超憎液膜制造技术

一种具有超憎液液体接触表面的微孔气体渗透膜。本发明专利技术中，在该膜的液体接触表面上设有超憎液表面。在本发明专利技术的一实施例中，超憎液表面包括大量在基底上形成的间隔很近的微米尺度／纳米尺度的凸（凹）体。当设定压力值或其以下的液体和膜的超憎液液体接触表面接触时，液体“悬浮”在凸（凹）体的顶部，确定了液／气界面。液／气界面的面积包括超憎液表面的面积和全部微孔的总面积，和已有技术中液／气界面的面积仅取决于微孔面积的微孔膜相比，膜的气体透过率和功效得到改进。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】超憎液膜相关申请本申请要求第60/462,963号、名称为“适用于高压液体的超憎液表面”、申请日为2003年4月15日的美国临时专利申请的优先权，该申请的全部内容均被引用于此，本申请同时要求申请号尚未知、名称为“超憎液膜”、申请日为2004年4月14日的美国专利申请的优先权。
本专利技术一般涉及微孔膜，特别涉及其上具有超憎水或超憎液表面的微孔膜。
技术介绍
微孔气体渗透膜(microporous gas permeable membrane)广泛用于实现液体和气体之间的质量转移。这些膜可以是薄膜或中空纤维的形式。这种膜的一种常见的应用，例如为在实现病人体内血液循环过程中氧和二氧化碳气体交换的血氧设备中的应用。第3,794,468、4,329,729、4,374,802和4,659,549号美国专利公开了血氧设备的具体实例，这些专利的内容均被引用于此。第5,254,143号美国专利讨论了气体渗透膜的其他具体应用例，其内容也被全部引用于此。在现有技术图17中，大倍数放大显示了一例已有薄膜类微孔膜200的剖面。膜200一般包括膜体202，该膜体具有大量位于其中的微孔204。气体接触表面206在膜200的一侧面对气体208，而液体接触表面210在膜200的另一侧面对液体212。液-气界面214处于每个微孔204上，其面积一般等于微孔204的面积。-->在上述讨论的已有膜中，该已有膜的液-气界面面积限定为全部微孔204的总面积。其结果是，由于气体透过率取决于膜的液-气界面的可利用面积大小，因此，这些已有膜的气体透过率以及随之产生的功效就受到了限制。工业上需要其气体透过率和功效改进了的微孔气体渗透膜。
技术实现思路
本专利技术提供了一种具有液-气界面大于膜中全部微孔总面积的液体接触表面的微孔气体渗透膜，从而满足了工业上的需求。在本申请中，“微尺度”(microscale)一般是指小于100毫米的尺度，“纳米尺度”(nanoscale)一般是指小于100纳米的尺度。表面设计为最高达到某一设定压力值下仍保持超憎液特性。凸(凹)体应排列成使表面的以接触线米数/每平方米表面积计量的设定接触线密度等于或大于按照以下公式确定的接触线密度值“ΛL”：其中，P是设定压力值，γ是液体的表面张力，θa，0是通过实验测量出的凸(凹)体材料上液体的实际前进接触角，单位为度，ω是凸(凹)体上升角。设定压力值可以选定为大于膜所可能遇到的预期液压。当设定压力值或其以下的液体和膜的超憎液液体接触表面接触时，液体“悬浮”在凸(凹)体的顶部，使得液-气界面的面积等于超憎液表面的总面积减去全部凸(凹)体的总剖面积。从膜的气体接触表面一侧通入的气体穿过膜的微孔，进入超憎液表面的基底和液-气界面之间的凸(凹)体周围的空间。由于液-气界面的面积包括超憎液表面的面积以及全部微孔的总面积，所以膜的气体透过率和功效比起液-气界面面积仅为微孔面积的已有膜来说得到大大改进。一般来说，要想使超憎液表面的液-气界面可利用面积最大化，进而使膜的气体透过率和功效达到最大，就需要在将设定压力值维持在膜受到最大预期压力时仍足以有超憎液特性的水平的同时，使表面的接触线密度达到最小。-->凸(凹)体可以形成于基底材料本身中或基底材料本身之上，或者形成于基底表面上的一层或多层材料中。这些凸(凹)体可以是任何规则或不规则形状的三维实心或空心体，并且可以按任何规则的几何形状排列或者随机排列。可以使用光刻工艺，或者使用纳米加工、微冲压、微接触印刷、自组装金属胶体单分子膜、原子力微复制纳米加工、溶胶-凝胶模制法、自组装单分子膜定向图案化工艺、化学蚀刻、溶胶-凝胶冲压法、胶体墨水印刷法形成，或者通过在基底上排列一层平行纳米碳管的方法形成。本专利技术还包括液压最高达到设定压力值时其表面具有超憎液特性的微孔气体渗透膜的制造方法。该方法包括以下步骤：选择凸(凹)体上升角；根据以下公式确定临界接触线密度“ΛL”：其中，P是设定压力值，γ是液体的表面张力，θa，0是通过实验测量出的凸(凹)体材料上液体的实际前进接触角，单位为度，ω是凸(凹)体上升角；提供具有表面部分的载体；以及在表面部分形成大量凸起的凸出体，使表面的实际接触线密度等于或大于临界接触线密度。另外，通常最好在将设定压力值维持在膜受到最大预期压力时仍足以有超憎液特性的水平的同时，使表面的接触线密度达到最小，从而使液-气界面的可利用面积最大。上述方法还包括根据以下公式确定临界凸(凹)体高度值Zc(米)的步骤：其中，d是相邻凸(凹)体之间的距离(米)，θa，0是表面液体的实际前进接触角(度)，ω是凸(凹)体上升角(度)。附图说明图1A是本专利技术的薄膜的大倍数放大的剖视图；-->图1B是本专利技术的中空纤维膜的大倍数放大的剖视图；图1是超憎液表面大量纳米/微米尺度的凸(凹)体排列成矩形阵列的大倍数放大的透视图；图2是图1中表面部分的俯视图；图3是图2中表面部分的侧视图；图4是本专利技术一实施例中凸(凹)体排列成六边形阵列的局部俯视图；图5是图4所示实施例的侧视图；图6是悬浮于凸(凹)体之间的液体挠曲的侧视图；图7是显示大量液体悬浮在凸(凹)体顶部的侧视图；图8是显示凸(凹)体之间的空间底部和液体接触的侧视图；图9是本专利技术另一实施例中凸(凹)体上升角为锐角的单个凸(凹)体的侧视图；图10是本专利技术另一实施例中凸(凹)体上升角为钝角的单个凸(凹)体的侧视图；图11是本专利技术另一实施例中凸(凹)体为圆柱形、且排列成矩形阵列的局部俯视图；图12是图11所示实施例的侧视图；图13列出了各种凸(凹)体形状和排列方式所对应的接触线密度计算公式表；图14是本专利技术另一实施例的侧视图；图15是图14所示实施例的俯视图；图16是本专利技术另一实施例中单个凸(凹)体的俯视图；图17是现有技术薄膜类微孔膜的大倍数放大的剖视图。-->具体实施方式抵抗液体润湿的表面，如果该液体是水，可以称为憎水表面，如果是其他液体，可以称为憎液表面。如果表面抗润湿达到以下一个或全部特征，该表面一般可称为超憎水或超憎液表面：液滴与表面的前进接触角很大(约大于120度)且接触角滞后值小(约小于20度)；表面保留液滴的特性具有显著减小的趋势；或者当表面完全浸没在液体中时表面存在液-气-固界面。在本申请中，术语“超憎液”通常是指超憎水表面和超憎液表面。这里使用的术语“微孔膜”是指其中具有直径为大约之间的孔的膜。参照图1A，其为本专利技术一实施例的微孔气体渗透薄膜100的大倍数放大的剖视图。膜100一般包括膜体102，该膜体由其中具有大量微孔104的聚合材料制成。微孔104的直径较佳为约0.005μm-100μm，最佳为约0.01μm-50μm。在膜100的面对气体107的一侧具有气体接触表面106，在面对液体109的一侧具有液体接触表面108。本专利技术中，在液体接触表面106上形成超憎液表面20。图1B显示了另一实施例的中空纤维形式的微孔气体渗透薄膜110。膜110一般包括由其内具有大量微孔114的聚合材料制成的管状膜体112。膜110在其面对气体120的外表面118上具有气体接触表面116，在面对液体126的内表面124上具有液体接触表面122。本专利技术中，在液体接触表面116上形成超憎液表面20。应该知道，气体接触表本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微孔膜，其特征是包括：膜体部分，其中具有大量微孔，该膜体部分具有液体接触表面和相对的气体接触表面，上述液体接触表面具有超憎液表面，包括具有大量形状实质上相同的凸（凹）体的基底，每个凸（凹）体具有相对基底的相同凸（凹）体上升角，该 凸（凹）体的位置使超憎液表面的以接触线米数／每平方米表面积计量的接触线密度等于或大于按以下公式确定的接触线密度值“Λ↓［Ｌ］”，：Λ↓［Ｌ］＝－Ｐ／γｃｏｓ（θ↓［ａ，０］＋ω－９０°）其中，γ是和上述表面接触的液体的表面张 力，单位为牛顿／米，θ↓［ａ，０］是通过实验测量出的凸（凹）体材料上液体的实际前进接触角，单位为度，ω是凸（凹）体上升角，单位为度，Ｐ是设定液压值，单位为千克／米，当液压最高达到且包括设定压力值的液体和超憎液表面接触时，液体确定一个与基底分隔开的液－气界面。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2003-4-15 60/462,963;US 2004-4-14 10/824,3401.一种微孔膜，其特征是包括：膜体部分，其中具有大量微孔，该膜体部分具有液体接触表面和相对的气体接触表面，上述液体接触表面具有超憎液表面，包括具有大量形状实质上相同的凸(凹)体的基底，每个凸(凹)体具有相对基底的相同凸(凹)体上升角，该凸(凹)体的位置使超憎液表面的以接触线米数/每平方米表面积计量的接触线密度等于或大于按以下公式确定的接触线密度值“ΛL”，：其中，γ是和上述表面接触的液体的表面张力，单位为牛顿/米，θa，0是通过实验测量出的凸(凹)体材料上液体的实际前进接触角，单位为度，ω是凸(凹)体上升角，单位为度，P是设定液压值，单位为千克/米，当液压最高达到且包括设定压力值的液体和超憎液表面接触时，液体确定一个与基底分隔开的液-气界面。2.根据权利要求1所述的膜，其特征是该膜为薄膜。3.根据权利要求1所述的膜，其特征是该膜为纤维。4.根据权利要求1所述的膜，其特征是上述凸(凹)体是凸出体。5.根据权利要求4所述的膜，其特征是上述凸(凹)体是多面体形状。6.根据权利要求4所述的膜，其特征是每一凸(凹)体具有一般为正方形的横截面。7.根据权利要求4所述的膜，其特征是上述凸(凹)体是圆柱形或椭圆柱形。8.根据权利要求1所述的膜，其特征是上述凸(凹)体排列成实质上统一的阵列。9.根据权利要求8所述的膜，其特征是上述凸(凹)体排列成矩形阵列。10.根据权利要求1所述的膜，其特征是上述凸(凹)体具有相对基底部分的实质上统一的高度，并且该凸(凹)体高度大于按以下公式确定的临界凸(凹)体高度“Zc”：其中d是相邻凸(凹)体间的距离，单位为米，θa，0是通过实验测量出的凸(凹)体材料上液体的实际前进接触角，单位为度，ω是凸(凹)体上升角，单位为度。11.一种制造具有超憎液液体接触表面的微孔膜的方法，其特征是该方法包括：提供具有膜体部分的微孔膜，该膜体部分内部具有大量微孔，并且该膜体部分具有第一表面；以及在上述第一表面上形成超憎液液体接触表面，该超憎液表面包括具有大量形状实质上相同的凸(凹)体的基底，每个凸(凹)体具有相对基底的相同凸(凹)体上升角，这些凸(凹)体排列成使上述超憎液表面的以接触线米数/每平方米表面积计量的接触线密度等于或大于按以下公式确定的接触线密度值“Λ...

【专利技术属性】
技术研发人员：查尔斯W艾克斯川德，
申请(专利权)人：安堤格里斯公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]