纤维素膜膜孔和膜性能的接枝调控

巩祥壮，袁涛，张卓，孟建强，张宇峰

（天津工业大学中空纤维膜材料与膜过程省部共建国家重点实验室培育基地，天津300387）

纤维素膜膜孔和膜性能的接枝调控

巩祥壮，袁涛，张卓，孟建强，张宇峰

（天津工业大学中空纤维膜材料与膜过程省部共建国家重点实验室培育基地，天津300387）

采用巯基乙酸对聚乙二醇（PEG）端基进行修饰，然后将再生纤维素膜乙烯基化，在UV照射的条件下，将巯基化PEG接枝到乙烯化后的再生纤维素膜表面，并用核磁共振对PEG和巯基化的PEG进行表征；分别用ATR-FTIR和XPS观察原膜、乙烯化膜、光引发后膜表面的结构组成；考察原膜与改性膜的纯水通量、孔径分布变化；并通过对牛血清磷酸缓冲溶液（BSA/PBS）的动态抗污染实验考察改性膜的耐污染能力.结果表明：成功合成出了巯基化PEG，ATR-FTIR及XPS证明了PEG链成功接枝在膜的表面；改性后膜的抗污染能力较原膜有所增强.

再生纤维素膜；膜孔；膜性能；接枝调控；巯烯基加成；聚乙二醇；抗污染

随着生活水平的提高，人们对一些具有生理活性的蛋白质质量和纯度的要求越来越高[1].因此，对处在复杂混合体系中的蛋白质进行分离的需求也日益增多.根据蛋白质分子大小，采用膜分离技术来分离蛋白质是目前最常用的方法，它具有设备简单、常温操作、无相变及化学变化、选择性高及能耗低等优点[2-3].采用膜分离技术对含有蛋白质的溶液进行分离、纯化已得到了广泛的应用，如Charcosset等[4]从一些大的蛋白质分子溶液中提取一些小分子的粒子，从一些消毒液中提取细菌和病毒等；Manohar等[5]采用孔大小为0.2 μm的微孔膜成功分离了缺陷短波单孢菌；在制药过程中，Sundaram等[6]采用0.1 μm的微孔膜成功地分离了小分子的微生物；Shufang等[7]成功制备了基于尺寸大小来分离蛋白质的分离膜.本实验考虑选用再生纤维素微孔膜为基膜，并对其进行乙烯基修饰，然后通过巯基烯加成反应，将端基巯基化修饰后的单分散线性PEG分子接枝在纤维素微孔膜孔表面，根据PEG分子接枝量的不同得到相应不同孔径大小的微孔膜.由于PEG分子对蛋白质具有很强的排斥作用，选用PEG分子接枝到膜孔上，改性后的再生纤维素分离膜可用于蛋白质分离，对缓解蛋白质吸附、提高膜的耐污染性具有重要作用.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

所用试剂包括：聚乙二醇（PEG2000）、二甲苯、二氯甲烷、无水乙醚，天津博迪化工股份有限公司产品；冰乙酸、95%乙醇、丙酮，天津市风船化学试剂科技有限公司产品；对甲苯磺酸、巯基乙酸、安息香二甲醚（DMPA），阿拉丁试剂有限公司产品；乙烯基三甲氧基硅烷，玛雅试剂有限公司产品；再生纤维素膜，直径47 mm，平均孔径0.2 μm，德国赛多利斯公司产品；牛血清白蛋白（组分V，BSA），北京普博欣生物科技有限责任公司产品.

所用仪器包括：万分之一电子天平、实验室pH计，上海梅特勒-托利多仪器有限公司产品；磁力搅拌器，天津市欧诺仪器仪表有限公司产品；紫外照射装置（UV-12W），实验室自制；Vector 22型傅里叶变换红外光谱仪、核磁共振仪（400 MHz），德国BRUKE公司产品；S4800型场发射扫描电子显微镜，日本日立公司产品；CFP-1100-A型毛细管流动孔径分析仪，美国Porous Materials Inc产品；K-Alphα型X射线光电子能谱仪，美国Thermo Fisher公司产品；ASAP-2020氮吸附仪，美国麦克仪器公司产品.

1.2 聚乙二醇的端基修饰

聚乙二醇的端基修饰即巯基化实验，是由PEG2000和巯基乙酸为反应物，以对甲苯磺酸为催化剂，通过酯化反应来合成的[8].具体步骤如下.

（1）将100 mL二甲苯加入到三口烧瓶中，在氮气保护下预加热到120℃，再依次加入10 g PEG2000、1.38 g巯基乙酸、10 mg对甲苯磺酸，搅拌反应10 h.

（2）反应结束后，反应聚合物用200 mL无水乙醚在5℃下纯化，再用二氯甲烷为溶剂，重复洗涤3遍.

（3）真空室温干燥2 d可得最后的产物.

1.3 再生纤维素膜的乙烯基化[9]

将再生纤维素膜放入纯水中，30℃下振荡洗涤2 h，取出放入烘箱40℃下烘干4 h，备用.用移液管量取33.75 mL的95%乙醇，加入2 mL乙烯基三甲氧基硅烷偶联剂（MeOSiVi），然后用冰醋酸将上述溶液的pH值调至3.5，密封室温搅拌2 h.将烘干后的再生纤维素膜称重后，放入上述溶液中，室温搅拌反应2 h.然后将膜取出放入烘箱，于120℃下反应2 h.将膜取出后，用95%乙醇在振荡器洗涤4 h.最后将膜取出放入烘干箱中于40℃干燥过夜，室温干燥保存.

1.4 紫外引发改性纤维素膜的制备

先将制备好的乙烯化膜在40℃恒温烘箱中烘干2 h，备用.将0.03 g光引发剂安息香二甲醚DMPA溶解在12.5 mL丙酮中后，加入10 mL纯水，混合均匀后，加入0.3 g合成后的PEG2000-SH，再将烘干好的乙烯化膜称重，加入上述溶液中，通入氮气保护.最后在实验室自制的UV-12W紫外灯装置照射下引发反应，照射时间10 min.反应结束后，将膜取出烘干称重，制样准备测试.

1.5 测试与表征

（1）核磁表征.采用Bruker-400MHz核磁共振波谱仪对修饰后的PEG进行表征.

（2）膜的表面性质和结构表征.采用Vector-22型傅里叶变换红外光谱仪对膜表面进行测试，考察膜的化学组成；采用K-Alphα型X射线光电子能谱（XPS）仪对改性前后的膜表面元素组成及元素相对含量进行分析；采用S4800型场发射扫描电镜（FE-SEM）观察膜表面形貌.

（3）膜性能的测试.采用膜性能测试装置考察膜的纯水通量，计算公式为：式中：J为纯水通量（L/（m2·h·kPa））；V为透过液体积（mL）；S为膜有效面积（cm2）；Δt为通过时间（h）.膜性能测试装置为实验室自制，如图1所示.

图1 膜性能测试装置图Fig.1 Schematic diagram of membrane testing system

（4）膜接枝密度的计算.膜表面的接枝率为：

式中：GD为膜表面接枝密度（nm-2）；GY为膜表面接枝率（g/cm2），由称重法算出；SSA为测试比表面积（m2），由ASAP-2020型氮吸附仪测定；MW为PEG分子质量（g/mol）.

（5）膜孔径分布的测试：采用CFP-1100-A型毛细管流动孔径分析仪分别对原膜、改性膜进行孔径分布测试.

（6）膜的动态抗污染性研究：配制1 g/L的BSA/ PBS溶液，分别将原膜、改性膜置入自制的膜性能测试装置中，考察其对BSA/PBS溶液通量的变化，由瞬时通量比R来评估膜的耐污染性能：

式中：Fi为瞬时通量（L/（m2·h·kPa））；F0为初始通量（L/（m2·h·kPa））.

2 结果与讨论

2.1 PEG2000-SH的合成

PEG2000-SH的核磁图谱如图2所示.

图2 PEG2000-SH的核磁图谱Fig.2 1H-NMR spectrum of PEG2000-SH

本实验中的PEG2000-SH是由PEG2000与巯基乙酸经酯化反应合成的.在巯基-烯接枝反应中，PEG-SH分子中—SH含量的高低对反应效果的影响至关重要.由图2可以看出，在3.25×10-6处出现的吸收峰为-CH2SH中亚甲基氢的作用；4.29×10-6处出现的吸收峰为—CH2—O—C（=O）—中亚甲基氢的作用；3.65×10-6～3.83×10-6处出现的吸收峰为—OCH2—CH2—O—中亚甲基氢的作用.通过计算对比这些吸收峰的强度可以发现，PEG2000-SH的巯基化程度为97%.

2.2 膜的表面性质和结构表征

2.2.1 红外表征

图3所示为再生纤维素原膜、乙烯化膜、接枝膜的红外谱图.

由图3可知，与原膜的红外谱图相比，乙烯化后膜在1 601 cm-1处出现了吸收峰，这是乙烯基三甲氧基硅烷中的C=C键吸收峰；在1 276 cm-1处出现了微弱的吸收峰变化，这是由于乙烯基三甲氧基硅烷中的Si—C键引入所导致的；在700～1 000 cm-1处出现C—Si和Si—O—Si的振动吸收峰，由此可证明乙烯化反应成功.膜经光引发接枝后，在1 736 cm-1处出现了C=O吸收峰，这是接枝的PEG2000-SH上所带的C=O的吸收峰；在1 100 cm-1处C—O峰强变强，这是由于在接枝了PEG2000-SH后膜表面上的C—O比例增加所导致的；光引发膜在2 961 cm-1处的峰变强，这是由于接枝上的PEG2000分子链上—CH2—的作用.由此可以说明PEG2000-SH成功接枝到了膜上.

图3 再生纤维素原膜、乙烯化膜、光引发膜的红外谱图Fig.3 FTIR of spectra unmodified，vene-functionalized and photo-initiated regenerated cellulose membrane

2.2.2 XPS分析

图4所示为再生纤维素原膜、乙烯化膜、光引发膜的XPS谱图，其分析数据如表1所示.

图4 再生纤维素原膜、乙烯化膜和光引发膜的XPS谱图Fig.4 XPS spectra of unmodified，ene-functionalized，photo-initiated regenerated cellulose membranes

表1 原膜、乙烯化膜、光引发膜的XPS元素分析Tab.1Chemical composition of unmodified，ene-functionalized，photo-initiated regenerated cellulose membrane

结合图4和表1可以看出：乙烯化膜表面出现了乙烯基三甲氧基硅烷中的硅元素，且C/O元素比例1.37低于原膜的1.48，由于乙烯基三甲氧基硅烷中氧含量较高，由此可以说明乙烯基三甲氧基硅烷成功接枝到了再生纤维素膜上.光引发后膜上出现了微弱的S元素峰，S元素的出现说明光引发后的膜上带有巯基PEG；光引发膜表面C/O元素比例为1.51，高于乙烯化膜，这可能是由于膜表面的PEG2000-SH分子链上C元素含量较高所导致的.再结合图3中红外谱图的数据，可以证明巯基化PEG分子成功接枝到了乙烯基化的再生纤维素膜上.

2.2.3 SEM分析

图5为场发射扫描电子显微镜观测到的再生纤维素原膜和接枝PEG2000分子后膜的表面形貌.

图5 再生纤维素膜改性前后的FESEM图Fig.5 FESEM images of regenerated cellulose membrane before and after modified

由图5可见：再生纤维素原膜表面孔径比较规整均一，孔径相对较大；接枝后的膜经FESEM电子轰击时变白，尤其在膜孔的周围比较明显，孔径显得不够规整.这是由于PEG2000常温下是白色固体，膜表面接枝上了PEG分子，所以发白，膜孔处发白比较明显，可能是较多的PEG分子链接枝到膜孔上所致.由于PEG是链状分子，接枝到膜表面及膜孔上时，分子链出现了卷曲缠绕，会造成膜孔径有一定的减小.

2.3 膜平均孔径分析

图6所示为再生纤维素原膜、改性膜的平均孔径.其中1#、2#、3#、4#分别代表接枝密度为0.78、0.92、1.12、1.37 nm-2的改性膜.

图6 再生纤维素原膜、改性膜的平均孔径Fig.6 Average pore size of unmodified，modified regenerated cellulose membrane

由图6可知，原膜的平均孔径为198 nm，改性以后膜的平均孔径相比于原膜的孔径均有所降低，且随着接枝密度的增加，膜的平均孔径逐渐减小.

2.4 膜纯水通量的测试

图7所示为再生纤维素原膜、改性膜的纯水通量测试结果.其中1#、2#、3#、4#分别代表接枝密度为0.78、0.92、1.12、1.37 nm-2的改性膜.

图7 再生纤维素原膜、改性膜的纯水通量Fig.7 Water flux of unmodified，modified regenerated cellulose membrane

由图7可以看出，再生纤维素膜的纯水通量达到14.47 L/（m·h·kPa），在对其改性之后，膜的纯水通量出现了下降，且随着改性膜接枝密度的提高，膜的纯水通量下降的更加明显，当接枝密度为1.37 nm-2时膜的纯水通量下降到2.65 L/（m·h·kPa）.这是由于高接枝率的膜具膜孔接枝量也比较多，导致其孔径变小，水通量下降.

2.5 膜的动态抗污染性能

图8所示为再生纤维素原膜、改性膜的BSA/PBS溶液通量变化图，其中1#、2#、3#、4#分别代表接枝密度为0.78、0.92、1.12、1.37 nm-2的改性膜.

图8 再生纤维素原膜、改性膜的BSA/PBS溶液通量Fig.8 BSA/PBS flux of unmodified，modified regenerated cellulose membrane

由图8可以看出，随着时间的延长，原膜和改性膜在BSA/PBS溶液中的通量都出现了一定程度的下降，在40～50 min后达到了平衡；其中原膜的通量下降较快，而改性膜的通量变化较小.这是由于膜接枝上PEG分子后，由于PEG分子本身对BSA的非特异性吸附，减少BSA吸附在膜上，减缓了对膜的污染.由此说明，接枝PEG明显地提高了膜的抗污染能力.

3 结论

（1）通过巯基乙酸与PEG2000之间的酯化反应制备巯基化聚乙二醇，并采用核磁共振波谱仪进行表征，结果表明，成功合成出了巯基化聚乙二醇，PEG巯基化程度可达97%.

（2）用巯基烯加成反应将PEG2000-SH成功接枝到乙烯化后的再生纤维素膜上，接枝密度可达1.37nm-2.

（3）接枝改性后，与原膜相比，随着接枝密度的增加，膜的平均孔径降低，通量降低，抗污染能力提高.

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Graft regulation of cellulose membrane′s pore and properties

GONG Xiang-zhuang，YUAN Tao，ZHANG Zhuo，MENG Jian-qiang，ZHANG Yu-feng
（State Key Laboratory of Hollow Fiber Membrane Materials and Processes，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

After the PEG end group modificated by mercaptoacetic acid，the cellulose membrane regenerated by the vinyl，and then the thiol PEG is grafted to the regenerated cellulose membrane in UV irradiation conditions.The PEG and PEG thiol are characterized by NMR，and the surface structures of original membrane，vinyl membrane，light triggered membrane are observed by ATR-FTIR and XPS，respectively.The changes of pure water flux and pore size distribution of the original membrane and the modified membrane are also inspected，and the fouling resistance of modified membrane is observed by the dynamic anti-pollution experiment for bovine serum phosphate buffer solution（BSA/PBS）.The experimental results show that the thiol of PEG is synthesized successfully，and ATR-FTIR and XPS prove that PEG chains are grafted onto the membrane surface successfully. Compared to the original film the anti-pollution capability of modified membrane has been enhanced.

regenerated cellulose membrane；membrane pore；membrane property；graft regulation；thiol-ene addition；polyethylene glycol；anti-pollution

TQ340.649

A

1671－024X（2013）06－0009－05

2013-08-30

国家高技术研究发展计划项目（863计划）（2012AA03A602）；国家自然科学基金资助项目（21274108）

巩祥壮（1988—），男，硕士研究生.

张宇峰（1962—），男，教授，博士生导师.E-mail：zyf9182@tjpu.edu.cn.