CN100512935C - 各向异性多孔材料 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于流体过滤器的各向异性多孔材料，它可以高度精确地进行大量流体的分离过程、可以实现高流量、并且改善净化性能。各向异性多孔材料包括多个孔隙。每个孔隙具有各向异性形状，其中可以限定出主轴和次轴。孔隙的布置具有定向。
Description
相关申请的交叉引用
本申请基于2005年11月7日提交的第2005-322629号在先日本专利申请，并要求享有后者的优先权，后者的全文通过参考被并入此处。
技术领域
本发明涉及各向异性多孔材料，该材料包括具有定向的孔隙。
背景技术
一般的多孔材料被粗分为图1A-1C所示的三种典型形式。第一种被称为烧结型多孔材料。如图1A所示，烧结型多孔材料是让固体颗粒1在颗粒接触点处粘结并固化而成。孔隙2由固体颗粒1之间的间隙形成。第二种被称为泡沫型多孔材料。如图1B所示，孔隙4由用固体材料3制成的隔板形成。第三种被称为烧结和泡沫混合相型多孔材料，它由混合相材料制成，混合相材料由烧结型多孔材料和泡沫型多孔材料构成。如图1C所示，烧结和泡沫混合相型多孔材料包括孔隙5和孔隙6，其中每个孔隙5具有烧结型多孔材料的形式，而每个孔隙6具有泡沫型多孔材料的形式。
这些多孔材料的用途广泛，例如用于过滤处于气相和液相的各种流体的过滤器、绝热体、吸音体和减震体。例如，下面将详细介绍用于净化水的多孔膜的当前情况。
在净水厂，原水采自例如江河和水库的水源。然后，原水在包括凝聚、絮凝、沉淀、过滤和消毒的五个单元工艺中被处理，从而除去悬浮材料和胶体材料，并使细菌等无害化。如此，净化的自来水就被供至用户。
在借助凝聚、絮凝、沉淀和过滤的一系列净化工艺中一般要用到使用凝聚剂的方法。一般用无机金属盐、诸如铁盐和铝盐作凝聚剂。凝聚剂的效果受各种物理和生化因素的影响。这样，只有多个因素之间达到复杂的平衡，才可能建立最佳的凝聚条件。为此，要确保处理过的水达到一定的质量水平需要一定的技能。
1996年10月，卫生和福利厅(现在称为卫生、劳动和福利厅)发布了“关于防止自来水中所含Cryptosporidiums寄生虫临时措施的政策”。该政策建立了如下指导规则，即总是在过滤池出口读取水的浊度，并将过滤池出口的水浊度保持在0.1度以下。因此，在净水厂中水浊度的管理已经成为一个重要问题。
在这一背景下，与微滤膜和超滤膜有关的研发已经被推向前进。在日本，膜过滤已经开始在净水厂快速推广。在其他国家，膜过滤净水厂已经投入运行，每个厂每天处理几十万吨水。使用微滤膜或超滤膜的膜过滤的优势在于通过可靠地除去混浊物质而获得良好的处理水质量。
有机高分子膜(例如，醋酸纤维素，聚砜，聚乙烯，聚丙烯和丙烯腈)已经非常广泛地用作微滤膜和超滤膜的材料。但是，由于随着有机高分子膜运行时间的增加，膜本身性质的改变会导致性能退化，并且外因也会导致性能退化，因此它的寿命是三到五年。膜性质的改变由如下因素引起：物理退化，例如膜的压缩和损坏；化学退化，例如膜的水解和氧化；因由微生物利用膜而引起的生物退化等等。外因的例子是微粒和悬浮材料在膜表面上的积聚。这样，使用有机高分子膜的膜过滤的缺点在于由于需要换膜，因此运行成本高。
已公开但未审查的第2001-225057号日本专利申请公开了一种技术，以降低这种运行成本。这一技术是确保以如下方式除去微粒和悬浮材料的水处理系统。首先，使用凝聚剂形成凝聚的絮状物，然后通过砂滤将它除去。随后，通过极其耐用的金属膜过滤装置除去微粒和悬浮材料。
第2001-225057号已公开但未审查的日本专利申请中公开的金属膜过滤装置由圆柱形元件构造而成。圆柱形元件由无纺织物状态的褶叠的金属膜形成，它由堆叠的金属纤维烧结而成。
另一方面，作为金属膜之外的过滤膜，由微粒烧结而成的多孔陶瓷膜公开于第2001-259324号、第2001-259323号、(平)第10(1998)-236887号和(平)第10(1998)-235172号已公开但未审查的日本专利申请中。
第2001-225057号已公开但未审查的日本专利申请中公开的金属膜过滤装置存在如下问题：
(1)流量因无纺织物结构而降低
具有无纺织物结构的金属膜具有不仅金属膜的表面而且在金属膜的内部也能捕获微粒和悬浮材料的结构。因此，金属膜的优势在于能够在膜的内部捕获金属表面不能捕获的微粒和悬浮材料。另一方面，通过正常清洗不可能除去已经渗入膜内的微粒和悬浮材料。这样，随着运行时间增加，流量易于降低。
(2)因添加凝聚剂而引起的污染顾虑和处理物质的量由于絮凝而增加
如上所述，在金属膜的例子中，难于除去已经渗入膜内的微粒和悬浮材料。为此，必然要进行如下工艺，即通过絮凝尽可能多地提前除去可除去的悬浮物质。通过加入化学品、即添加凝聚剂，该过程增加了污染顾虑。此外，由于必然要浪费絮凝物，因此处理物质的量增加。
除了通过烧结堆叠的金属纤维而得到无纺织物的金属膜之外，也研究过通过烧结金属颗粒来获得多孔金属膜，但它也有如上所述的相同问题。
另一方面，关于在第2001-259324号、第2001-259323号、(平)第10(1998)-236887号和(平)第10(1998)-235172号已公开但未审查的日本专利申请中公开的陶瓷膜，据报道可以形成直径比金属膜的孔更细小的孔，并且可以提供极佳的反洗。但是，与如上所述的金属膜相同，由于陶瓷膜基本上是通过将颗粒烧结成网络形式而得到的多孔体，因此陶瓷膜具有不仅膜的表面而且膜的内部也能捕获微粒和悬浮材料的结构。由于这一原因，也有如下问题，即难于除去渗入膜内的微粒和悬浮材料，且流量随运行时间增加而降低。另外，由于陶瓷膜具有如下结构，即其中的孔形成复杂的网络，因此即使是初始性能，压力损失也相对较大。
发明内容
本发明是考虑到上述原因而做出的。因此，本发明的目的在于提供各向异性多孔材料，它能让流体过滤器高度精确地进行大量流体的分离过程、降低流量的减小、并且改善过滤器的净化性能。
本发明的特征在于包括多个孔隙的各向异性多孔材料。每个孔隙具有各向异性形状，其中可以限定出主轴和次轴。多个孔隙形成定向布置。
本发明的各向异性多孔材料包括多个孔隙。每个孔隙具有各向异性形状，其中可以限定出主轴和次轴。多个孔隙形成定向布置。这样，由各向异性多孔材料制成的流体过滤器能够高度精确地进行大量流体的分离过程。此外，各向异性多孔材料能够降低流量的减小、并且能够改善过滤器的净化性能。
附图说明
图1A是显示烧结型多孔材料的示意图；
图1B是显示泡沫型多孔材料的示意图；
图1C是显示烧结和泡沫混合相型多孔材料的示意图；
图2是各向异性多孔材料的示意图；
图3是另一种各向异性多孔材料的示意图；
图4是示意图，显示了根据本发明第一实施例的各向异性多孔材料的结构；
图5是示意图，显示了第一实施例的改进示例；
图6是示意图，显示了根据本发明第二实施例的各向异性多孔材料的结构；
图7是示意图，显示了根据本发明第三实施例的各向异性多孔材料的结构；
图8是示意图，显示了第三实施例的改进示例；
图9是示意图，显示了根据本发明第四实施例的各向异性多孔材料的结构；以及
图10是示意图，显示了第四实施例的改进示例。
具体实施方式
下面将参照附图描述实施本发明的各向异性多孔材料的优选实施例。
下面将参照图2和3从总体上描述本发明的各向异性多孔材料。图2和3是各向异性多孔材料的示意图。各向异性多孔材料包括多个孔隙。每个孔隙具有其中可以限定出主轴和次轴的各向异性形状，例如，像图2和3中分别所示的孔隙7和8。这里，对于每个孔隙7和8，当任意参考方向A和主轴d1之间的差异用倾角θ表示时，倾角θ具有一定的定向，即分布在特定范围内的趋势。另一方面，其中孔隙不具有定向的材料是各向同性的孔隙材料。
(第一实施例)
图4是示意图，显示了根据本发明第一实施例的各向异性多孔材料的结构。如图4所示，第一实施例的各向异性多孔材料11包括多个如图3所示的椭球形孔隙8。包括在如图4所示的各向异性多孔材料11中的孔隙8主要是密闭孔隙，每个孔都完全位于材料内。
孔隙8的主轴长度d1和其次轴长度d2之间的比d1/d2(纵横比)优选为等于或大于10。在主要由密闭孔隙形成的各向异性多孔材料的例子中，由定向实现的性质归因于每个密闭孔隙的各向异性的形状。在纵横比小于10的情况下，作为各向异性多孔材料的性质不能完全实现。这是因为孔隙纵横比小于10的各向异性多孔材料的性质整体上更接近各向同性多孔材料的性质，尽管孔隙以一定定向排列。
另外，假定各孔隙的主轴的定向被限定在参考定向轴线A周围的立体角O的范围内，立体角O优选在±10度的范围内。在各向异性多孔材料主要由主轴定向变化等于或大于±10度的密闭孔隙组成的情况下，各向异性多孔材料的性质整体上更接近各向同性多孔材料的性质，尽管每个密闭孔隙都有高纵横比。这样，就不可能完全实现作为各向异性多孔材料的性质。
此外，每个孔隙8的次轴长度d2优选在0.001和500μm之间。在次轴长度d2短于0.001μm的情况下，必须将形式控制在原子间/分子间距离级别上。这使得作为实际材料的本发明的各向异性多孔材料的结构难于实现。另一方面，在各向异性多孔材料由次轴长度d2长于500μm的孔隙构成的情况下，各向异性多孔材料可以用现有的机械工艺例如冲压工艺制造。这没有归入本发明的各向异性多孔材料。
另外，各孔隙的次轴长度d2的变化优选等于或小于±15％。在各向异性多孔材料主要由密闭孔隙构成的情况下，如果各密闭孔隙的直径的变化大于±15％，该材料整体上具有差的定向性质，且其性质更接近各向同性多孔材料的性质。这样，就不可能完全实现作为各向异性多孔材料的性质。
图5是示意图，显示了第一实施例的改进示例。如图5所示，第一实施例的改进示例的各向异性多孔材料包括多个如图2所示的各向异性形状的孔隙7。各孔隙的主轴d1被沿着参考轴线B的定向布置。
与图4所示的各向异性多孔材料11的情况相同，即使是在图5所示的各向异性多孔材料12中，优选采用下列数值。每个孔隙的纵横比等于或大于10。各孔隙7的主轴d1的定向被限定在参考轴线B周围的±10度的立体角O的范围内。各孔隙7的次轴长度d2在0.001和500μm之间。各孔隙的次轴长度b的变化优选不大于±15％。选择这些数值的理由也与如上所述的相同。
(第二实施例)
图6是示意图，显示了根据本发明第二实施例的各向异性多孔材料13的结构。如图6所示，第二实施例的各向异性多孔材料13包括分别为8a和8b的多个孔隙。包括在各向异性多孔材料13中的孔隙主要是密闭孔隙。孔隙8a由其中主轴沿着定向A布置的第一定向组构成。另一方面，孔隙8b由其中主轴沿着不同于定向A的定向B布置的第二定向组构成。
与第一实施例相同，每个孔隙8a和8b的纵横比d1/d2优选为等于或大于10，且每个孔隙8a和8b的次轴长度d2优选在0.001和500μm之间。选择这些数值的理由也与第一实施例的理由相同。
假定第一定向组A中的各孔隙8a的主轴的定向被限定在第一定向轴线A周围的立体角OA的范围内，立体角OA优选在±10度的范围内。另外，假定第二定向组B中的各孔隙8a和8b的主轴的定向被限定在参考定向轴线B周围的立体角OB的范围内，立体角OB优选在±10度的范围内。当每个定向组的定向变化等于或大于±10度，则各向异性多孔材料的性质整体上更接近各向同性多孔材料的性质。这样，就不可能完全实现作为各向异性多孔材料的性质。
另外，在同一定向组中，各孔隙8a和8b的次轴长度d2的变化优选等于或小于±15％。当各孔隙8a和8b的次轴长度d2的变化大于±15％时，各向异性多孔材料整体上具有差的定向性质，且其性质更接近各向同性多孔材料的性质。这样，就不可能完全实现作为各向异性多孔材料的性质。
(第三实施例)
图7是示意图，显示了本发明第三实施例的各向异性多孔材料14的结构。如图7所示，第三实施例的各向异性多孔材料14具有多个通孔15。每个通孔15是两端分别通往材料表面的孔隙。第三实施例的各向异性多孔材料14具有通过沿垂直于孔隙8的主轴定向d1、且相互平行的两个平面切割如图4所示的第一实施例的各向异性多孔材料而得到的形式。
通孔15的纵横比d1/d2优选为等于或大于10。当纵横比d1/d2等于或大于10时，可以获得极佳的膜材料，它具有适合过滤等的很均衡的强度性质。
另外，各通孔的主轴的定向优选被限定在±10度的立体角范围内。定向变化大于±10度使独特的性质恶化。例如，过滤等的压力损失变大。
此外，每个通孔15的次轴长度优选在0.001和500μm之间。在次轴长度短于0.001μm的情况下，必须将形式控制在原子间/分子间距离级别上。这使得难于实现作为实际材料的本发明各向异性多孔材料的结构。另一方面，在各向异性多孔材料由次轴长度长于500μm的孔隙构成的情况下，各向异性多孔材料可以用现有的机械工艺例如冲压工艺制造。这没有归入本发明的各向异性多孔材料。
此外，各通孔15的次轴长度的变化优选等于或小于±15％。当次轴长度的变化大于±15％时，独特的性质会恶化。例如，过滤等的分离精度降低。
另外，通孔15与包含在各向异性多孔材料14中的所有孔隙的比例(通孔比)优选等于或大于70％。在通孔比小于70％的情况下，过滤流量降低，并且除通孔之外的孔隙(敞开孔隙和密闭孔隙)的效果变得显著。更确切地说，该效果包括过滤等的净化性质恶化和膜的强度下降。敞开孔隙指仅一端通往材料表面的孔隙。
图8是示意图，显示了第三实施例的改进示例。如图8所示，第三实施例的改进示例的各向异性多孔材料16具有多个通孔17。通孔17沿着与各向异性多孔材料16的上、下表面不垂直的定向形成。第三实施例的改进示例的各向异性多孔材料16具有通过沿与孔隙的主轴定向A不垂直、且相互平行的两个平面切割如图4所示的第一实施例的各向异性多孔材料而得到的形式。
(第四实施例)
图9是示意图，显示了本发明的第四实施例的各向异性多孔材料21的结构。如图9所示，第四实施例的各向异性多孔材料21具有多个通孔22a和22b。第四实施例的各向异性多孔材料21具有通过沿相互平行的两个平面切割如图6所示的第二实施例的各向异性多孔材料13而得到的形式。通孔22a由定向A的第一组构成，而通孔22b由定向B的第二组构成。
与第三实施例相同，通孔22a和22b的纵横比优选为等于或大于10，各通孔22a和22b的次轴长度d2优选在0.001和500μm之间，且同一定向组中的通孔比优选等于或大于70％。选择这些数值的理由也与第三实施例的理由相同。
另外，在同一定向组A或B中，各通孔22a和22b的主轴定向优选被限定在参考定向轴线A或B周围±10度的立体角范围内。当定向变化大于±10度时，独特的性质恶化。例如，过滤等的压力损失变大。另外，在同一定向组A或B中，各通孔的次轴长度d2的变化优选等于或小于±15％。当次轴长度的变化大于15％时，独特的性质会恶化。例如，过滤等的分离精度降低。
图10是示意图，显示了第四实施例的改进示例。图10解释了第四实施例的改进示例的各向异性多孔材料23，它具有通孔24a和24b。它的形式用下述方式获得。沿相互平行的两个平面切割如图4所示的第一实施例的各向异性多孔材料。然后，通过将通孔的定向逐层改变90度，各向异性多孔材料的切割层被相互堆叠在一起。
本发明的各向异性多孔材料不同于图1A-1C所示的一般的多孔材料、或者如上所述的用于水净化的多孔膜所代表的现有多孔材料。不同点在于纵轴与次轴的纵横比大的孔隙被沿着一个定向布置。因此，当包括第一和第三实施例中每个的一维孔隙的各向异性多孔材料被用作流体过滤器时，微粒和悬浮材料被捕获在过滤器表面上。这样，各向异性多孔材料就可高度精确地进行大量流体的分离过程、降低流量的减小、并改善过滤器的净化性能。
另外，当包括第二和第四实施例中每个的二维孔隙的各向异性多孔材料被用作热交换材料时，因流体阻力引起的能量损失大大减少。为此，可以提高单位体积的热交换效率。
另外，本发明的各向异性多孔材料覆盖广范围的用途。包括第一和第三实施例中每个的一维孔隙的各向异性多孔材料可以用作具有各种优良性能的各种过滤器。这些过滤器可以高度精确地进行大量流体的分离过程，并实现高流量，同时保持极佳的净化性能。
另外，包括第二和第四实施例中每个的二维孔隙的各向异性多孔材料可以用作热交换材料，其中单位体积的热交换效率大幅提高，且因流体阻力引起的能量损失大大减少。
作为制造本发明的各向异性多孔材料的方法，可以使用下面的任意一种方法：使用模板以形成孔隙或通孔的方法、通过转移以形成孔隙或通孔的方法、使用牵拉孔隙或通孔的原始结构的工艺的方法、通过使用晶体生长法来形成孔隙或通孔的方法、以及通过使用气相合成法来形成孔隙或通孔的方法。
需要指出的是，在上述的每一种实施例中，已经对由一种或两种定向组的孔隙构成的各向异性多孔材料作了说明。但有待分类的定向组的数目并不局限于这些数目。
Claims (4)
1、一种各向异性多孔材料，包括多个孔隙：
其中，每个孔隙具有主轴和次轴可被限定的各向异性形状；
所述多个孔隙被布置成使它们的主轴或次轴沿着一个定向被定向；
每个孔隙的主轴长度与次轴长度之比至少为10；
所述多个孔隙被分成至少一个定向组，所述定向组由其主轴定向被限定在±10度的立体角范围内的孔隙构成；以及
在同一定向组中，所述多个孔隙的次轴长度的变化等于或小于±15％。
2、根据权利要求1的各向异性多孔材料，其特征在于，所述多个孔隙的次轴长度在0.001和500μm之间。
3、根据权利要求1或2的各向异性多孔材料，其特征在于，所述多个孔隙中属于同一定向组的至少一些孔隙是通孔。
4、根据权利要求3的各向异性多孔材料，其特征在于，在同一定向组中通孔比至少为70％。
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