[发明专利]用于制造纳米孔薄膜的方法、纳米孔薄膜及其应用

说明书

本公开涉及一种用于制造纳米孔薄膜的方法，包括：材料准备工序，其中，准备或铺设用于制造薄膜的膜体，并将膜体传送至压印工位；纳米孔压印工序，其中，利用压印装置在膜体上受控地压印出呈预定阵列布置的纳米孔，纳米孔至少伸入到膜体的一部分厚度中，压印装置上设置有用于形成纳米孔的、呈预定阵列布置的压印元件，压印元件构造成压印模具上的突出结构阵列；和固化工序，其中，将已经压印出纳米孔的膜体通过发光装置或发热装置传递能量进行光化学反应或热化学反应而固化，以使其形成具有期望机械强度的膜体。制造的薄膜可用在口罩或防护服、空气净化装置、水或油的纯化过滤设备、血液透析仪器的过滤设备、锂电池、或海水淡化的反渗透薄膜中。

技术领域

本公开总体上涉及纳米材料的制备领域。特别地，本公开涉及一种用于制造纳米孔薄膜的方法、所制造的纳米孔薄膜及其应用。

背景技术

用于过滤颗粒物(比如超细颗粒)的薄膜具有广泛的应用，比如，其可以用在口罩或防护服中来阻挡病毒颗粒、用在空气净化装置中来阻挡空气中的污染物颗粒、用在血液透析仪器的过滤设备中来过滤血液、或者用在水或油过滤设备中来对水或油进行纯化、还有用在锂电池中用作隔膜、海水淡化的反渗透薄膜。

用于过滤颗粒物的薄膜通常包含大量的小孔。这些小孔一方面要能够使携带颗粒物的流体(比如空气、水、油或血液等)顺畅地通过，另一方面又要能够有效地阻挡期望被过滤的颗粒物(比如，病毒颗粒、污染物颗粒、水或油中的杂质颗粒等)，因此，小孔的孔径通常要综合被过滤的颗粒物的尺寸以及携带该颗粒物的流体的通过率来进行综合选择。

通常来讲，用于过滤颗粒物的薄膜的小孔孔径要小于被过滤的颗粒物的粒径。以口罩为例，目前市场上出售的KN95口罩可以阻止大约95％的粒径在0.3微米以上的颗粒。然而，随着新冠病毒所引发的全球疫情，人们发现这种KN95口罩并不能够很好的阻止病毒。比如，典型的病毒尺寸通常在130纳米(0.13微米)左右，尽管KN95口罩可以有效地阻止附着在其它大颗粒(比如飞沫)上的病毒，但是单个病毒颗粒却可以畅通无阻的通过KN95口罩并进入人体，从而减弱了KN95口罩的防护性能。2020年7月初，239个科学家发表联名信，强调新冠病毒在空气中传播的严重性。就是因为飞沫进入空气，水分蒸发后飞沫中的病毒当然只能游离在空气中了。

为了有效地过滤病毒颗粒，通常的做法是进一步降低薄膜的小孔孔径。然而，这并不容易做到。比如，目前的口罩通常利用单层或多层熔喷布作为薄膜过滤材料。熔喷布是将微细的纤维随机地堆积到多孔衬底膜材料上而形成的。由于是随机堆积，一方面，熔喷布中的小孔孔径大小不一(大部分孔径足够小，但仍有一部分孔径非常大)，降低了熔喷布的过滤效率；另一方面，熔喷布中的小孔通道弯弯曲曲，不仅导致小孔的实际透气面积占熔喷布的总面积的比例大大降低，而且弯曲通道还极大地增加了空气阻力，从而导致使用者呼吸困难。另外，使用熔喷布使得口罩不透明，佩戴口罩损害了脸部美观。

为此，期望获得一种纳米孔薄膜，其不仅具有足够小的、孔径可控的孔来实现超细颗粒的高效过滤，而且还具有期望的低流体阻力，使得流体(比如空气)可以顺畅地通过，而且薄膜材料带来透明性。

另外，锂电池是当今世界清洁能源的重要来源和希望。然而，当今锂电池仍然不能满足人们的需求。无论是锂电池的安全性还是能量密度都不尽人意，其原因之一是锂电池隔膜不理想。隔膜既要让锂离子通过，又不能短路，还要防止锂树枝晶刺穿隔膜。目前锂电池隔膜无论从材料、工艺和结构都不能满足理想锂电池的要求。锂粒子通过的隔膜需要小孔，这些小孔目前是通过拉伸技术拉伸出来的。拉伸出来的小孔孔径不一，一般从40纳米到150纳米都有，而且不能排除更大孔径的小孔。为了拉出纳米级小孔，隔膜材料不能太硬，这使得锂树枝晶容易刺穿隔膜，造成锂电池短路起火和爆炸事故。因此，需要一种能够克服目前锂电池隔膜的缺点的隔膜材料，其应具备均匀的小孔孔径(50纳米至150纳米)、以及具有耐高温和大硬度等特点。

发明内容