甜菜碱纳米粒子的制备及其在聚砜分离膜应用中的研究

摘要

聚砜（PSF）是目前常用的分离膜材料。然而，在实际使用过程中，由于PSF本身疏水性较强，容易吸附有机杂质而导致膜污染。因此，对PSF膜进行亲水防污改性显得极为重要。甜菜碱是一种两性离子，研究发现，甜菜碱及其衍生物具有优异的抗污染性，但是，其有机内盐结构不易与疏水性膜材料共溶。因此，本研究通过制备一种两亲性共聚物，在溶剂中自组装形成核层为甜菜碱，壳层为疏水结构的甜菜碱纳米粒子，从而回避甜菜碱在有机基质中的严重分相问题。然后，将其作为膜改性剂，与PSF共混/相转化制备PSF复合分离膜，考察了甜菜碱纳米粒子对PSF分离膜结构及性能的影响。具体的研究内容和主要结论如下：
　　采用原子转移自由基聚合法，以甲基丙烯酸十二酯（LMA）、甲基丙烯酸十六酯（HMA）为第一单体，制备出大分子引发剂PLMA-Br和PHMA-Br。之后以上述引发剂引发第二单体甲基丙烯酸二甲氨基乙酯（DMAEMA）聚合，制备得到一系列两亲性嵌段共聚物，通过共聚物与丙磺酸内酯的季铵盐化，在二甲基乙酰胺中得到了核层为甜菜碱，壳层为疏水结构的甜菜碱纳米粒子胶束poly(LMA-co-SBMA)。该胶束在氘代水中成功地进行了亲疏转换，结构发生翻转，制得核层为疏水结构，壳层为甜菜碱的甜菜碱纳米粒子胶束。
　　将poly(LMA-co-SBMA)与PSF共混/相转化制备了PSF复合分离膜。水接触角和水渗透通量测试表明，poly(LMA-co-SBMA)的加入提高了PSF分离膜的亲水性，水渗透通量显著增加，在保持截留率不变的条件下，由原膜92.17L/m2·h可增加到174.50L/m2·h，提高一倍左右；截留率均在90％以上，说明制备的分离膜为超滤膜。扫描电镜观察发现，poly(LMA-co-SBMA)与PSF相容性良好，随着膜中纳米粒子含量的增加，共混膜的断面孔孔径增大，孔结构由指状孔向蜂窝状孔发展。水渗透通量恢复率以及静态蛋白吸附等测试发现，复合分离膜表面吸附的蛋白数量与纯PSF膜相比，明显降低，蛋白很容易被清洗除去，表明poly(LMA-co-SBMA)有效地提高了膜的抗蛋白质污染能力。抗微生物吸附测试发现，复合分离膜对大肠杆菌(E.coli)也表现出良好的抗吸附能力。
　　综上所述，本研究阐述了一种两亲性嵌段共聚物共混改性PSF分离膜的新方法，通过设计、合成两亲性甜菜碱纳米粒子膜改性剂，有效地提高了PSF复合分离膜的综合性能，为聚合物膜材料的亲水防污化改性提供了一条有效可行的方法。