納米多孔性有機(jī)-無(wú)機(jī)混合膜及其制備方法以及納米多孔性分離膜的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及納米多孔性膜，更詳細(xì)地涉及混合有(hybrid)有機(jī)物質(zhì)及無(wú)機(jī)物質(zhì)的納米多孔性有機(jī)-無(wú)機(jī)混合膜的制備方法、通過(guò)該方法制備的納米多孔性有機(jī)-無(wú)機(jī)混合膜及采用該方法的納米多孔性分離膜。
【背景技術(shù)】
[0002]最近在各種領(lǐng)域中進(jìn)行開(kāi)發(fā)的納米多孔性材料是指具有分散小氣孔的氣孔特性的材料，上述氣孔的大小為介觀(guān)(Meso)、微觀(guān)(Micro)，基于這種結(jié)構(gòu)特征或?qū)挼谋砻娣e特性，正在積極的進(jìn)行為了應(yīng)用于環(huán)境、新催化劑或組織工程等的新領(lǐng)域的研究。這些納米多孔性材料由有機(jī)材料、無(wú)機(jī)材料或混合有機(jī)材料和無(wú)機(jī)材料的有機(jī)-無(wú)機(jī)混合材料等正在多樣地被制備。
[0003]其中，有機(jī)-無(wú)機(jī)混合材料是指對(duì)有機(jī)材料和無(wú)機(jī)材料進(jìn)行復(fù)合化的材料，上述有機(jī)材料和無(wú)機(jī)材料為具有相互不同特性的兩種物質(zhì)。有機(jī)-無(wú)機(jī)混合材料為使有機(jī)材料和無(wú)機(jī)材料復(fù)合，從而，根據(jù)以納米水準(zhǔn)控制分散相的大小能夠賦予高功能性，上述有機(jī)材料雖然柔韌性高，并容易加工，但硬度低、不耐熱，上述無(wú)機(jī)材料雖然柔韌性低，但硬度及強(qiáng)度高、并耐熱。
[0004]通常，正在進(jìn)行很多對(duì)由有機(jī)-無(wú)機(jī)混合材料形成的納米多孔性膜的研究，上述有機(jī)-無(wú)機(jī)混合材料將固相的無(wú)機(jī)物粒子引進(jìn)到作為有機(jī)物的高分子基質(zhì)(matrix)中，賦予無(wú)機(jī)物的導(dǎo)電性及氣孔性。但是，在作為有機(jī)物的高分子基質(zhì)中引進(jìn)固相的無(wú)機(jī)物粒子的工序中，上述高分子基質(zhì)和上述無(wú)機(jī)物粒子的界面之間形成縫隙，從而生成缺陷，并難以制備由高質(zhì)量的有機(jī)-無(wú)機(jī)混合材料形成的納米多孔性膜。并且，不容易使上述無(wú)機(jī)物粒子均勻地分散在上述高分子基質(zhì)內(nèi)，因此，形成內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)受限，上述內(nèi)部結(jié)構(gòu)微細(xì)地由納米大小的多個(gè)氣孔及三維網(wǎng)格連接。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的問(wèn)題在于，提供具有三維微細(xì)結(jié)構(gòu)的納米多孔性有機(jī)-無(wú)機(jī)混合膜的制備及采用該納米多孔性有機(jī)-無(wú)機(jī)混合膜的納米多孔性分離膜。
[0006]用于實(shí)現(xiàn)上述問(wèn)題的本發(fā)明的一實(shí)施方式，能夠提供納米多孔性有機(jī)-無(wú)機(jī)混合膜的制備方法，其特征在于，包括:準(zhǔn)備包含具有氨基的化合物、具有異氰酸酯基的化合物以及溶劑的有機(jī)溶膠的步驟；在上述有機(jī)溶膠中添加無(wú)機(jī)氧化物前體來(lái)形成混合溶液的步驟；及對(duì)上述有機(jī)溶膠進(jìn)行熱處理，來(lái)形成上述有機(jī)溶膠凝膠化的有機(jī)分子網(wǎng)結(jié)構(gòu)體以及沿著上述有機(jī)分子網(wǎng)結(jié)構(gòu)體的表面形成的無(wú)機(jī)分子網(wǎng)結(jié)構(gòu)體的步驟。
[0007]通過(guò)上述熱處理，具有上述氨基的化合物的氨基的一部分以及具有上述異氰酸酯基的化合物的異氰酸酯基的一部分相結(jié)合的上述有機(jī)溶膠可被凝膠化，來(lái)形成三維的納米多孔性微細(xì)結(jié)構(gòu)的上述有機(jī)分子網(wǎng)結(jié)構(gòu)體。
[0008]上述無(wú)機(jī)氧化物前體具有烷氧基，能夠通過(guò)上述熱處理，包含于上述有機(jī)分子網(wǎng)結(jié)構(gòu)體的氨基與上述無(wú)機(jī)氧化物前體的烷氧基相結(jié)合，從而形成上述無(wú)機(jī)分子網(wǎng)結(jié)構(gòu)體。
[0009]上述無(wú)機(jī)氧化物前體可能是選自硅醇鹽或鉻(Cr)、釩(V)、鐵(Fe)、鎳(Ni)、鈷(Co)、銅(Cu)、鈦(Ti)、鋯(Zr)、錳(Mn)、釔(Y)、鈰(Ce)及鑭(La)等的金屬醇鹽中的一種以上的物質(zhì)。
[0010]能夠通過(guò)調(diào)節(jié)添加于上述混合溶液的上述無(wú)機(jī)氧化物前體的含量，來(lái)控制上述納米多孔性有機(jī)-無(wú)機(jī)混合膜的氣孔體積。
[0011]相對(duì)于上述有機(jī)溶膠，上述無(wú)機(jī)氧化物前體能夠以10重量百分比至90重量百分比的含量添加。
[0012]上述無(wú)機(jī)氧化物前體能夠使用沸點(diǎn)比上述有機(jī)溶膠的溶劑的沸點(diǎn)高的物質(zhì)。
[0013]對(duì)上述混合溶液進(jìn)行熱處理之前，還可包括將上述混合溶液涂敷于基板的步驟。
[0014]對(duì)上述混合溶液進(jìn)行熱處理的步驟能夠在50°C至200°C的溫度范圍內(nèi)執(zhí)行。
[0015]本發(fā)明的另一實(shí)施方式，能夠提供納米多孔性有機(jī)-無(wú)機(jī)混合膜，其特征在于，包括:三維納米多孔性微細(xì)結(jié)構(gòu)的有機(jī)分子網(wǎng)結(jié)構(gòu)體；以及三維納米多孔性微細(xì)結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)分子網(wǎng)結(jié)構(gòu)體，沿著上述有機(jī)分子網(wǎng)結(jié)構(gòu)體的內(nèi)部及外部表面形成。
[0016]上述納米多孔性有機(jī)-無(wú)機(jī)混合膜可能是氣孔直徑大小為lnm至lOOnm，比表面積為 lm2/g 至 300m2/g。
[0017]本發(fā)明的再一實(shí)施方式，能夠提供采用上述納米多孔性有機(jī)-無(wú)機(jī)混合膜的納米多孔性分離膜。
[0018]上述納米多孔性分離膜可具有10L/m2h至2000L/m2h的水滲透度。
[0019]上述納米多孔性分離膜能夠去除具有5nm以上大小的溶質(zhì)。
[0020]本發(fā)明通過(guò)利用有機(jī)溶膠的凝膠化及無(wú)機(jī)氧化物前體的縮合反應(yīng)的簡(jiǎn)單的制備工序，能夠容易地制備三維微細(xì)結(jié)構(gòu)的納米多孔性有機(jī)-無(wú)機(jī)混合膜。
[0021]并且，納米多孔性分離膜能夠具有高的水滲透度及高的溶質(zhì)除去率，上述納米多孔性分離膜采用了具有寬的比表面積的上述納米多孔性有機(jī)-無(wú)機(jī)混合膜。
[0022]但是，本發(fā)明的效果不局限于上述所提到的效果，未提到的其他效果能夠通過(guò)以下的記載明確地被技術(shù)人員理解。
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1為表示本發(fā)明一實(shí)施例的納米多孔性有機(jī)-無(wú)機(jī)混合膜的簡(jiǎn)要的制備方法的示意圖。
[0024]圖2a至圖2d為表示在上述圖1中涂敷于基板的混合溶液通過(guò)熱處理形成為納米多孔性有機(jī)-無(wú)機(jī)混合膜的過(guò)程的示意圖。
[0025]圖3(a)及圖3(b)為表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例1制備的納米多孔性有機(jī)-無(wú)機(jī)混合膜的透射電子顯微鏡(TEM，Transmiss1nelectron microscope)圖像及能量分散光譜法(EDS, energy dispersive spectroscopy)分析結(jié)果的圖表。
[0026]圖4(a)至圖4(d)為表示以70wt/vol %的含量添加本發(fā)明實(shí)施例1的無(wú)機(jī)氧化物前體的納米多孔性有機(jī)-無(wú)機(jī)混合膜的掃描電子顯微鏡(SEM，Scanning ElectronicMicroscopy)圖像及對(duì)于娃(Si)及氮(N)的元素映射(elemental mapping)結(jié)果的圖表。
[0027]圖5(a)至圖5(d)為表示基于本發(fā)明的實(shí)施例1制備的無(wú)機(jī)氧化物前體含量的納米多孔性有機(jī)-無(wú)機(jī)混合膜的掃描電子顯微鏡圖像。
[0028]圖6(a)至圖6(b)為比較基于本發(fā)明的實(shí)施例1制備的納米多孔性有機(jī)-無(wú)機(jī)混合膜的無(wú)機(jī)氧化物前體含量的氣孔大小及比表面積的圖表。
[0029]圖7為表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例1、比較例1制備的納米多孔性膜的紅外光譜(Infrared Spectroscopy)分析結(jié)果的圖表。
[0030]圖8 (a)至圖8 (d)為表示在本發(fā)明的比較例2至比較例3及實(shí)施例1至實(shí)施例2制備的納米多孔性有機(jī)-無(wú)機(jī)混合膜的掃描電子顯微鏡圖像。
[0031]圖9(a)及圖9(b)為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例3制備的納米多孔性分離膜的水滲透度(Water permeat1n)及溶質(zhì)抑制測(cè)試(reject1n test)結(jié)果的圖。
[0032]附圖標(biāo)記的說(shuō)明
[0033]100:有機(jī)溶膠120:溶劑
[0034]150:有機(jī)分子網(wǎng)結(jié)構(gòu)體200:無(wú)機(jī)氧化物前體
[0035]250:無(wú)機(jī)分子網(wǎng)結(jié)構(gòu)體300:納米氣孔
【具體實(shí)施方式】
[0036]以下，參照附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例如下。
[0037]本發(fā)明允許各種修改及變形的同時(shí)，以附圖例示其特定的實(shí)施例。但是，本發(fā)明不局限于所公開(kāi)的特別形態(tài)，而是，包括與基于本發(fā)明的發(fā)明要求保護(hù)范圍而定義的本發(fā)明思想的全部修改、等同及替代技術(shù)方案。
[0038]在附圖中，層及區(qū)域的厚度可能是為了明確性而放大或縮小的。說(shuō)明書(shū)全文中相同的附圖標(biāo)記表示相同的結(jié)構(gòu)要素。
[0039]本發(fā)明的一實(shí)施方式，能夠提供納米多孔性有機(jī)-無(wú)機(jī)混合膜的制備方法。具體地，本發(fā)明的納米多孔性有機(jī)-無(wú)機(jī)混合膜的制備方法包括:步驟1)，準(zhǔn)備包含具有氨基的化合物、具有異氰酸酯基的化合物以及溶劑的有機(jī)溶膠；步驟2)，在上述有機(jī)溶膠中添加無(wú)機(jī)氧化物前體來(lái)形成混合溶液；以及步驟3)，對(duì)上述有機(jī)溶膠進(jìn)行熱處理，來(lái)形成上述有機(jī)溶膠凝膠化的有機(jī)分子網(wǎng)結(jié)構(gòu)體以及沿著上述有機(jī)分子網(wǎng)結(jié)構(gòu)體的表面形成的無(wú)機(jī)分子網(wǎng)結(jié)構(gòu)體。
[0040]上述步驟1)是準(zhǔn)備包含具有氨基的化合物、具有異氰酸酯基的化合物以及溶劑的有機(jī)溶膠的步驟。
[0041]具有上述氨基的化合物可以為具有兩個(gè)以上氨基的化合物。具有上述氨基的化合物可以為例如'2個(gè)至4個(gè)氨基被取代的碳原子數(shù)1至碳原子數(shù)20的脂肪族化合物或2個(gè)至4個(gè)氨基被取代的碳原子數(shù)6至碳原子數(shù)30的芳香族化合物。
[0042]具有