[发明专利]多嵌段共聚物及其使用方法

说明书

相关申请

本申请在35U.S.C.§119(e)下要求2013年3月11日提交的美国临时专利申请61/851,615和2013年9月6日提交的美国临时专利申请61/874,776的优先权，各自通过全文引用结合到本文中。

政府支持

本发明在NationalInstitutesofHealth颁发的DHHSRR025761下在政府支持下进行。政府对本发明具有某些权利。

技术领域

本发明涉及聚合物组合物和它们的制造。具体地，本发明涉及多嵌段聚合物和共聚物、它们的制造、改性和/或功能化和作为隔膜或膜的用途。

背景技术

化学分离为能源密集型。人类约10％的日能源利用被消耗用于操作这些过程。尽管它们大的能量需求，化学分离是食品生产、饮用水纯化和开发疗法必要的。因此，需要产生高效节能和对环境-负责的可持续发展的材料和分离过程来产生对于载体人类在地球上的生命重要的重大的资源。

因为不依赖于热量来产生分离，隔膜分离避免与热量利用相关的热力学限制(即，卡诺效率)。例如，通过反渗透(RO)海水脱盐的成功为能量节约和可持续性的模式，其可通过用隔膜分离代替传统的分离过程来实现。起初，RO脱盐比等价热脱盐方法(例如多阶段快速蒸馏(MSF))消耗几乎三倍多的能量。然而，在过去的四十年，由于基础技术发展，海水RO的能量需要已显著降低，并且现在需要MSF一半的能量。由于该能量节约，RO正快速替代热方法作为优选的脱盐技术。

RO脱盐成功的中心是优化隔膜材料和隔膜结构。具体地，基于聚酰胺化学性的从不对称乙酸纤维素隔膜到薄膜复合材料隔膜的转变使得反渗透成功。存在类似的机会用隔膜分离来代替其它能量无效和对环境负重的分离过程，例如层析法和萃取。

因此，明显的是隔膜分离近年来已获得提高的注意，因为它们能旁过与热量利用相关的限制，该限制是阻碍更加传统的通过热驱动的分离固有的无效。还发现隔膜用于纯化热-敏感的分子。同时，纯化稀释的溶质对于工业正变得日益重要。例如，从发酵肉汤分离单细胞系抗体和其它生物药物以及分离衍生自天然存在的资源的化学品为依赖强健的分离方案的浮现的领域。然而，利用传统的分离方法来纯化这些稀释的溶质为能源密集型，并且需要大体积的溶剂，这对自然环境造成负担，并且固有地提高生产成本。因此，开发采用更加对环境-负责的方式同时利用较少能量可完成这些分离的隔膜过程是研究的主动区域。目前，不存在允许层析法或基于萃取的分离过程的隔膜被隔膜分离代替。

因此，产生具有单分散孔尺寸并且可达到高通量，同时增加适合孔壁化学性以提高耐污损性或实施化学选择性分离的能力的结构学将发展当前隔膜技术的现有技术。

发明内容

本发明提供一种用于开发和制造新的材料的新的方法、用于执行隔膜分离的过程和装置，其为朝向更加可持续发展的化学分离的已被证明的路径。

为此，本文描述的本发明包括一种分离技术的新的范例，其利用自装配的、在化学上可调节的多嵌段共聚物来制造，采用轻便的和可量测的方式，为具有可调节的孔化学性的充分定义的单分散孔的新的隔膜平台。

在一种实施方式中，本文描述的本发明包括官能的多嵌段共聚物，其可用于制造纳米结构化的具有官能的孔壁的高性能隔膜。

本发明的一方面提供一种包含纳米多孔活性选择性层的多嵌段共聚物隔膜，所述层含有平均直径小于5nm的孔。

当实践本发明的各方面时可实现的精确控制物理和化学性质改进隔膜的性质。与当前的工业隔膜相比，精确控制孔尺寸和形状允许高得多的流速。这还允许基于尺寸-排阻的机理，其中在含水或气体介质中的离子、分子或其它物质基于具有小于隔膜孔的有效尺寸可优先允许通过隔膜，或者基于具有大于隔膜孔的有效尺寸可优先不允许通过隔膜。离子或分子的有效尺寸可提及其离子尺寸或其水合尺寸。当离子溶解于水中时，其形成疏松连接的水分子的水合壳，关于其输送性质，该水合壳倾向于提高其有效尺寸(称为水合尺寸)。隔膜和/或孔的化学功能化还可用于进一步增强隔膜选择性。

在一些实施方式中，将隔膜化学官能化，以增强与特定类型的靶物质或污染物的亲和力，或者在其它实施方式中，其可设计用于减轻隔膜的污损倾向。隔膜的选择性可仅由于孔尺寸或孔化学性，或者在许多实施方式中，由于隔膜的物理和化学特性的组合。

附图说明