鞏祥壯，袁濤，張卓，孟建強，張宇峰

（天津工業(yè)大學中空纖維膜材料與膜過程省部共建國家重點實驗室培育基地，天津300387）

纖維素膜膜孔和膜性能的接枝調(diào)控

鞏祥壯，袁濤，張卓，孟建強，張宇峰

（天津工業(yè)大學中空纖維膜材料與膜過程省部共建國家重點實驗室培育基地，天津300387）

采用巰基乙酸對聚乙二醇（PEG）端基進行修飾，然后將再生纖維素膜乙烯基化，在UV照射的條件下，將巰基化PEG接枝到乙烯化后的再生纖維素膜表面，并用核磁共振對PEG和巰基化的PEG進行表征；分別用ATR-FTIR和XPS觀察原膜、乙烯化膜、光引發(fā)后膜表面的結(jié)構(gòu)組成；考察原膜與改性膜的純水通量、孔徑分布變化；并通過對牛血清磷酸緩沖溶液（BSA/PBS）的動態(tài)抗污染實驗考察改性膜的耐污染能力.結(jié)果表明：成功合成出了巰基化PEG，ATR-FTIR及XPS證明了PEG鏈成功接枝在膜的表面；改性后膜的抗污染能力較原膜有所增強.

再生纖維素膜；膜孔；膜性能；接枝調(diào)控；巰烯基加成；聚乙二醇；抗污染

隨著生活水平的提高，人們對一些具有生理活性的蛋白質(zhì)質(zhì)量和純度的要求越來越高[1].因此，對處在復雜混合體系中的蛋白質(zhì)進行分離的需求也日益增多.根據(jù)蛋白質(zhì)分子大小，采用膜分離技術(shù)來分離蛋白質(zhì)是目前最常用的方法，它具有設(shè)備簡單、常溫操作、無相變及化學變化、選擇性高及能耗低等優(yōu)點[2-3].采用膜分離技術(shù)對含有蛋白質(zhì)的溶液進行分離、純化已得到了廣泛的應用，如Charcosset等[4]從一些大的蛋白質(zhì)分子溶液中提取一些小分子的粒子，從一些消毒液中提取細菌和病毒等；Manohar等[5]采用孔大小為0.2 μm的微孔膜成功分離了缺陷短波單孢菌；在制藥過程中，Sundaram等[6]采用0.1 μm的微孔膜成功地分離了小分子的微生物；Shufang等[7]成功制備了基于尺寸大小來分離蛋白質(zhì)的分離膜.本實驗考慮選用再生纖維素微孔膜為基膜，并對其進行乙烯基修飾，然后通過巰基烯加成反應，將端基巰基化修飾后的單分散線性PEG分子接枝在纖維素微孔膜孔表面，根據(jù)PEG分子接枝量的不同得到相應不同孔徑大小的微孔膜.由于PEG分子對蛋白質(zhì)具有很強的排斥作用，選用PEG分子接枝到膜孔上，改性后的再生纖維素分離膜可用于蛋白質(zhì)分離，對緩解蛋白質(zhì)吸附、提高膜的耐污染性具有重要作用.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

所用試劑包括：聚乙二醇（PEG2000）、二甲苯、二氯甲烷、無水乙醚，天津博迪化工股份有限公司產(chǎn)品；冰乙酸、95%乙醇、丙酮，天津市風船化學試劑科技有限公司產(chǎn)品；對甲苯磺酸、巰基乙酸、安息香二甲醚（DMPA），阿拉丁試劑有限公司產(chǎn)品；乙烯基三甲氧基硅烷，瑪雅試劑有限公司產(chǎn)品；再生纖維素膜，直徑47 mm，平均孔徑0.2 μm，德國賽多利斯公司產(chǎn)品；牛血清白蛋白（組分V，BSA），北京普博欣生物科技有限責任公司產(chǎn)品.

所用儀器包括：萬分之一電子天平、實驗室pH計，上海梅特勒-托利多儀器有限公司產(chǎn)品；磁力攪拌器，天津市歐諾儀器儀表有限公司產(chǎn)品；紫外照射裝置（UV-12W），實驗室自制；Vector 22型傅里葉變換紅外光譜儀、核磁共振儀（400 MHz），德國BRUKE公司產(chǎn)品；S4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡，日本日立公司產(chǎn)品；CFP-1100-A型毛細管流動孔徑分析儀，美國Porous Materials Inc產(chǎn)品；K-Alphα型X射線光電子能譜儀，美國Thermo Fisher公司產(chǎn)品；ASAP-2020氮吸附儀，美國麥克儀器公司產(chǎn)品.

1.2 聚乙二醇的端基修飾

聚乙二醇的端基修飾即巰基化實驗，是由PEG2000和巰基乙酸為反應物，以對甲苯磺酸為催化劑，通過酯化反應來合成的[8].具體步驟如下.

（1）將100 mL二甲苯加入到三口燒瓶中，在氮氣保護下預加熱到120℃，再依次加入10 g PEG2000、1.38 g巰基乙酸、10 mg對甲苯磺酸，攪拌反應10 h.

（2）反應結(jié)束后，反應聚合物用200 mL無水乙醚在5℃下純化，再用二氯甲烷為溶劑，重復洗滌3遍.

（3）真空室溫干燥2 d可得最后的產(chǎn)物.

1.3 再生纖維素膜的乙烯基化[9]

將再生纖維素膜放入純水中，30℃下振蕩洗滌2 h，取出放入烘箱40℃下烘干4 h，備用.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聯(lián)劑（MeOSiVi），然后用冰醋酸將上述溶液的pH值調(diào)至3.5，密封室溫攪拌2 h.將烘干后的再生纖維素膜稱重后，放入上述溶液中，室溫攪拌反應2 h.然后將膜取出放入烘箱，于120℃下反應2 h.將膜取出后，用95%乙醇在振蕩器洗滌4 h.最后將膜取出放入烘干箱中于40℃干燥過夜，室溫干燥保存.

1.4 紫外引發(fā)改性纖維素膜的制備

先將制備好的乙烯化膜在40℃恒溫烘箱中烘干2 h，備用.將0.03 g光引發(fā)劑安息香二甲醚DMPA溶解在12.5 mL丙酮中后，加入10 mL純水，混合均勻后，加入0.3 g合成后的PEG2000-SH，再將烘干好的乙烯化膜稱重，加入上述溶液中，通入氮氣保護.最后在實驗室自制的UV-12W紫外燈裝置照射下引發(fā)反應，照射時間10 min.反應結(jié)束后，將膜取出烘干稱重，制樣準備測試.

1.5 測試與表征

（1）核磁表征.采用Bruker-400MHz核磁共振波譜儀對修飾后的PEG進行表征.

（2）膜的表面性質(zhì)和結(jié)構(gòu)表征.采用Vector-22型傅里葉變換紅外光譜儀對膜表面進行測試，考察膜的化學組成；采用K-Alphα型X射線光電子能譜（XPS）儀對改性前后的膜表面元素組成及元素相對含量進行分析；采用S4800型場發(fā)射掃描電鏡（FE-SEM）觀察膜表面形貌.

（3）膜性能的測試.采用膜性能測試裝置考察膜的純水通量，計算公式為：式中：J為純水通量（L/（m2·h·kPa））；V為透過液體積（mL）；S為膜有效面積（cm2）；Δt為通過時間（h）.膜性能測試裝置為實驗室自制，如圖1所示.

圖1 膜性能測試裝置圖Fig.1 Schematic diagram of membrane testing system

（4）膜接枝密度的計算.膜表面的接枝率為：

式中：GD為膜表面接枝密度（nm-2）；GY為膜表面接枝率（g/cm2），由稱重法算出；SSA為測試比表面積（m2），由ASAP-2020型氮吸附儀測定；MW為PEG分子質(zhì)量（g/mol）.

（5）膜孔徑分布的測試：采用CFP-1100-A型毛細管流動孔徑分析儀分別對原膜、改性膜進行孔徑分布測試.

（6）膜的動態(tài)抗污染性研究：配制1 g/L的BSA/ PBS溶液，分別將原膜、改性膜置入自制的膜性能測試裝置中，考察其對BSA/PBS溶液通量的變化，由瞬時通量比R來評估膜的耐污染性能：

式中：Fi為瞬時通量（L/（m2·h·kPa））；F0為初始通量（L/（m2·h·kPa））.

2 結(jié)果與討論

2.1 PEG2000-SH的合成

PEG2000-SH的核磁圖譜如圖2所示.

圖2 PEG2000-SH的核磁圖譜Fig.2 1H-NMR spectrum of PEG2000-SH

本實驗中的PEG2000-SH是由PEG2000與巰基乙酸經(jīng)酯化反應合成的.在巰基-烯接枝反應中，PEG-SH分子中—SH含量的高低對反應效果的影響至關(guān)重要.由圖2可以看出，在3.25×10-6處出現(xiàn)的吸收峰為-CH2SH中亞甲基氫的作用；4.29×10-6處出現(xiàn)的吸收峰為—CH2—O—C（=O）—中亞甲基氫的作用；3.65×10-6～3.83×10-6處出現(xiàn)的吸收峰為—OCH2—CH2—O—中亞甲基氫的作用.通過計算對比這些吸收峰的強度可以發(fā)現(xiàn)，PEG2000-SH的巰基化程度為97%.

2.2 膜的表面性質(zhì)和結(jié)構(gòu)表征

2.2.1 紅外表征

圖3所示為再生纖維素原膜、乙烯化膜、接枝膜的紅外譜圖.

由圖3可知，與原膜的紅外譜圖相比，乙烯化后膜在1 601 cm-1處出現(xiàn)了吸收峰，這是乙烯基三甲氧基硅烷中的C=C鍵吸收峰；在1 276 cm-1處出現(xiàn)了微弱的吸收峰變化，這是由于乙烯基三甲氧基硅烷中的Si—C鍵引入所導致的；在700～1 000 cm-1處出現(xiàn)C—Si和Si—O—Si的振動吸收峰，由此可證明乙烯化反應成功.膜經(jīng)光引發(fā)接枝后，在1 736 cm-1處出現(xiàn)了C=O吸收峰，這是接枝的PEG2000-SH上所帶的C=O的吸收峰；在1 100 cm-1處C—O峰強變強，這是由于在接枝了PEG2000-SH后膜表面上的C—O比例增加所導致的；光引發(fā)膜在2 961 cm-1處的峰變強，這是由于接枝上的PEG2000分子鏈上—CH2—的作用.由此可以說明PEG2000-SH成功接枝到了膜上.

圖3 再生纖維素原膜、乙烯化膜、光引發(fā)膜的紅外譜圖Fig.3 FTIR of spectra unmodified，vene-functionalized and photo-initiated regenerated cellulose membrane

2.2.2 XPS分析

圖4所示為再生纖維素原膜、乙烯化膜、光引發(fā)膜的XPS譜圖，其分析數(shù)據(jù)如表1所示.

圖4 再生纖維素原膜、乙烯化膜和光引發(fā)膜的XPS譜圖Fig.4 XPS spectra of unmodified，ene-functionalized，photo-initiated regenerated cellulose membranes

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

結(jié)合圖4和表1可以看出：乙烯化膜表面出現(xiàn)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較高，由此可以說明乙烯基三甲氧基硅烷成功接枝到了再生纖維素膜上.光引發(fā)后膜上出現(xiàn)了微弱的S元素峰，S元素的出現(xiàn)說明光引發(fā)后的膜上帶有巰基PEG；光引發(fā)膜表面C/O元素比例為1.51，高于乙烯化膜，這可能是由于膜表面的PEG2000-SH分子鏈上C元素含量較高所導致的.再結(jié)合圖3中紅外譜圖的數(shù)據(jù)，可以證明巰基化PEG分子成功接枝到了乙烯基化的再生纖維素膜上.

2.2.3 SEM分析

圖5為場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀測到的再生纖維素原膜和接枝PEG2000分子后膜的表面形貌.

圖5 再生纖維素膜改性前后的FESEM圖Fig.5 FESEM images of regenerated cellulose membrane before and after modified

由圖5可見：再生纖維素原膜表面孔徑比較規(guī)整均一，孔徑相對較大；接枝后的膜經(jīng)FESEM電子轟擊時變白，尤其在膜孔的周圍比較明顯，孔徑顯得不夠規(guī)整.這是由于PEG2000常溫下是白色固體，膜表面接枝上了PEG分子，所以發(fā)白，膜孔處發(fā)白比較明顯，可能是較多的PEG分子鏈接枝到膜孔上所致.由于PEG是鏈狀分子，接枝到膜表面及膜孔上時，分子鏈出現(xiàn)了卷曲纏繞，會造成膜孔徑有一定的減小.

2.3 膜平均孔徑分析

圖6所示為再生纖維素原膜、改性膜的平均孔徑.其中1#、2#、3#、4#分別代表接枝密度為0.78、0.92、1.12、1.37 nm-2的改性膜.

圖6 再生纖維素原膜、改性膜的平均孔徑Fig.6 Average pore size of unmodified，modified regenerated cellulose membrane

由圖6可知，原膜的平均孔徑為198 nm，改性以后膜的平均孔徑相比于原膜的孔徑均有所降低，且隨著接枝密度的增加，膜的平均孔徑逐漸減小.

2.4 膜純水通量的測試

圖7所示為再生纖維素原膜、改性膜的純水通量測試結(jié)果.其中1#、2#、3#、4#分別代表接枝密度為0.78、0.92、1.12、1.37 nm-2的改性膜.

圖7 再生纖維素原膜、改性膜的純水通量Fig.7 Water flux of unmodified，modified regenerated cellulose membrane

由圖7可以看出，再生纖維素膜的純水通量達到14.47 L/（m·h·kPa），在對其改性之后，膜的純水通量出現(xiàn)了下降，且隨著改性膜接枝密度的提高，膜的純水通量下降的更加明顯，當接枝密度為1.37 nm-2時膜的純水通量下降到2.65 L/（m·h·kPa）.這是由于高接枝率的膜具膜孔接枝量也比較多，導致其孔徑變小，水通量下降.

2.5 膜的動態(tài)抗污染性能

圖8所示為再生纖維素原膜、改性膜的BSA/PBS溶液通量變化圖，其中1#、2#、3#、4#分別代表接枝密度為0.78、0.92、1.12、1.37 nm-2的改性膜.

圖8 再生纖維素原膜、改性膜的BSA/PBS溶液通量Fig.8 BSA/PBS flux of unmodified，modified regenerated cellulose membrane

由圖8可以看出，隨著時間的延長，原膜和改性膜在BSA/PBS溶液中的通量都出現(xiàn)了一定程度的下降，在40～50 min后達到了平衡；其中原膜的通量下降較快，而改性膜的通量變化較小.這是由于膜接枝上PEG分子后，由于PEG分子本身對BSA的非特異性吸附，減少BSA吸附在膜上，減緩了對膜的污染.由此說明，接枝PEG明顯地提高了膜的抗污染能力.

3 結(jié)論

（1）通過巰基乙酸與PEG2000之間的酯化反應制備巰基化聚乙二醇，并采用核磁共振波譜儀進行表征，結(jié)果表明，成功合成出了巰基化聚乙二醇，PEG巰基化程度可達97%.

（2）用巰基烯加成反應將PEG2000-SH成功接枝到乙烯化后的再生纖維素膜上，接枝密度可達1.37nm-2.

（3）接枝改性后，與原膜相比，隨著接枝密度的增加，膜的平均孔徑降低，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

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目（863計劃）（2012AA03A602）；國家自然科學基金資助項目（21274108）

鞏祥壯（1988—），男，碩士研究生.

張宇峰（1962—），男，教授，博士生導師.E-mail：zyf9182@tjpu.edu.cn.