一种高表面开孔率的非对称膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及膜材料技术领域，具体为一种高表面开孔率的非对称膜及其制备方法。

背景技术

药品研发与生产中，不论是固体制剂的溶出还是液体制剂的过滤除菌都离不开滤膜的使用，微滤膜被广泛用于生化产品分离，经常涉及到含蛋白质溶液的过滤，包括初始澄清和无菌过滤，在这些操作中，都需将蛋白质传递通过滤膜，截留住一些物质(细菌，悬浮物，细胞、细胞碎片大分子杂质等)。一般而言，0.2μm微孔滤膜可以截留99.99％的细菌微生物，达到GMP或者药典的除菌要求，还可以用于去除样品、流动相中极细微的颗粒。

而在微滤过程中，蛋白质污染仍然是一个主要问题，由于蛋白质与膜之间的特定相互作用引起的蛋白质污染，在很大程度上会导致膜性能不可逆转的衰减。有大量的实验证据表明，蛋白质污染强烈主要受到微滤膜的物理和化学特性的影响，多数研究主要方向为膜的亲水改性，亲水微滤膜对蛋白质吸附较弱。膜结构方面有研究证实，具有直通孔的膜的污染是由于膜表面沉积大量蛋白质聚集体造成的孔堵塞造成的；而具有相互连接的孔的抗污染性能更强，即膜污染较慢，因为流体可以通过相互连接的孔结构绕过堵塞的孔流动，具有互连孔结构的膜的通量下降率比具有直通孔的膜小得多。

因此，聚合物多孔膜在满足膜孔径和机械性能的前提下，如何提高膜的水通量，并且通过优化膜形态，提高膜处理复杂料液的能力，是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高表面开孔率的非对称膜及其制备方法，在铸膜液配方中引入非离子表面活性剂，利用其具有亲水端部和疏水链部的两亲型结构，通过亲水端部与水分子的相互作用力，更高效地诱导水进入铸膜液体系，起到界面开孔的作用，进而制备出了更高表面开孔率、孔径分布更加好、孔隙间互连贯通更充分的多孔膜。

具体而言，当含有表面活性剂的铸膜液接触水分时，为了减小界面自由能，铸膜液中的表面活性剂分子会在界面处形成其亲水端朝外，疏水端朝向聚合物原料分子的定向排列，此时表面活性剂起到水与铸膜液之间的界面媒介作用。表面活性剂的亲水端会诱导水分进入铸膜液，因而提升了水与铸膜液之前的扩散作用。而被表面活性剂亲水端诱导进入铸膜液中水的通道则会形成膜孔的通道。因而，所制得的膜的表面开孔率得到了明显地提升。

为实现上述目的，本发明一方面提供了一种高表面开孔率的非对称膜的制备方法，包括如下步骤：先制备均一的聚合物溶液，所述聚合物溶液包括聚合物原料、良溶剂、非溶剂添加剂、致孔剂和非离子型表面活性剂；再通过多相诱导相转化的方法得到所述非对称膜，所述多相诱导相转化包括气相诱导相转化和浸没沉淀相转化；

所述聚合物原料包括聚砜、聚醚砜、改性聚砜以及改性聚醚砜中的至少一种；

在所述聚合物溶液中：

所述聚合物原料的质量百分含量为13-17％；

所述非离子型表面活性剂的质量百分含量为0.5-4.5％。

优选地，在制备所述聚合物溶液之前还包括：通过改变聚合物溶液中所述非溶剂添加剂的加入量，测定非溶剂添加剂的均相最高加入量，即维持溶液体系不发生分相(出现浑浊)的最高加入量；制备所述聚合物溶液时，所述非溶剂添加剂的加入量介于所述均相最高加入量的70％-80％之间。

优选地，所述良溶剂包括N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮以及二甲基亚砜中的至少一种；所述致孔剂包括聚乙二醇、氯化锂以及聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种；所述非溶剂添加剂包括水、乙醇、乙二醇、1,2-丙二醇以及1,3-丙二醇中的至少一种；所述非离子型表面活性剂包括烷基葡糖苷(APG)、脂肪酸甘油酯、脂肪酸山梨坦(司盘20/40/80等)、聚氧乙烯脱水山梨醇脂肪酸酯(吐温20/40/80等)、烷基酚聚氧乙烯醚(OP-10等)以及脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO-9等)中的至少一种。

优选地，在所述聚合物溶液中：

所述致孔剂的质量百分含量为2-10％；

所述非溶剂添加剂的质量百分含量为12-25％；

所述良溶剂的质量百分含量为45-67％。

优选地，所述制备方法具体为：

S1：制备均一的聚合物溶液：将所述聚合物原料、致孔剂和非离子型表面活性剂在60-80℃下溶于良溶剂中，再加入非溶剂添加剂，混合均匀后，经真空脱泡得到所述聚合物溶液。

S2：刮膜：将所述聚合物溶液涂覆在一成膜衬底上形成薄层溶液。

S3：气相诱导相转化：将形成薄层的所述聚合物溶液置于一温湿度箱体内停留一预设时长，所述温湿度箱体内温度为15-40℃，湿度为50-90％RH，所述预设时长为15-60s。

S4：浸没沉淀相转化：将经过气相诱导相转化的聚合物溶液浸入一凝固浴中，相转化完全后剥离成膜衬底从而获取非对称膜，所述凝固浴的温度为40-60℃，优选地，所述凝固浴为纯水凝固浴。

S5：将所述非对称膜通过100-150℃热辊烘干。

本发明另一方面提供了一种高表面开孔率的非对称膜，包括高开孔表层、致密截留中间层和疏松亚层。

所述非对称膜的材质包括聚砜、聚醚砜、改性聚砜以及改性聚醚砜中的至少一种；所述非对称膜的平均孔径为0.18-0.23μm；所述高开孔表层呈现网络状孔结构，表面开孔率为30-38.25％，孔道贯通性好；所述致密截留中间层在截面上的厚度占整体膜厚度的25-35％。

优选地，该非对称膜通过前述制备方法制得。

与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、本发明的制备方法在铸膜液中加入非离子型表面活性剂，起到界面媒介的作用，表面活性剂分子通过亲水端更加高效的诱导水分进入铸膜液，在膜皮层的形成过程中更高效地开放铸膜液中的良溶剂与水之间的双向扩散通道，促进双扩散作用，显著提升膜的表面开孔率(最高可达38.25％)，优化膜的形貌和孔径分布，进而提升其通量性能。同时，少量离子型表面活性剂的加入可以大大降低成孔剂的使用量，有效降低了成本，在工业生产上更具价格优势。

2、本发明的制备方法中通过测定非溶剂添加剂的均相最高加入量，将非溶剂添加剂的加入量调整为均相最高加入量的70-80％，控制铸膜液的分相倾向性达到最佳，更加有利于工艺参数(相转化温湿度、时间等参数)的调控，最终制得的高表面开孔率的非对称膜性能也更具有批次间稳定性。

3、本发明的高表面开孔率的非对称膜，表面开孔率最高可达38.25％，呈现网络状结构，膜孔贯通性更加优异，膜整体的抗污染性更优异，在处理一些复杂料液时，仍然可以保持较高的通量和精准的截留。

附图说明

图1为实施例一的非对称膜的紧密表面的扫描电镜(SEM)图，放大倍数为5.00k；

图2为实施例一的非对称膜的纵截面扫描电镜(SEM)图，放大倍数为500；

图3为对比例一的非对称膜的紧密表面的扫描电镜(SEM)图，放大倍数为5.00k；

图4为对比例二的非对称膜的紧密表面的扫描电镜(SEM)图，放大倍数为5.00k；

图5为本发明实施例的制备流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

图5示出了本发明实施例的制备流程，本实施例的制备方法如下：

S1：制备均一的聚合物溶液(铸膜液)：将15份聚醚砜(按质量计，铸膜液各成分总计100份)、1.5份聚乙烯吡咯烷酮、0.5份氯化锂、1.2份吐温80和64.5份N-甲基吡咯烷酮混合，在60-80℃搅拌均匀至完全溶解，降温至40℃以下后，再加入2份纯水和15.3份1,3-丙二醇继续搅拌至澄清，经真空脱泡得到均一稳定的铸膜液。

S2：刮膜：通过不锈钢刮刀(320μm塞尺)将铸膜液涂覆在成膜衬底上。

S3：气相诱导相转化：将刮膜后的铸膜液置于温度25℃、湿度80％RH的温湿度箱体内停留45s。在气相诱导相转化的过程中，气相中的水分子与铸膜液接触渗透，使铸膜液表层中非溶剂添加剂比例增加，提升成膜的纵向不对称性。

S4：浸没沉淀相转化：将经过气相诱导相转化的铸膜液浸入50℃纯水凝固浴中至相转化完全。当含有表面活性剂的铸膜液接触凝固浴时，为了减小界面自由能，铸膜液中的表面活性剂分子会在界面处形成其亲水端朝外，疏水端朝向聚合物原料分子的定向排列，此时表面活性剂起到水与铸膜液之间的界面媒介作用。表面活性剂的亲水端会诱导水进入铸膜液，因而提升了凝固浴与铸膜液之前的扩散作用。而被表面活性剂亲水端诱导进入铸膜液中水的通道则会形成膜孔的通道。而离子型表面活性剂在铸膜液中的溶解度较低从而铸膜液分相倾向性更强，且更容易在相转化过程中产生直通孔从而不利于提升膜的抗污染性能，因此本发明实施例采用非离子型表明活性剂加入铸膜液以提升所制得的膜的表面开孔率。待相转化完全后，将成膜衬底剥离。

S5：烘干：将非对称膜经过125℃热辊烘干。

图2示出了本实施例的非对称膜的纵截面的微观形貌，包括高开孔表层(即紧密表面所在的表层)、致密截留中间层和疏松亚层。致密截留中间层的微观形貌结构更紧凑，孔隙较小，起有效截留作用，其厚度约占膜总厚度的25-35％；疏松亚层的微观形貌结构更疏松，孔隙较大，可以提前阻拦较大的颗粒物从而减少孔道的堵塞。对于相转化法制备的非对称膜而言，从致密截留中间层到疏松亚层，微观形貌逐渐过渡而并不具有清晰界线。

图1示出了本实施例的非对称膜的紧密表面(在图2中对应于上表面)的微观形貌，聚合物材料分子由于在分相前受到表面活性剂分子的约束，使其在分相后呈现出更为规整的网络状结构，从而有利于不对称膜在具有同样的平均孔径(有效截留孔径)时提升其表面开孔率，制备出更高表面开孔率、孔径分布更加好、孔隙间互连贯通更充分的多孔膜。

本实施例制得的非对称膜可通过后续实施例三所公开的测试方法进行性能测试。

实施例二

本实施例与实施例一的制备方法的区别如下：

步骤S1为：将13.5份聚醚砜、2份磺化聚醚砜、5份聚乙二醇、2份司盘20和61份N,N-二甲基乙酰胺混合，在60-80℃搅拌均匀至完全溶解，降温至40℃以下后，再加入16.5份乙二醇，继续搅拌至澄清，经真空脱泡得到均一稳定的铸膜液。

步骤S3中：在温湿度箱体内停留的时间为35s。

本实施例制得的非对称膜可通过后续实施例三所公开的测试方法进行性能测试。

对比例一

本对比例通过与实施例一进行对比揭示表面活性剂的作用。本对比例与实施例一的制备方法的区别如下：

步骤S1为：将15份聚醚砜、1.5份聚乙烯吡咯烷酮、0.5份氯化锂和65.7份N-甲基吡咯烷酮混合，在60-80℃搅拌均匀至完全溶解，降温至40℃以下后，再加入2份纯水和15.3份1,3-丙二醇继续搅拌至澄清，经真空脱泡得到均一稳定的铸膜液。

图3示出了本对比例的非对称膜的紧密表面的微观形貌。相较于实施例一(图1)，未加入表面活性剂时，紧密表面的表面形貌不同，且开孔率较低。

本对比例制得的非对称膜可通过后续实施例三所公开的测试方法进行性能测试。

对比例二

本对比例通过与实施例一进行对比揭示非溶剂添加剂的加入量的影响。

取一定量的实施例一步骤S1所得的铸膜液，向其中继续加入1,3-丙二醇，当加入额外4％(占原铸膜液总质量的百分比)1,3-丙二醇时体系出现浑浊，因此实施例一中1,3-丙二醇的加入量约为均相最高加入量的80％；本对比例按照加入额外2％1,3-丙二醇时(对应均相最高加入量的约90％)的铸膜液配方进行制备。

本对比例与实施例一的制备方法的区别如下：

步骤S1为：将15份聚醚砜、1.5份聚乙烯吡咯烷酮、0.5份氯化锂、1.2份吐温80和64.5份N-甲基吡咯烷酮混合，在60-80℃搅拌均匀至完全溶解，降温至40℃以下后，再加入2份纯水和17.3份1,3-丙二醇继续搅拌至澄清，经真空脱泡得到均一的铸膜液。

图4示出了本对比例的非对称膜的紧密表面的微观形貌。相较于实施例一(图1)，紧密表面的形貌更加致密，从而液体通道在该表面更容易被堵塞。另一方面，由于本对比例的铸膜液具有更强的分相倾向性，容易在工艺流程中过早分相，且工艺因素的微调可对膜结构产生明显影响，实际生产中调控的难度较大。

本对比例制得的非对称膜可通过后续实施例三所公开的测试方法进行性能测试。

实施例三

本实施例公开了本发明的非对称膜的性能测试方法，部分测试方法的详细步骤本领域技术人员可从其他公开的相关技术文件中获知，此处不再赘述。

(1)孔径测试：通过孔径分析仪获取待测试膜的平均孔径。

(2)表面开孔率分析：将待测试膜进行冷冻干燥后拍摄扫描电镜(SEM)图，并采用ImageJ软件分析表面的表面开孔率。

(3)膜渗透分离性能测试(通量测试)：将47毫米的待测试膜的圆片(用纯水提前浸润，且紧密表面朝下)放置在真空过滤器支架上，过滤瓶连接真空泵缓慢抽至负压-10psi，测量500ml水和100ml的试验溶液(料液)的流动时间，同一样品膜重复测定五次以上，记录平均值。其中试验溶液的组成为：1mg/L的BSA、0.5g/L酵母、3g/L碳酸氢钠和10g/L胰酪胨大豆胨液体(TSB)培养基配置成的水溶液，试验溶液在使用前先搅拌均匀。

(4)除菌级别测试：采用缺陷性假单胞菌进行细菌截留性能测试。

测试实施例一、实施例二、对比例一、对比例二的非对称膜和现有技术中的PES膜(PES商品膜)得到测试结果如表1所示：

表1膜性能对比表

由表1可知，在平均孔径均为0.22μm(即有效截留孔径相当)、除菌级别均＞LRV7的情况下，本发明实施例具有更高的表面开孔率(最高可达38.25％)和最低的纯水、料液流动时间，性能较PES商品膜具有优势。在其他的一些实施例中，本领域技术人员也可以根据需要，通过调整配方的成分和比例、工艺参数(相转化时的温湿度、时间等参数)，制得其他平均孔径和通量性能的非对称膜，如平均孔径在0.18μm-0.23μm范围内的非对称膜。

由实施例一和对比例一的测试结果对比可知，制备过程中表面活性剂的加入大幅提升了紧密侧的表面开孔率，同时也降低了料液中蛋白质等大尺寸分子堵塞孔道的可能性从而减少了料液通过所需的流动时间。由实施例一和对比例二的测试结果对比可知，非溶剂添加剂的加入量介于均相最高加入量的70％-80％之间时所得的非对称膜的紧密侧的表面结构相对更疏松，从而具有更高的紧密侧的表面开孔率和更佳的通量性能。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。例如，聚合物原料还可采用聚砜及其改性聚合物；铸膜液良溶剂可采用N,N-二甲基甲酰胺等；非溶剂添加剂也可以采用乙醇、1,2-丙二醇等；而非离子型表面活性剂可以采用常规商品化的非离子型表面活性剂，如烷基葡糖苷(APG)、脂肪酸甘油酯、脂肪酸山梨坦(司盘20/40/80等)、聚氧乙烯脱水山梨醇脂肪酸酯(吐温20/40/80等)、烷基酚聚氧乙烯醚(OP-10等)以及脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO-9等)，其在分子结构上均包括至少一个烷基疏水端和至少一个亲水端(如多元醇、聚氧乙烯醚等结构单元)，从而在本发明的制备方法中通过前述的原理产生对应的有益效果。

因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。