本发明专利技术提供了适用于微滤、超滤（ＵＦ）和纳米过滤（ＮＦ）的过滤器的膜。这种膜可以包括任选与非织造衬底和／或聚合物以及官能化纳米填料的涂层相结合的纳米纤维骨架。在包括非织造膜、纳米纤维骨架或者以上两者的衬底上，适当的膜还可以包括聚合物和官能化纳米填料的涂层。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】政府权利本专利技术是在美国政府机关海军科研补助金(U.S.Office of NavalResearch Grant)N000140310932的政府支持下进行的。在本专利技术中，政府享有某些权利。有关申请的前后参照本申请要求2004年10月6日提出的美国临时专利申请60/616,592号和2004年12月7日提出的美国临时专利申请60/633,987号的效益，每份申请的全部公开内容以引用方式并入本文。
技术介绍
超滤(UF)是一种水净化的技术，其通过将溶液通过精细过滤器，以尺寸为基础分离溶解的分子。通常超滤器是保留大分子和/或包括胶体、微生物和焦精的超过一定尺寸的粒子的坚韧的、薄的、选择性渗透膜。因此，UF提供了富于大分子和/或粒子的保留部分(渗余物)以及含有少量(如果有)这些分子和/或粒子的滤出液。当前技术水平的超滤技术利用陶瓷微滤器或者穿孔中空纤维。这些过滤系统的问题包括膜污垢和膜成本，这些是形成高成本和低效率流体处理的原因，流体例如水，其包括舱底污水(在船的舱底中收集和淤塞的水)和制备水(被认为是油和气的污染物的在烃的制备过程中产生的水)。污垢的征兆为过滤过程中膜渗透性的逐渐阻塞不可避免的后果。污垢率是许多变量的函数，例如膜的表面特性、膜的表面与体积的比、流速、渗透浓度、过滤温度以及进料和渗余物流的特性。现在，市售聚合膜系统主要可以分类为三种不同的类型(1)中空纤维过滤器(hollow fiber filters)；(2)管式过滤器(tubular filters)；以及(3)螺旋缠绕式过滤器(spiral wound filters)。中空纤维过滤器包括内径约1mm的束状中空纤维。这种过滤系统的优点在于其低成本、物理强度和轻质量。该系统的缺点在于易于阻塞、纤维断裂，并且更易受化学和生物腐蚀。管式过滤器由内径约1cm的单独的管组成。其不易阻塞但是会遭受化学和生物腐蚀。管式过滤器的低填充密度也导致了低过滤效率。螺旋缠绕式过滤器包括卷起的带有支持垫板的片膜。其具有成本较低的优点，并且重量轻，但是其也易受化学和生物腐蚀。对于可适用于膜应用的聚合物的研究正在开展。许多例如乙酸纤维素、聚丙烯腈(PAN)、聚醚砜(PES)、聚酰胺和聚偏二氟乙烯(PVDF)的聚合物系统已用于常规的超滤和纳米过滤膜。通常，对于获得良好的过滤特性，单独的均聚合物系统是不充分的。例如共聚合、聚合物接枝和交联的化学改性，以及例如已经被用于改进对于如舱底污水的水过滤的亲水性性和生物功能的聚合物共混的物理改性。目前，一些研究团体已经在探究用于膜应用的新材料系统。这些系统包括基于PVDF的两亲接枝共聚物、聚(聚(TMSP))、溶致溶液晶组装(lyotropic liquid crystal assembly)、离子选择纳米结构超分子膜、中空螺旋型分子以及包含亲水性的聚(甲基丙烯酸-2-二甲基氨基乙酯)(PDMAEMA)和疏水性的聚(甲基丙烯酸-1，1’-二氢全氟辛酯)(PFOMA)或者聚(甲基丙烯酸-1，1，2，2-四氢全氟辛酯)(PTAN)共的共聚合物。低成本过滤器(例如，聚合中空纤维和螺旋缠绕膜)的高污垢率需要这些过滤器的频繁置换，导致相应的高的操作成本。高成本陶瓷过滤器，虽然能够克服低成本聚合过滤器的部分缺点，但是不能充分应对这些挑战。因此，需要成本较低且在较高的流速下具有较低污垢的用于超滤系统中的改进的过滤器。
技术实现思路
本公开提供了包括具有涂层的衬底的制品。该涂层包含与至少一种直径从约0.3nm至约300nm的纳米填料相结合的聚合物。在一些实施方案中，衬底可以包括由直径从约1nm至约20,000nm的纤维制成的纳米纤维骨架。本公开还提供了包括由直径从约1nm至约20,000nm的纤维制成的纳米纤维骨架的制品。该骨架具有有效直径为约2nm至约200μm且厚度为约1μm至约500μm的空隙。本专利技术还提供了包括衬底、纳米纤维骨架和在应用了衬底的该纳米纤维骨架的相对表面上的涂层的制品，所述纳米纤维骨架由应用于衬底表面上的直径为约1nm至约20,000nm的纤维制成骨架，所述衬底包含与至少一种直径范围为约1nm至约100nm的官能化纳米填料相结合的聚合物骨架。最后，本专利技术提供了包括具有底面和顶面的不对称纳米纤维骨架层的制品，组成纳米纤维骨架底面的纤维直径为约300nm至约10,000nm骨架，以及组成纳米纤维骨架顶面的纤维直径为从约10nm至约500nm骨架，其中组成纳米纤维骨架底面的纤维直径大于组成纳米纤维骨架顶面的纤维直径。附图说明下文将参照附图对本公开的多种实施方案进行描述。图1为本公开的三层复合超滤(UF)过滤膜的示意图(图1A)以及电纺丝PVA衬底的代表性SEM图像(图1B)；图2为显示本公开的高通量低污垢过滤膜的通用结构的示意图(图的左侧)以及应用于膜组合的各种成分的SEM图像(图的右侧)；图3为显示在本公开的纳米纤维膜和市售UF膜之间的通量比较关系图，以及本公开的UF膜的中间层的SEM图像；图4提供了使用6wt％的聚丙烯腈(PAN)以制备用于形成本公开的膜的电纺丝层的双涂层的表面特征的SEM图像；图5显示了与市售超滤膜(底部)相比，本公开的复合膜(顶部)的通量曲线图；图6为用于制备接枝聚乙二醇的脱乙酰壳多糖(PEG-g-CHN)共聚物的合成方案图表，其可以作为本公开的膜中的涂层使用；图7为PVA纤维直径的频数分布；图8为描述戊二醛(GA)浓度对在室温下丙酮中交联PVA纤维膜12小时的影响的曲线图；图9为描述每克在不同GA浓度下交联的电纺丝PVA衬底的水吸收曲线图； 图10为描述电纺丝纳米纤维衬底的应力-应变曲线的曲线图；图11为交联电纺丝PVA衬底的SEM图像；图12包括复合膜的典型SEM横截面图像图12A为涂敷了纯PEBAX的电纺丝PVA；图12B为涂敷了10wt％的MWNT/PVA水凝胶纳米复合材料的电纺丝PVA；图12C为在图12B(圈出的区域)中涂层的放大图像；图13为描述在油/水乳液中的亲水性复合膜的水通量性能的曲线图；图14为氧化MWNT的表面结构的示意图(氧化区域被遮盖，其随机分布于MWNT表面上)；图15为具有不同的分子量但是水解度相似的电纺丝PVA膜的SEM图像图15A为水解98％，Mw13,000～23,000g/mol(电纺丝来自24wt％溶液)；图15B为水解98％，Mw78,000g/mol(来自11wt％溶液)；图15C为水解98～99％，Mw85,000～124,000g/mol(来自9wt％溶液)；图16显示了在与分子量不同但水解度相似的样品交联之前，电纺丝PVA纳米纤维骨架的应力伸长曲线图16A为水解98％，LMw；图16B为水解98％，MMw；图16C为水解98～99％，HMw；图17显示了基于具有不同水解度的高分子量样品(85,000～124,000g/mol)的电纺丝PVA骨架的典型的SEM图像(用于电纺的溶液浓度为10wt％)图17A为88～89％；图17B为96％；图17C为98～99％； 图18显示了基于具有不同水解度的高分子量样品(85,000～124,000g/mol)的电纺丝PVA骨架的应力伸长曲线图18A为88～89％；图18B为96％；图18C为98～99％；图本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种制品，该制品包括： 衬底；以及 在所述衬底上的涂层，该涂层包含与至少一种直径为约０．３ｎｍ至约３００ｎｍ的纳米填料结合的聚合物。
【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：本杰明朱，本杰明S肖，房杜飞，金光锡，
申请(专利权)人：纽约州立大学研究基金会，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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