CN213732910U - 用于压印纳米孔薄膜的装置 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种用于压印纳米孔薄膜的装置。所述装置包括第一压印部件和第二压印部件，第一压印部件和第二压印部件中的至少一者上设置有以预定阵列布置的、呈突起状的多个第一压印元件，当第一压印部件和第二压印部件彼此挤压接触时，多个第一压印元件能够在设置于第一压印部件和第二压印部件之间的薄膜上压印出以预定阵列布置的、孔径大小受控的纳米孔，其中，多个第一压印元件具有相同的尺寸和构造。该装置能够压印出具有以预定阵列布置的、贯穿所述膜体的、孔径基本相同的多个纳米孔的薄膜，该薄膜具有期望的通透度和低流体阻力，从而具有广泛的应用。

Description

用于压印纳米孔薄膜的装置

技术领域

本公开总体上涉及纳米材料的制备领域。特别地，本公开涉及一种运用纳米压印技术制造纳米孔薄膜的装置。

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，过多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，期望提供一种用于压印过滤超细颗粒的纳米薄膜的装置和方法，该装置和方法能够在薄膜上压印出以预定阵列布置的、孔径大小受控的纳米孔。

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。

实用新型内容

本公开的目的之一是提供一种运用纳米压印技术制造纳米孔薄膜的装置和方法。根据本公开的装置和方法能够克服现有技术中所存在的至少一个或多个问题。

在根据本公开的第一方面，提供了一种用于压印纳米孔薄膜的装置。所述装置包括第一压印部件和第二压印部件，所述第一压印部件和所述第二压印部件中的至少一者上设置有以预定阵列布置的、呈突起状的多个第一压印元件，当所述第一压印部件和第二压印部件彼此挤压接触时，所述多个第一压印元件能够在设置于所述第一压印部件和第二压印部件之间的薄膜上压印出以所述预定阵列布置的、孔径大小受控的纳米孔，其中，所述多个第一压印元件具有相同的尺寸和构造。

根据本公开的一个实施例，所述第一压印元件的最大外径在30纳米至100纳米之间，并且所述第一压印元件配置成在单位面积的薄膜上压印出占空比大于或等于10％的纳米孔。

根据本公开的一个实施例，所述第一压印元件的高度与最大外径之比小于5。

根据本公开的一个实施例，所述第一压印元件在其高度方向上具有基本均匀的形状。

根据本公开的一个实施例，所述第一压印元件呈选自圆柱、椭圆柱、和多边形棱柱之一的形状。

根据本公开的一个实施例，所述第一压印元件在其高度方向上具有从端部至顶部渐缩的形状。

根据本公开的一个实施例，所述第一压印元件具有呈选自圆锥、截头圆锥、多边形棱锥、和截头多边形棱锥之一的形状。

根据本公开的一个实施例，所述第一压印部件和所述第二压印部件中的至少一者具有弹性或者第一压印部件和第二压印部件的基座具有弹性，以在所述第一压印元件的压力作用下能够弹性地回缩，从而避免损坏所述第一压印元件。

根据本公开的一个实施例，所述第一压印部件和所述第二压印部件均设置有所述第一压印元件，并且设置于所述第一压印部件上的第一压印元件的前端部与设置于所述第二压印部件上的第一压印元件的前端部构造成彼此面对，以能够在设置于所述第一压印部件和第二压印部件之间的薄膜上从不同侧面压印出以所述预定阵列布置的、孔径大小受控的纳米孔。

根据本公开的一个实施例，所述第一压印部件和所述第二压印部件均设置有所述第一压印元件，并且设置于所述第一压印部件上的第一压印元件的前端部与设置于所述第二压印部件上的第一压印元件的前端部构造成彼此错开，以能够在设置于所述第一压印部件和第二压印部件之间的薄膜上从不同侧面压印出以所述预定阵列布置的、孔径大小受控的纳米孔。

根据本公开的一个实施例，所述第一压印部件设置有所述多个第一压印元件，所述第二压印部件设置有以预定阵列布置的、呈突起状的多个第二压印元件，所述多个第二压印元件具有相同的尺寸和构造，并且所述多个第二压印元件的最大外径比所述多个第一压印元件的最大外径至少大一个数量级。

根据本公开的一个实施例，所述第一压印部件和第二压印部件均构造成压印辊，并且所述第一压印部件和第二压印部件能够沿着相反的旋转方向旋转。

根据本公开的一个实施例，所述第一压印部件构造成压印辊，所述第二压印部件构造成压印板，并且所述第一压印部件能够相对于所述第二压印部件旋转。

根据本公开的一个实施例，所述第一压印部件和第二压印部件均构造成压印板，并且所述第一压印部件和第二压印部件能够朝向彼此平移、或者所述第一压印部件和第二压印部件中的一者能够朝向所述第一压印部件和第二压印部件中的另一者平移。

根据本公开的一个实施例，所述多个第一压印元件通过贴合连接、镶嵌、一体成型、二次模制中的一种而设置在所述第一压印部件和第二压印部件中的至少一者。

根据本公开的一个实施例，所述多个第一压印元件和所述多个第二压印元件通过贴合连接、镶嵌、一体成型、二次模制中的一种或多种而设置在所述第一压印部件和所述第二压印部件中的至少一者上。

根据本公开的一个实施例，所述装置还包括第三压印部件，其中，所述第一压印部件和所述第二压印部件中的一者上设置有用于压印纳米孔的所述第一压印元件，所述第一压印部件和所述第二压印部件中的另一者上设置有用于压印微米孔的第二压印元件，所述第三压印部件具有光滑表面而不包括任何压印元件，并且其中，所述装置构造成首先通过第三压印部件和所述第二压印元件的配合在所述薄膜的一面上压印出微米孔、然后通过所述第一压印元件在所述薄膜的另一面上压印出纳米孔。

根据本公开的一个实施例，所述装置还包括高温加热组件，所述高温加热组件用于在利用所述装置压印薄膜之前、之中或之后固化所述薄膜。

根据本公开的一个实施例，所述装置还包括紫外线发射组件，所述紫外线发射组件用于在利用所述装置压印薄膜之前、之中或之后发射出紫外线来照射并固化所述薄膜。

根据本公开的一个实施例，所述第一压印部件和所述第二压印部件中的一者比另一者更软。

根据本公开的一个实施例，所述第一压印部件和所述第二压印部件均由硬材料或者均由软材料制成、或者所述第一压印部件和所述第二压印部件中的一者由硬材料制成而另一者由软材料制成。

在本公开的第二方面，提供了一种用于压印纳米孔薄膜的方法。所述方法包括如下工序：准备工序：在准备工序中，准备或铺设用于制造所述薄膜的膜体，并将其传送至压印装置；和压印工序：在压印工序中，利用设置在压印装置上的压印元件在所述膜体上受控地压印出呈预定阵列布置的、具有相同孔径的纳米孔，使得所述纳米孔至少伸入到所述膜体的一部分厚度中。

根据本公开的一个实施例，利用所述压印元件在所述膜体的一侧压印出所述纳米孔。

根据本公开的一个实施例，利用所述压印元件在所述膜体的两侧压印出所述纳米孔。

根据本公开的一个实施例，在所述膜体的两侧压印出的纳米孔彼此面对。

根据本公开的一个实施例，在所述膜体的两侧压印出的纳米孔彼此错开。

根据本公开的一个实施例，所述压印元件包括尺寸不同的第一压印元件和第二压印元件，所述方法包括利用所述第一压印元件在所述膜体的第一侧压印出所述纳米孔，而利用所述第二压印元件在所述膜体的与所述第一侧相反的第二侧压印出比所述纳米孔的粒径更大的孔。

根据本公开的一个实施例，所述纳米孔在所述薄膜的厚度方向上具有均匀的外径。

根据本公开的一个实施例，所述纳米孔在所述薄膜的厚度方向上具有渐缩的外径。

根据本公开的一个实施例，所述膜体为柔性固体，并且通过传送辊将其传送至所述压印装置。

根据本公开的一个实施例，将所述膜体附着在衬底膜上传送至所述压印装置，以提高所述膜体的机械强度。

根据本公开的一个实施例，所述膜体为液体或者不适合输运的软性膜体，将呈液体或者软性膜体形式的所述膜体附着在衬底膜上，然后通过传送辊将所述衬底膜及其上附着的呈液体或者软性膜体形式的所述膜体一起传送至压印装置。

根据本公开的一个实施例，所述膜体为液体，呈液体形式的所述膜体被以毛细吸收效应的形式吸入到已经作好压印定位的第一压印元件和第二压印元件之间的压印处。

根据本公开的一个实施例，所述膜体为混合有金属颗粒的聚合物液体，所述金属颗粒均匀地混合进所述膜体的表面和内部。

根据本公开的一个实施例，将所述膜体附着在衬底膜上传送至所述压印装置，并且压印后将所形成的纳米孔薄膜与所述衬底膜膜分开并分开卷曲。

根据本公开的一个实施例，所述方法包括在所述压印工序之前的前固化工序，以使呈液体形式的所述膜体至少部分固化。

根据本公开的一个实施例，在所述固化工序中，将固化温度设置在100摄氏度至400摄氏度之间。

根据本公开的一个实施例，所述固化工序包括利用高温加热或紫外线照射而固化所述膜体。

根据本公开的一个实施例，所述方法还包括在所述压印工序之后的后固化工序，在所述后固化工序中，利用设置在100摄氏度至400摄氏度之间的固化温度将已经压印出的纳米孔的膜体固化，以使其形成具有期望机械强度的膜体。

根据本公开的一个实施例，所述压印装置包括第一压印部件和第二压印部件，所述膜体被传送至所述第一压印部件和第二压印部件之间。

根据本公开的一个实施例，所述第一压印部件和所述第二压印部件均构造成压印辊，通过所述第一压印部件和所述第二压印部件相对于彼此的转动和挤压而在所述膜体上形成纳米孔。

根据本公开的一个实施例，所述第一压印部件被构造成压印辊，而所述第二压印部件均构造成压印板，通过所述第一压印部件相对于所述第二压印部件的转动和挤压而在所述膜体上形成纳米孔。

根据本公开的一个实施例，所述第一压印部件和所述第二压印部件均构造成压印板，通过所述第一压印部件和所述第二压印部件朝向彼此的平移和挤压、或者通过所述第一压印部件和所述第二压印部件中的一者朝向所述第一压印部件和所述第二压印部件中的另一者的平移和挤压而在所述膜体上形成纳米孔。

根据本公开的一个实施例，所述压印装置包括第一压印部件、第二压印部件、和第三压印部件，其中，所述第一压印部件设置有用于压印微米孔的第一压印元件，所述第二压印部件设置有用于压印纳米孔的第二压印元件，所述第三压印部件具有光滑表面而不包括任何压印元件，并且其中，所述方法包括首先通过第三压印部件和所述第一压印部件的配合在所述薄膜的一面上压印出微米孔、然后通过所述第二压印部件和所述第一压印部件的配合而在所述薄膜的另一面上压印出纳米孔。

根据本公开的一个实施例，将所述压印装置构造成具有弹性，以使得所述压印装置在工作过程中不会损坏设置于其上的压印元件。

根据本公开的一个实施例，将所述压印元件构造成具有与将要形成的纳米孔基本匹配的尺寸和外周形状。

根据本公开的一个实施例，将所述压印元件构造成其高度与最大外径之比小于5。

要注意的是，针对一个实施例描述的本公开的各方面可以被包含到其它不同的实施例中，尽管没有针对所述其它不同的实施例进行具体描述。换言之，可以以任何方式和/或组合来组合所有实施例和/或组合任意实施例的特征，只要它们不相互矛盾即可。

附图说明

在结合附图阅读下文的具体实施方式后，将更好地理解本公开的多个方面，在附图中：

图1示出了根据本公开的一个实施例的用于压印纳米孔薄膜的压印装置；

图2a、图2b和图2c分别示出了设置在根据本公开的压印装置上的压印元件的不同构造；

图3示出了根据本公开的另一个实施例的用于压印纳米孔薄膜的压印装置；

图4a和图4b示出了根据本公开的又一个实施例的用于压印纳米孔薄膜的压印装置；

图5示出了利用根据本公开的压印装置从薄膜的一侧压印出的纳米孔；

图6a和图6b示出了利用根据本公开的压印装置从薄膜的两侧压印出的纳米孔；

图7a和图7b示出了利用根据本公开的压印装置从薄膜的一侧压印出纳米孔而从薄膜的另一侧压印出孔径更大的孔或微米孔；

图7c示出了具有三个压印部件的压印装置；

图8a和图8b示出了根据本公开的压印装置的部件构造成柔性时的示意图；

图9示出了利用根据本公开的压印装置压印纳米孔薄膜的方法的示意图；

图10a和图10b示出了利用孔处理工序使薄膜中的纳米孔贯穿薄膜的示意图。

应当理解的是，在所有附图中，相同的附图标记表示相同的元件。在附图中，清楚起见，某些特征的尺寸可以改变而未按比例绘制。

具体实施方式

以下将参照附图描述本公开，其中的附图示出了本公开的若干实施例。然而应当理解的是，本公开可以以多种不同的方式呈现出来，并不局限于下文描述的实施例；事实上，下文描述的实施例旨在使本公开的公开内容更为完整，并向本领域技术人员充分说明本公开的保护范围。还应当理解的是，本文公开的实施例能够以各种方式进行组合，从而提供更多额外的实施例。

应当理解的是，说明书中的用辞仅用于描述特定的实施例，并不旨在限定本公开。说明书使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)除非另外定义，均具有本领域技术人员通常理解的含义。为简明和/或清楚起见，公知的功能或结构可以不再详细说明。

说明书使用的单数形式“一”、“所述”和“该”除非清楚指明，均包含复数形式。说明书使用的用辞“包括”、“包含”和“含有”表示存在所声称的特征，但并不排斥存在一个或多个其它特征。说明书使用的用辞“和/或”包括相关列出项中的一个或多个的任意和全部组合。

说明书使用的用辞“在X和Y之间”和“在大约X和Y之间”应当解释为包括X和Y。本说明书使用的用辞“在大约X和Y之间”的意思是“在大约X和大约Y之间”，并且本说明书使用的用辞“从大约X至Y”的意思是“从大约X至大约Y”。

在说明书中，术语“第一”、“第二”、或“第三”仅用于便于说明而不旨在限定。任何由“第一”、“第二”、或“第三”表示的技术特征均是可互换的。

在说明书中，诸如“上”、“下”、“前”、“后”、“顶”、“底”等的空间关系用辞可以说明一个特征与另一特征在附图中的关系。应当理解的是，空间关系用辞除了包含附图所示的方位之外，还包含装置在使用或操作中的不同方位。例如，在附图中的装置倒转时，原先描述为在其它特征“下方”的特征，此时可以描述为在其它特征的“上方”。装置还可以以其它方式定向(旋转90度或在其它方位)，此时将相应地解释相对空间关系。

本公开涉及一种运用纳米压印技术制造过滤超细颗粒、尤其是病毒颗粒的薄膜的装置和方法。所述薄膜可以包括膜体以及设置在膜体上并贯通膜体的多个纳米孔。与传统的类似于熔喷布之类的薄膜相比，根据本公开的薄膜的纳米孔以预定阵列受控地布置、具有相同的孔径并且基本笔直地贯穿薄膜的膜体，一方面使得纳米孔不像在熔喷布上那样孔径不一，另一方面使得纳米孔具有基本笔直的通道而非像熔喷布那样具有弯弯曲曲的通道。这不仅使得本公开的薄膜几乎能够百分之百地过滤粒径小于纳米孔孔径的超细颗粒，而且还使得本公开的薄膜能够保持期望的高通透度和低流体阻力、从而使得流体(比如空气)能够以期望的流率畅通地流过薄膜。

为了良好地实施过滤，每个纳米孔的孔径均可以配置成小于待过滤的超细颗粒的粒径。比如，如果超细颗粒的粒径(包括典型的病毒颗粒粒径)在50纳米至400纳米之间，则根据本公开的薄膜的每个纳米孔的孔径可以设置在30纳米至300纳米之间。需要注意的是，在本公开中，“孔径”可以表示纳米孔的实际直径(针对圆形纳米孔而言)，也可以表示纳米孔的空气动力学直径(针对非圆形纳米孔，比如椭圆形、三角形、正方形、六边形、菱形、或其它多边形纳米孔而言)。

为了保持期望的高通透度和低流体阻力，根据本公开的薄膜的纳米孔优选地以预定阵列有规则地布置，使得纳米孔在单位面积薄膜上的占空比至少大于或等于10％；并且纳米孔优选地以受控的方式形成基本笔直的通道。在本公开中，“占空比”是指薄膜上所有纳米孔的空洞面积除以薄膜的总面积，“占空比”越大，流体(比如空气或水)越容易通过薄膜。在根据本公开的薄膜中，通过以预定阵列有规则地布置纳米孔，不仅使得纳米孔的占空比能够尽可能地最大化，而且还使得能够保证孔与孔之间的牢固连接。

与一些现有技术采用化学方法来制备具有纳米孔的薄膜不同，根据本公开的薄膜中的纳米孔主要借助于根据本公开的用于压印纳米孔薄膜的设备和方法而形成，将在下文详细地描述。

参照图1，示出了根据本公开的一个实施例的运用纳米压印技术制造纳米孔薄膜的压印装置1021。压印装置1021可以包括第一压印部件1022和第二压印部件1023。第一压印部件1022和第二压印部件1023中的至少一者上可以设置有以预定阵列布置的、呈突起状的多个压印元件1024。当第一压印部件1022和第二压印部件1023彼此挤压接触时，多个压印元件1024能够在设置于第一压印部件1022和第二压印部件1023之间的薄膜1025上压印出以所述预定阵列布置的、孔径大小受控的纳米孔1026。在根据本公开的实施例中，压印元件1024可以具有相同的尺寸和构造，并且压印元件1024的最大外径以及由之压印出纳米孔的最大孔径可以小于待过滤的超细颗粒的粒径。

需要注意的是，在本公开中，压印元件的“外径”可以表示压印元件的实际直径(针对具有圆形横截面的压印元件而言)，也可以表示压印元件的当量直径(针对具有非圆形，比如椭圆形、三角形、正方形、六边形、菱形、或其它多边形的横截面的压印元件而言)，当量直径可以通过将压印元件在某一位置处的4倍横截面积除以在该位置处的周长而计算得出。

压印元件1024可以具有各种形状或构造。在根据本公开的一个实施例中，压印元件1024在其高度方向上可以具有基本均匀的形状。如图2a所示，压印元件1024可以呈圆柱的形状。然而，本公开不局限于此，压印元件1024还可以呈椭圆柱、三棱柱、四棱柱、五棱柱、六棱柱、或其它多边形棱柱的形状。在根据本公开的另一个实施例中，压印元件1024在其高度方向上可以具有从其端部至其顶部渐缩的形状。如图2b所示，压印元件1024可以呈圆锥的形状。如图2c所示，压印元件1024可以呈截头圆锥形状。然而，本公开不局限于此，压印元件1024还可以呈三棱锥、四棱锥、五棱锥、六棱锥、或其它多边形棱锥的形状；另外，压印元件1024还可以呈截头三棱锥、截头四棱锥、截头五棱锥、截头六棱锥、或其它截头多边形棱锥的形状。

压印元件1024可以具有与将要形成的纳米孔相适配的形状和尺寸。比如，如果将要形成的纳米孔的孔径在30纳米和100纳米之间，则压印元件1024的最大外径可以设置成在30纳米和100纳米之间。可以调整压印元件1024在第一压印部件1022和/或第二压印部件1023上的预定阵列，以使得压印元件1024能够在单位面积的薄膜上压印出占空比大于或等于10％的纳米孔。通过选择压印元件1024的形状、尺寸以及所布置的预定阵列，能够受控地在薄膜上形成具有相同孔径和期望占空比的纳米孔，这不仅确保了所形成的薄膜能够近乎100％高效地过滤粒径大于纳米孔孔径的超细颗粒，而且确保了所形成的薄膜具有期望的高通透度和低流体阻力，使得携带超细颗粒的流体能够顺畅地通过薄膜。

另外，为了在膜体上形成纳米孔，压印元件1024还需要满足一定的纵横比(也称为高宽比，即：压印元件的高度与最大外径之比)。纵横比不能选择地太大，否则不仅导致压印元件1024难以受控地在薄膜上形成压印出通透的纳米孔，而且还导致压印元件1024容易损坏。另外，纵横比太大也会给压印元件1024的加工制造带来巨大困难，尤其是考虑压印元件1024的尺寸通常也在纳米级。通常而言，压印元件1024的纵横比需要小于5。对于孔径为60纳米的纳米孔而言，压印元件的最大高度通常小于300纳米。

压印元件1024可以以各种不同的方式设置在压印装置1021的第一压印部件和/或第二压印部件上。在根据本公开的一个实施例中，压印元件1024可以首先以预定阵列形成在基底上，然后，形成有压印元件1024的基底可以被贴合在压印装置1021的第一压印部件和/或第二压印部件上。在其它实施例中，压印元件1024可以被直接形成在压印装置1021的第一压印部件和/或第二压印部件上，比如，压印元件1024可以通过镶嵌、一体成型、二次模制、或其它任意合适方式中的一种或多种而被形成在压印装置1021的第一压印部件和/或第二压印部件上。

压印装置1021的第一压印部件1022和第二压印部件1023也可以具有各种形状和构造。在图1所示的实施例中，第一压印部件1022和第二压印部件1023均构造成压印辊的形式。在该实施例中，压印元件1024可以设置在第一压印部件1022和第二压印部件1023中的至少一者上或者同时设置在两者上。第一压印部件1022和第二压印部件1023能够彼此抵压并沿着相反的旋转方向旋转。在进行压印时，薄膜1025可以被传送至第一压印部件1022和第二压印部件1023之间，通过第一压印部件1022和第二压印部件1023的挤压作用而借助于压印元件1024在薄膜1025上形成纳米孔1026。另外，第一压印部件1022和第二压印部件1023在薄膜上压印出纳米孔1026的同时还可以传送已经压印过的薄膜。

在图3所示的实施例中，压印装置1021的第一压印部件1022可以构造成压印辊，而第二压印部件1023可以构造成压印板。压印元件1024可以设置在第一压印部件1022和第二压印部件1023中的至少一者上或者同时设置在两者上。优选地，压印元件1024可以设置在呈压印辊形式的第一压印部件1022上。在进行压印时，将薄膜传送至压印装置1021的第一压印部件1022和第二压印部件1023之间，借助于呈压印辊形式的第一压印部件1022的旋转而在薄膜上压印出纳米孔并同时传送已经压印过的薄膜。

在图4a和图4b所示的实施例中，压印装置1021的第一压印部件1022和第二压印部件1023均构造成压印板。压印元件1024可以设置在第一压印部件和第二压印部件中的至少一者上或者同时设置在两者上。在该实施例中，压印装置1021的第一压印部件1022和第二压印部件1023可以构造成能够朝向和远离彼此平移。如图4a所示，在进行压印时，首先将薄膜传送至第一压印部件1022和第二压印部件1023之间，然后第一压印部件1022和第二压印部件1023朝向彼此平移、或者第一压印部件1022和第二压印部件1023中的一者朝向另一者平移直至彼此抵接，从而借助于压印元件在位于期间的薄膜上压印出纳米孔。之后，第一压印部件1022和第二压印部件1023远离彼此平移、或者第一压印部件1022和第二压印部件1023中的一者远离另一者平移，释放压印过的薄膜、将压印过的薄膜传送至下一工位并将新的待压印的薄膜传送至第一压印部件1022和第二压印部件1023之间，以进行下一轮压印操作。

在根据本公开的一个实施例中，压印装置1021可以仅在薄膜的一侧压印出纳米孔(如图5所示)。在这种情况下，压印元件1024仅设置在压印装置1021的第一压印部件1022和第二压印部件1023中的一者上。受限于压印元件1024的纵横比的限制，当薄膜1025较厚时，压印元件在薄膜上压印出的纳米孔1026仅能够深入到薄膜的一部分厚度中而难以贯穿整个薄膜，此时需要借助于其它工序将薄膜减薄和/或使纳米孔的底部部分破裂而形成贯穿的纳米孔。当然，在薄膜较薄(比如薄膜厚度仅为几个纳米)时，压印元件也可以直接在薄膜上压印出贯穿整个薄膜厚度的纳米孔而无需进一步处理。

在根据本公开的其它实施例中，压印装置1021可以在薄膜的两侧压印出纳米孔(如图6a和图6b所示)。在这种情况下，压印元件1024可以同时设置在压印装置1021的第一压印部件和第二压印部件上。在图6a所示的实施例中，在薄膜1025的两侧压印出的纳米孔1026彼此面对，这使得纳米孔1026的未贯通部分非常薄，从而容易破裂而形成贯通的纳米孔。为此，需要使设置在第一压印部件1022上的压印元件的前端部与设置在第二压印部件1023上的压印元件的前端部彼此面对。在图6b所示的实施例中，在薄膜1025的两侧压印出的纳米孔1026也可以彼此错开，这样的方式可以增加在薄膜1025上压印出的纳米孔的密度，从而增大纳米孔在单位面积薄膜上的占空比。为此，需要使设置在第一压印部件1022上的压印元件的前端部与设置在第二压印部件1023上的压印元件的前端部彼此错开。

在根据本公开的又一个实施例中，压印装置1021可以在薄膜1025的一侧压印出纳米孔，而在薄膜的另一侧压印出孔径更大的孔甚至微米孔1027(如图7a和图7b)。为此，压印装置1021的第一压印部件1022上可以设置有用于压印纳米孔的多个第一压印元件，而第二压印部件1023上可以设置有用于压印孔径更大的孔、甚至大到微米级的孔的多个第二压印元件。多个第一压印元件和多个第二压印元件可以以相同或不同的预定阵列布置。多个第一压印元件具有基本相同的尺寸和构造，并且多个第二压印元件也具有基本相同的尺寸和构造，然而，第二压印元件的最大外径比第一压印元件的最大外径至少大数倍(比如，一个量级，在本公开中，一个量级表示10倍)，以使其能够压印出孔径更大的孔、或者大到微米级的的孔。根据本公开的实施例，尤其要解决薄膜压印出过滤超细颗粒必要的纳米级小孔阵列带来的压印深度不够的问题。用于压印出纳米孔的压印元件一般只能压印出数倍(比如3～5倍)于纳米孔直径的深度。如果要直接用压印元件压印出穿透薄膜的纳米孔，则薄膜的厚度必须很薄，从而无法使薄膜具备足够的厚度而形成足够的薄膜机械性能。为了解决该问题，根据本公开的一个实施例，可以利用压印装置的带有压印元件的第一压印部件和第二压印部件同时从薄膜的相反的两个面进行压印，其中，一面压印出纳米孔阵列而另一面压印出微米孔阵列，并且其中，纳米孔和微米孔彼此连通。纳米孔用于实现过滤超细颗粒的性能，而微米孔则使得利用大尺寸的压印元件在足够厚并因此具有足够机械强度的膜体上压印出贯穿整个膜体的连通的纳米孔和微米孔组合成为可能。因此，根据本公开的装置解决了在薄膜中直接压印出纳米孔的难题。

在根据本公开的一个实施例中，压印装置1021可以包括第一压印部件1022、第二压印部件1023a、和第三压印部件1023b(如图7c所示)。在一个优选实施例中，第一压印部件1022、第二压印部件1023a和第三压印部件1023b均构造成压印辊的形式。第一压印部件1022可以设置有用于压印出微米孔的压印元件，第二压印部件1023a可以设置有用于压印出纳米孔的压印元件，而第三压印部件1023b可以具有带一定硬度的光洁表面而不包含任何压印元件。在进行压印时，首先借助于第一压印部件1022和第三压印部件1023b在薄膜的一面压印出微米孔，然后借助于第一压印部件1022和第二压印部件1023a在已经压印出微米孔的薄膜的另一面上压印出纳米孔。在进行压印时，第一压印部件1022和第三压印部件1023b之间的距离被调节为能够在薄膜的一面压印出具有预定深度的微米孔而不压穿薄膜，从而在薄膜上留下一层具有数十纳米至数百纳米厚度的未贯穿隔膜，由此形成同时具有微米孔和未贯穿隔膜的结构。由第一压印部件1022和第三压印部件1023b压印过的薄膜围绕第一压印部件1022而被传输至第一压印部件1022和第二压印部件1023a之间的位置。在该位置处，借助于第二压印部件1023a而在薄膜的另一面、在未贯穿隔膜上压印出纳米孔，从而完成压印。一般来讲，利用该压印装置可以在薄膜上直接压印出与微米孔贯穿的纳米孔而无需做进一步处理。

为了防止压印元件1024在压印过程中损坏，在本公开的一个实施例中，压印装置1021的第一压印部件1022和第二压印部件1023中的至少一者可以构造成具有弹性，以在受到压印元件1024的压力时能够弹性地回缩，从而避免损坏压印元件1024。比如，压印装置1021的第一压印部件1022和第二压印部件1023中的至少一者可以由弹性材料制成，或者压印装置1021的第一压印部件1022和第二压印部件1023中的至少一者的外周表面可以由弹性材料制成。

在图8a所示的实施例中，压印元件1024设置在第一压印部件1022上，而第二压印部件1023构造成具有弹性。这样，当压印元件1024挤压薄膜1025以及其所面对的第二压印部件1023时，第二压印部件1023能够弹性地回缩，从而避免损坏压印元件1024。在图8b所示的实施例中，压印元件1024设置在第一压印部件1022上，并且第一压印部件1022和第二压印部件1024均构造成具有弹性。这样，当压印元件1024挤压薄膜1025以及其所面对的第二压印部件1023时，第一压印部件1022和第二压印部件1023能够朝相反的方向弹性地回缩，从而避免损坏压印元件1024。另外，尽管未示出，但是在压印元件1024设置在第一压印部件1022和第二压印部件1023两者上的情况下，第一压印部件1022和第二压印部件1023也可以均构造成具有弹性，从而在受到压印元件1024的挤压时均能够弹性地回缩，以免损坏压印元件1024。

在根据本公开的一个实施例中，第一压印部件1022和第二压印部件1023中的一者可以比另一者更软。

在根据本公开的一个实施例中，第一压印部件1022和第二压印部件1023可以均由硬材料或者可以均由软材料制成；或者第一压印部件1022和第二压印部件1023中的一者可以由硬材料制成而另一者可以由软材料制成。

在根据本公开的一个实施例中，压印装置1021可以包括高温加热组件，用于在利用压印装置1021压印薄膜之前、之中或之后固化薄膜。高温加热组件可以是加热罩、加热棒、加热管、或任何其它适当的加热组件。高温加热组件可以产生在100摄氏度至400摄氏度之间的固化温度。可以采用热电偶测量高温加热组件的温度，并利用控制器调节高温加热组件，以确保其所产生的固化温度在100摄氏度至400摄氏度之间。

在根据本公开的另一个实施例中，压印装置1021可以包括紫外线发射组件，紫外线发射组件用于在利用压印装置1021压印薄膜之前、之中或之后发射出紫外线来照射并固化薄膜。

接下来，参照图9描述利用根据本公开的压印装置来压印纳米孔薄膜的方法100。方法100至少可以包括材料准备工序101和纳米孔的压印工序102。

在材料准备工序101中，准备或铺设用于制造根据本公开的薄膜的膜体，并将其传送至压印装置1021、更具体地，传送至压印装置1021的第一压印部件1022和第二压印部件1023之间。在根据本公开的一个实施例中，膜体可以为柔性固体，在该情况中，可以通过一个或多个传送辊1011直接将呈柔性固体形式的膜体传送至压印装置1021以实施纳米孔的压印工序102。在根据本公开的另一个实施例中，膜体可以为液体，在该情况中，需要衬底膜来携带呈液体形式的膜体。具体地，在传送过程中首先使衬底膜经过盛放有液体膜体的液体槽1012，使得液体膜体均匀附着在衬底膜上并跟随衬底膜一起运动；之后，通过传送辊1011将附着有液体膜体的衬底膜传送至压印装置1021以实施纳米孔的压印工序102。在根据本公开的一个实施例中，膜体为混合有金属颗粒的聚合物液体，所述金属颗粒均匀地混合进膜体的表面和内部。

在根据本公开的又一个实施例中，为了使膜体(尤其是膜体为液体时)呈现一定的固态化而使其在被压印之后能够保持压印出的定型结构，方法100可以包括在压印工序102之前的前固化工序，以使呈液体形式的膜体至少部分固化。固化工序可以利用压印装置1021中的高温加热组件或紫外线发射组件来实施，利用高温加热或紫外线照射而固化膜体。

在纳米孔的压印工序102中，利用压印装置1021对输送至压印装置中的膜体进行纳米孔的压印。更具体地，利用设置在压印装置1021上的压印元件1024在膜体上受控地压印出呈预定阵列布置的、具有相同孔径的纳米孔1026，使得纳米孔1026从一侧至少伸入到膜体的一部分厚度中。

当膜体较薄时，可以利用压印元件1024在膜体的一侧压印出纳米孔1026，此时，可以使用仅在第一压印部件和第二压印部件中的一者上设置有压印元件1024的压印装置1021来实施压印操作。当膜体较厚时，可以利用压印元件1024在膜体的两侧同时压印出纳米孔1026。在膜体的两侧压印出的纳米孔1026可以彼此面对，从而使得纳米孔1026的未贯通部分非常薄以容易破裂而贯穿膜体。在膜体的两侧压印出的纳米孔1026也可以彼此错开，这可以增加在膜体上压印出的纳米孔的密度，从而增大纳米孔在单位面积膜体上的占空比。在根据本公开的一个实施例中，为了便于更容易地在膜体上压印出纳米孔，可以使用包括两种尺寸不同的压印元件的压印装置1021。在该实施例中，可以利用第一压印元件在膜体的第一侧压印出纳米孔1026，并利用第二压印元件在膜体的与第一侧相反的第二侧压印出微米孔或粒径更大的孔1027。由于第二压印元件具有微米或更大的尺寸，其因此可以在符合压印元件的纵横比的要求下具有更大的高度，从而使得压印出的微米孔或粒径更大的孔能够伸入到膜体的更大的部分，而使得膜体的未被纳米孔1026和微米孔1027穿透的部分变得更薄而更容易破裂。这将使得孔的后处理变得容易。

根据所使用的压印元件1024的不同形状和构造，可以压印出不同形状的纳米孔1026。当压印元件1024在其高度方向上具有基本均匀的形状(比如圆柱形状)时，其所压印出的纳米孔1026将在薄膜的厚度上具有均匀的外径；而当压印元件1024在其高度方向上具有渐缩的形状(比如圆锥形状)时，其所压印出的纳米孔1026将在薄膜的厚度上具有渐缩的外径。

在压印工序102之后可以实施后固化工序103，以使已经被压印出纳米孔的膜体最终固化并形成具有期望机械强度的薄膜。与前固化工序类似，后固化工序103可以通过压印装置1021的高温加热组件或紫外线发射组件来实施。在后固化工序103中，固化温度可以设置在100摄氏度至400摄氏度之间。

如前所述，在一些情况下，在纳米孔的压印工序102中形成的纳米孔只深入膜体的一部分而没有完全贯穿膜体，即形成隔膜1028(图10a)。为此，需要采用额外的孔处理工序104来使纳米孔贯穿整个膜体(如图10b所示)。在孔处理工序104中，可以采用多种不同的工序来使纳米孔贯穿整个膜体。在根据本公开的第一个实施例中，可以采用冷热处理工序，其可以通过对从固化工序出来的膜体实施快速冷却处理，通过迅速冷却处于高温的膜体而借助于快速的温度变化让膜体的未被纳米孔穿透的部分急剧收缩而破裂，从而使得纳米孔贯穿整个膜体；其还可以反复交替地快速加热和冷却膜体，从而进一步借助于交替的冷热温度变化让纳米孔的未穿透部分的膜体快速的热胀冷缩而破裂。在根据本公开的另一个实施例中，可以采用双面压差工序，其可以通过从膜体的一侧喷射高压气体、借助于膜体的上下表面两侧的压力差来使膜体的未被纳米孔穿透的部分破裂，从而形成贯穿整个膜体的纳米孔。在根据本公开的又一个实施例中，可以采用等离子蚀刻工序来减薄膜体，从而使得纳米孔贯穿减薄后的膜体。根据实际情况，上述三种工序可以单独使用，也可以结合使用。在根据本公开的再一个实施例中，当在膜体上形成的纳米孔孔径大于预定孔径时，可以通过在膜体表面上蒸发镀膜或者采用化学或物理气相沉积来使膜体表面增厚，由此可以对纳米孔的周围部分进行横向增厚，从而导致纳米孔的实际孔径变小。该工序可以对压印出的纳米孔进行进一步的修整和调节，从而确保获得纳米孔具有可控的和期望的孔径。

在根据本公开的一个实施例中，在孔处理工序104之后，可以采用透气性检测工序来检测膜体的透气性并由此来检测膜体中的纳米孔的通透度。具体地，与双面压差工序类似，在透气性检测工序中，在膜体的一侧向膜体表面喷射高压气体，由于纳米孔的存在，部分气体将通过纳米孔流向膜体的另一侧。纳米孔的通透度越大，越多的气体将更容易地流向膜体的另一侧，从而使得膜体两侧的压力差变小。基于该原理，可以利用压力传感器检测膜体两侧的压力并计算膜体两侧的压力差或者膜体两侧的压力比值，将该压力差或压力比值与已知通透度的标准薄膜样品的压力差或压力比值进行比较，从而测定得出膜体中的纳米孔的通透度。另一方面，由于膜体两侧压力差的存在，膜体会产生一定的弯曲。膜体两侧的压力差越小，膜体的弯曲程度越小。因此，还可以通过测量膜体的弯曲程度或弯曲处的位移，将测量的弯曲程度或位移与已知占空比或通透度的标准薄膜的弯曲程度或位移进行比较，从而测定得出膜体中的纳米孔的通透度。

在孔处理工序之后所形成的膜体可以直接投入使用，也可以使其进一步经受表面镀膜工序105而实现额外的用途。比如，在表面镀膜工序105中，可以在膜体表面上喷涂银粒子，以使得膜体具有杀菌消毒的作用。表面镀膜工序105可以在表面镀膜装置中实施，其可以包括真空腔体，在真空腔体内将待喷涂的金属蒸发、并使其沉积在膜体表面上。另外，在表面镀膜工序105中，可以在膜体表面上喷涂金属层，以使得膜体形成为可导电的膜体。

利用根据本公开的压印装置和方法制造的用于过滤超细颗粒的纳米孔薄膜具有以预定阵列布置的、贯穿所述膜体的多个纳米孔，所述多个纳米孔具有相同的孔径且所述多个纳米孔的孔径均受控地配置成小于待过滤的超细颗粒的粒径，并且所述纳米孔在单位面积薄膜上的占空比使得所述薄膜具有期望的通透度。这使得利用根据本公开的压印装置和方法制造的用于过滤超细颗粒的纳米孔薄膜具有广泛的应用。在根据本公开的一个实施例中，根据本公开的用于过滤超细颗粒物的纳米孔薄膜可以应用在防护设备中，比如口罩(尤其是防病毒口罩)、头罩、防护服、手套等。在该应用中，可以使用单层的薄膜，也可以使用多层的薄膜。在根据本公开的另一实施例中，根据本公开的用于过滤超细颗粒物的纳米孔薄膜还可以应用在建筑物或车用空气净化装置中、肾透析仪器的过滤设备中、以及水或油的纯化过滤设备中。在根据本公开的又一个实施例中，根据本公开的用于过滤超细颗粒物的纳米孔薄膜还可以用作锂电池中的隔膜。锂电池中的隔膜需要采用大小可控的、均匀的纳米孔阵列，因此，本公开的薄膜特别适于用作锂电池中的隔膜。利用本公开的薄膜制作的隔膜具备均匀的小孔孔径(50纳米至150纳米)、完全可以排除更大孔径的小孔、隔膜材料耐高温并且具有较大的硬度，从而大大提升了锂电池的安全性和能力密度。

上文参照附图描述了根据本公开的示例性实施例。但是，本领域技术人员应当理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，能够对本公开的示例性实施例进行多种变化和改变。所有变化和改变均包含在权利要求所限定的本公开的保护范围内。本公开由所附权利要求限定，并且这些权利要求的等同物也包含在内。

Claims (20)

1.一种用于压印纳米孔薄膜的装置，其特征在于，所述装置包括第一压印部件和第二压印部件，所述第一压印部件和所述第二压印部件中的至少一者上设置有以预定阵列布置的、呈突起状的多个第一压印元件，当所述第一压印部件和第二压印部件彼此挤压接触时，所述多个第一压印元件能够在设置于所述第一压印部件和第二压印部件之间的薄膜上压印出以所述预定阵列布置的、孔径大小受控的纳米孔，其中，所述多个第一压印元件具有相同或基本相同的尺寸和构造。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一压印元件的最大外径在30纳米至100纳米之间，并且所述第一压印元件配置成在单位面积的薄膜上压印出占空比大于或等于10％的纳米孔。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一压印元件的高度与最大外径之比小于5。

4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的装置，其特征在于，所述第一压印元件在其高度方向上具有基本均匀的形状。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第一压印元件呈选自圆柱、椭圆柱、和多边形棱柱之一的形状。

6.根据权利要求1至3中的任意一项所述的装置，其特征在于，所述第一压印元件在其高度方向上具有从端部至顶部渐缩的形状。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一压印元件具有呈选自圆锥、截头圆锥、多边形棱锥、和截头多边形棱锥之一的形状。

8.根据权利要求1至3中的任意一项所述的装置，其特征在于，所述第一压印部件和所述第二压印部件中的至少一者具有弹性，以在所述第一压印元件的压力作用下能够弹性地回缩，从而避免损坏所述第一压印元件。

9.根据权利要求1至3中的任意一项所述的装置，其特征在于，所述第一压印部件和所述第二压印部件均设置有所述第一压印元件，并且设置于所述第一压印部件上的第一压印元件的前端部与设置于所述第二压印部件上的第一压印元件的前端部构造成彼此面对，以能够在设置于所述第一压印部件和第二压印部件之间的薄膜上从不同侧面压印出以所述预定阵列布置的、孔径大小受控的纳米孔。

10.根据权利要求1至3中的任意一项所述的装置，其特征在于，所述第一压印部件和所述第二压印部件均设置有所述第一压印元件，并且设置于所述第一压印部件上的第一压印元件的前端部与设置于所述第二压印部件上的第一压印元件的前端部构造成彼此错开，以能够在设置于所述第一压印部件和第二压印部件之间的薄膜上从不同侧面压印出以所述预定阵列布置的、孔径大小受控的纳米孔。

11.根据权利要求1至3中的任意一项所述的装置，其特征在于，所述第一压印部件设置有所述多个第一压印元件，所述第二压印部件设置有以预定阵列布置的、呈突起状的多个第二压印元件，所述多个第二压印元件具有相同的尺寸和构造，并且所述多个第二压印元件的最大外径比所述多个第一压印元件的最大外径至少大一个量级。

12.根据权利要求1至3中的任意一项所述的装置，其特征在于，所述第一压印部件和第二压印部件均构造成压印辊，并且所述第一压印部件和第二压印部件能够沿着相反的旋转方向旋转。

13.根据权利要求1至3中的任意一项所述的装置，其特征在于，所述第一压印部件构造成压印辊，所述第二压印部件构造成压印板，并且所述第一压印部件能够相对于所述第二压印部件旋转。

14.根据权利要求1至3中的任意一项所述的装置，其特征在于，所述第一压印部件和第二压印部件均构造成压印板，并且所述第一压印部件和第二压印部件能够朝向彼此平移、或者所述第一压印部件和第二压印部件中的一者能够朝向所述第一压印部件和第二压印部件中的另一者平移。

15.根据权利要求1至3中的任意一项所述的装置，其特征在于，所述多个第一压印元件通过贴合连接、镶嵌、一体成型、二次模制中的一种而设置在所述第一压印部件和第二压印部件中的至少一者。

16.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述多个第一压印元件和所述多个第二压印元件通过贴合连接、镶嵌、一体成型、二次模制中的一种或多种而设置在所述第一压印部件和所述第二压印部件中的至少一者上。

17.根据权利要求1至3中的任意一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括第三压印部件，其中，所述第一压印部件和所述第二压印部件中的一者上设置有用于压印纳米孔的所述第一压印元件，所述第一压印部件和所述第二压印部件中的另一者上设置有用于压印微米孔的第二压印元件，所述第三压印部件具有光滑表面而不包括任何压印元件，并且其中，所述装置构造成首先通过第三压印部件和所述第二压印元件的配合在所述薄膜的一面上压印出微米孔、然后通过所述第一压印元件在所述薄膜的另一面上压印出纳米孔。

18.根据权利要求1至3中的任意一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括高温加热组件，所述高温加热组件用于在利用所述装置压印薄膜之前、之中或之后固化所述薄膜。

19.根据权利要求1至3中的任意一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括紫外线发射组件，所述紫外线发射组件用于在利用所述装置压印薄膜之前、之中或之后发射出紫外线来照射并固化所述薄膜。

20.根据权利要求1至3中的任意一项所述的装置，其特征在于，所述第一压印部件和所述第二压印部件中的一者比另一者更软。

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