表面之前，所述表面已经被氧化、熔化和再凝固。8.权利要求7所述的膜，其中所述再凝固表面处的平均孔径小于所述多孔支持体的主体中的平均孔径。9.权利要求1所述的膜，其中所述多孔支持体的孔径足够小以防止所述稳定化的表面活性剂介观结构的前体溶液在稳定化的表面活性剂介观结构的形成之前完全渗入所述支持体。10.权利要求1所述的膜，所述膜还包含设置在所述多孔支持体的所述表面相反的一侧上的另外的多孔结构，用于机械或化学稳定化所述多孔支持体。11.权利要求1所述的膜，其中所述稳定化的表面活性剂介观结构包含输送体。12.权利要求1所述的膜，所述膜还包含第二多孔支持体，其中所述稳定化的表面活性剂介观结构夹在所述多孔支持体与所述第二多孔支持体之间。13.权利要求1所述的膜，所述膜具有小于大约1.09的曲率。14.权利要求1所述的膜，其中所述稳定化的表面活性剂介观结构具有大约0.3埃至大约4nm的孔径。15.权利要求1所述的膜，所述膜具有大于大约1％的孔隙率。16.权利要求1所述的膜，其中所述多孔支持体包含塑料和/或纤维素。17.权利要求1所述的膜，其中所述多孔支持体机械地稳定化所述稳定化的表面活性剂介观结构。18.权利要求1所述的膜，所述膜还包含结合于所述多孔支持体的所述表面相反一侧的第二稳定化的表面活性剂介观结构。19.权利要求1所述的膜，所述膜与其他权利要求1所述的膜层叠，从而形成多层膜。20.权利要求1所述的膜，其中所述稳定化的表面活性剂介观结构的表面被改性。21.权利要求1所述的膜，所述膜包含离子交换膜和/或气体扩散层，所述膜包含膜电极组件或电解质。22.一种用于制备膜的方法，所述方法包括：将多孔支持体的表面改性；用第一溶剂湿润所改性的表面；将溶液放置在所湿润的表面上，所述溶液包含至少一种表面活性剂和至少一种第二溶剂，其中所述至少一种表面活性剂在所述溶液中的分散相中；将所述溶液限制在两个以上限制表面之间；和将所述一种或多种表面活性剂稳定化以在所述多孔支持体的表面上形成稳定化的表面活性剂介观结构。23.权利要求22所述的方法，其中所述第一溶剂和/或所述第二溶...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿德里安·布罗曾尔，
申请(专利权)人：Z纳米有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US