一种三元嵌段聚合物改性纳滤膜及其制备方法

技术领域

本发明属于纳滤膜技术领域，涉及一种三元嵌段聚合物改性纳滤膜及其制备方法。

背景技术

随着科技的高速发展，生物技术应用日益广泛，医药、食品等领域对产品纯度的要求逐渐升级。膜分离技术自20世纪初出现，能够在常温下实现物质分离和浓缩，保证产品质量和纯度，无相变热，具有较高的适应性，适用于热敏性物质和天然生物活性成分。在生物制药应用中以其高效分离、操作简单的优势，成为当下主要的分离技术手段。最开始应用于液相分离，替代了大量传统的蒸馏精馏工艺，制备的产品纯度更高，稳定性更好。膜分离技术其本质类似于筛分，主要利用膜两侧的浓度差、压力差、电势差或温度差等，通过选择性薄膜对溶液中各组分进行分离、提纯、浓缩，具有高分离精度，易操作，低能耗，应用范围广，无相变，无污染的优点，在众多行业中开展应用，世界各国重点支持该项技术的研发。膜分离技术的应用优势显著，但是目前作为新兴技术，还有许多不足：第一，已知的膜材料较少，膜孔径分布不均，分离能力有限。第二，难以避免由于物质组分复杂和黏度等因素加剧膜污染，影响分离效果。为了解决以上问题，膜材料的选择与设计成为当今研究热点之一，纳滤膜因高选择性和高分离精度被重点关注。常见依靠压力驱动的膜分离技术包括微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)和反渗透(RO)等，其中纳滤的过滤精度介于超滤和反渗透之间，具有2个显著特点：一是可以截留筛分分子量为200～1000Da的溶质；二是荷电性，对无机盐和多价离子的截留效果明显。特别是截留低浓度的二价离子和小分子量物质，纳滤技术比反渗透技术高效，因此纳滤技术通常被用于药物有效成分的纯化分离和污水处理等领域。纳滤膜的分离机理主要包括静电排斥和空间位阻效应，溶质尺寸与孔径的差异、膜表面的电荷性质，这两者的协同作用共同影响着纳滤膜的分离效果。纳滤膜技术的发展让膜材料和膜分离器变得日益完善、多样化，然而在实际运用过程中仍然有许多亟待解决的问题，膜作为膜分离技术的核心,本身是一薄层吸附面，膜面容易附着受到污染，而膜材料和制备方法影响着膜的使用寿命和污染情况，膜污染是指膜通量、截留率及膜孔径等发生可逆与不可逆变化的现象，主要是由于物质沉淀堵塞膜孔径，造成膜通量的下降。因此改进膜材料，完善制备条件，设计开发新型高效纳滤膜对推动纳滤技术在生物制药中的应用至关重要。

嵌段共聚物在构筑纳米材料方面具有独特优势，多元化的结构形态成为药物缓释、催化反应领域的研究热点，在嵌段聚合物自组装的基础上可以制备孔尺寸可调控的纳米结构膜，开发结构可设计且稳定性好的嵌段共聚物体系是当下研究目标。常见的是由两种以上单体聚合而成的两亲性嵌段共聚物，有ABA型、ABC型等。其中合成三嵌段聚合物单体之间的不相容性会导致相分离，可由于共价键的限制最终形成微相分离区，可达纳米级范围。但当聚合物溶度增大疏水链段与水排斥作用增强时，聚合物链会自组装形成热力学稳定的结构。聚合诱导自组装(PISA)应运而生，结合了纳米材料的制备和嵌段聚合物的合成，可以间歇、半连续或连续加料，反应条件温和，无金属成分，可用于溶液聚合、乳液聚合、分散聚合等，有机化合物聚合反应操作简单，并且分子量大小和分布可设计，可以用来制备嵌段、接枝等多种结构的高分子。通常采取偶氮二异丁腈引发剂产生自由基引发单体形成初级自由基，然后与单体加成，期间产生的新的增长链自由基可引发其他单体，有效降低双基终止等副反应，实现不同的分子结构，可适用的单体常见的有苯乙烯、丙烯酸酯类。随着非均相聚合研究的发展，与分散聚合体系结合成为制备多元嵌段聚合物的手段之一，往往由于疏水链段的增长最终达到聚合物亲疏水平衡，自组装形成多形貌的嵌段聚合物。嵌段聚合物自组装大多形成纳米尺寸结构，其中影响结构的因素有聚合物的组成、分子量、浓度、pH和温度等，Weiss等通过RAFT聚合制备的三嵌段聚合物根据不同嵌段序列呈现团聚态；Sumerlin等研究了pH值对2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠和3-丙烯酰胺基-3-甲基丁酸钠两嵌段聚合物自组装的影响表明pH低于5.5时形成胶束；Nakai等通过RAFT聚合分别制备的2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱与阳离子甲基丙烯酰丙基三甲基氯化铵和阴离子AMPS两嵌段聚合物在盐水中形成了囊泡。作为被广泛使用的聚偏氟乙烯(PVDF)滤孔膜具有一定的机械强度，热稳定性和耐化学性好，但其疏水性限制了应用，目前已知用两亲性嵌段聚合物改性PVDF膜可改善稳定性和亲水性，可进一步制备复合纳滤膜。

2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)常作为磺酸盐类具有较强耐温抗盐性能的单体，在国内水处理和油田领域已实现工业化。AMPS易溶于水和二甲基甲酰胺，无污染，含有活泼的不饱和双键，易于自聚与其他烯类单体发生加成反应，其中包含的磺酸基团亲水性好，能耐温抗盐。同时AMPS有大的侧基链，增强了聚合物主链的刚性和增加了热稳定性。AMPS在水溶液中极易聚合，但2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠盐在水溶液中可以稳定存在参与聚合。从经济上来说，AMPS与其他单体的共聚物具有更大的使用价值，可以提高抗温性、抗盐性、水分散性等。任奕等制备了三元共聚物的最佳单体组成配比为：DMAM：AMPS：AM＝2：20：78，结果显示AM/AMPS/DMAM共聚物的增黏性较AM/AMPS共聚物和AM/DMAM共聚物的明显提高，引入的两种功能性单体起到了互补的作用。

本发明采用顺序加料诱导自组装合成聚异戊二烯-b-聚苯乙烯-b-聚2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠盐(PI-b-PS-b-PAMPS)三元嵌段结构聚合物，再通过涂敷法将三元嵌段聚合物与PVDF滤孔膜复合制备改性纳滤膜，为了实现纳滤膜孔径可调及稳定性良好。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种三元嵌段聚合物改性纳滤膜及其制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种三元嵌段聚合物改性纳滤膜的制备方法，包括以下步骤：

S1：以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠盐、苯乙烯和异戊二烯为单体，DMF为溶剂，AIBN为引发剂制备三元嵌段聚合物；

S2：以三元嵌段聚合物为溶质，乙醇为溶剂，制备三嵌段聚合物-乙醇混合溶液；对PVDF微孔滤膜进行浸泡处理后取出自然晾晒，得到三元嵌段聚合物改性纳滤膜。

进一步的，步骤S1中，所述的苯乙烯、异戊二烯、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠盐的物质的量之比为1:1:0.1～0.8。

进一步的，步骤S1中，所述的制备三元嵌段聚合物，包括以下步骤：

先加入苯乙烯、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠盐溶液、AIBN和DMF进行共聚,搅拌，冷凝回流，反应1～3h后再加入异戊二烯参与共聚，反应1～3h后再重复2次以上步骤，将所得样品冷却至室温，得到三元嵌段结构聚合物溶液。

进一步的，步骤S1中，所述的搅拌温度为60～85℃，速度为10～30rpm/min。

进一步的，步骤S2中，所述的PVDF微孔滤膜为极化处理后的PVDF微孔滤膜。

进一步的，步骤S2中，所述的三嵌段聚合物-乙醇混合溶液的浓度为5～20％。

更进一步的，步骤S2中，所述的浸泡时间为5～15min；所述的自然晾晒时间为3～8min。

一种三元嵌段聚合物改性纳滤膜，利用上述方法制得。

上述三元嵌段聚合物改性纳滤膜的用途，所述的纳滤膜用于多肽物质的分离提纯。

进一步的，所述的分离提纯步骤包括：

将猪脾脏经粉碎、制浆、过滤制得猪脾脏浆液，利用三元嵌段聚合物改性纳滤膜在操作压力0.7～1.5MPa，温度为1～40℃的条件下，对猪脾脏浆液进行分离提纯，再经冷冻干燥后制得相应的脾氨肽粉剂。

本发明的有益效果为：

本发明通过顺序加料诱导自组装成功合成了具有三元嵌段结构的聚合物聚异戊二烯-b-聚苯乙烯-b-聚2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠盐。三元嵌段聚合物复合改性纳滤膜与原PVDF滤孔膜相比渗透选择性和稳定性提高，膜孔径减小，可实现100nm的纳米孔径。在猪脾脏浆液分离提纯脾氨肽等活性物质的应用研究中，三元嵌段聚合物处理过的PVDF纳滤膜可以实现多肽等物质的分离提纯。

附图说明

图1为本发明实施例中不同单体配比的三元嵌段聚合物的红外光谱。

图2为本发明实施例中n

图3为本发明实施例中n

图4为本发明实施例中n

图5为本发明实施例中n

图6为本发明实施例中不同孔径的聚偏四氟乙烯(PVDF)微孔滤膜SEM图。

图7为本发明实施例中不同浓度纳滤膜SEM图。

图8为本发明实施例中不同单体配比纳滤膜SEM图。

图9为本发明实施例中不同浸泡次数纳滤膜SEM图。

图10为本发明实施例中脾氨肽粉剂的质谱图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明的技术方案进行清楚、详细的描述。

本发明所用实验试剂N，N-二甲基甲酰胺、苯乙烯、异戊二烯、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠盐溶液、聚偏四氟乙烯微孔滤膜等均可直接从市面购买。例如本发明实施例中N，N-二甲基甲酰胺(DMF，分子式C

实施例

表1实验配方比例

通过以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠盐、苯乙烯和异戊二烯为单体，DMF为溶剂，AIBN为引发剂制备三元嵌段聚合物。通过分三次加入，按照表1所设计的配方比例制备，如n

将PVDF微孔滤膜放入等离子清洗机中，两面分别极化处理三分钟后取出备用。

采用涂覆法制备复合纳滤膜，该制备方法操作简单且快捷高效。以表1中已制备所得的不同物质的量比的聚(苯乙烯-2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠盐-异戊二烯)三元嵌段聚合物为溶质，乙醇为溶剂，分别制备不同浓度的三嵌段聚合物-乙醇混合溶液(浓度分别为5％、10％、20％)，对极化后的PVDF微孔滤膜进行浸泡10min处理后取出自然晾晒5min。制备不同浓度不同单体配比的三嵌段共聚物处理PVDF纳滤膜。再通过改变浸泡次数，获得不同种类的三嵌段共聚物处理PVDF纳滤膜。

猪脾脏经粉碎、制浆、过滤等制得猪脾脏浆液，再用上述制备的三嵌段共聚物处理PVDF纳滤膜在操作压力0.7～1.5MPa，温度为1～40℃的条件下，对猪脾脏浆液进行分离提纯，再经冷冻干燥后制得相应的脾氨肽粉剂。

采用Nicolet 5700型傅里叶变换红外光谱仪(Thermo Electron，USA)测定三元嵌段聚合物的结构，采取KBr压片制样，扫描分辨率：1cm

采用AVANCEⅢHD 400型核磁共振波谱仪以DMSO-d6为溶剂检测聚合物的氢谱。

采用S-4800型扫描电子显微镜在10K、15K、20K、200K的放大倍率下观察纳滤膜表层孔的分布及孔径大小。

图1为AMPS单体配比分别为0.1、0.3、0.5、0.8的聚(苯乙烯-2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸钠盐-异戊二烯)三嵌段聚合物的红外光谱图。图中，3450cm

图2是配方比例为n

图3是配方比例为n

图4是配方比例为n

图5是配方比例为n

图6为不同孔径的PVDF微孔滤膜的SEM图，PVDF-II膜的孔径处于0.1～0.2μm，表面致密且断裂分层，膜通道错综复杂，有利于三嵌段共聚物附着，形成纳米级孔道。

图7中(a)和(b)是由n

图8中(a)和(b)是同为溶液浓度为5％，浸泡次数为2的条件下AMPS单体配比分别为0.3和0.5的纳滤膜SEM图；图8中(c)和(d)是同为溶液浓度为20％，浸泡次数为2的条件下AMPS单体配比分别为0.3和0.5的纳滤膜SEM图。横向对比图8中(a)和(b)，图8(a)中相邻孔与孔之间的分隔不够彻底，纤维细且薄弱，而图8(b)中的膜孔独立且完整，没有出现表层大孔包含深层小孔的情况，并且膜孔的直径也相较于图8(a)的小，这说明AMPS单体所占配比越大，孔径越小越稳定。对比图8中(c)和(d)也同样如此，图8(d)的孔径明确清晰，而图8(c)的孔隙不规整，孔径差异大，稳定性差。但继续加大单体配比会出现膜表面或膜通道孔聚合物堵塞的情况。纵向对比图8中(a)和(c)，随着溶液浓度的增大，由于更多的三嵌段聚合物附着，孔隙趋向明确独立且致密。图8中(d)较之于(b)，孔径明显缩小了一倍，这说明浸泡溶液浓度对纳滤膜孔隙的形成影响作用很大。

图9中(a)和(b)是单体配比都是n

用制备所得的单体配比为n

结合红外光谱和核磁共振氢谱确认了苯乙烯、异戊二烯和AMPS结构的存在，表明通过顺序加料诱导自组装成功合成了具有三元嵌段结构的聚合物聚异戊二烯-b-聚苯乙烯-b-聚2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠盐。

三元嵌段聚合物复合改性纳滤膜与原PVDF滤孔膜相比渗透选择性和稳定性提高，膜孔径减小，可实现100nm的纳米孔径。n

在猪脾脏浆液分离提纯脾氨肽等活性物质的应用研究中，三元嵌段聚合物处理过的PVDF纳滤膜可以实现多肽等物质的分离提纯。

本发明以偶氮二异丁腈(AIBN)为引发剂，N，N-二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂，2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠盐(AMPS)、苯乙烯(ST)、异戊二烯(IP)为单体，通过顺序加料先让苯乙烯和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠盐共聚，再加入异戊二烯单体参与聚合自组装，改变2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠盐的单体配比，得到不同三元嵌段结构聚异戊二烯-b-聚苯乙烯-b-聚2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠盐(PI-b-PS-b-PAMPS)，借助红外光谱和核磁共振氢谱对合成产物的结构进行确认。将得到的三元嵌段结构聚合物采用涂敷法在PVDF滤孔膜上制备复合纳滤膜，借助扫描电子显微镜(SEM)观察样品膜的微观形貌。使用上述三元嵌段结构聚合物复合纳滤膜对猪脾脏浆液进行分离提纯后制得相应脾氨肽粉剂，借助高分辨质谱分析脾氨肽粉剂所含成分。结果表明实验成功制备了三元嵌段结构的聚合物，复合纳滤膜有望实现孔径调控和多肽分离提纯。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。