聚醚砜/改性羟基磷灰石复合膜的研究

摘要

聚醚砜（PES）是一种综合性能优良的聚合物膜材料，具有较高的拉伸强度和优良的化学稳定性，常作为超滤、纳滤膜的材料。羟基磷灰石（HAP）因独特的化学组成和晶体结构，使其具有良好而广泛的吸附性能，对蛋白质具有很强的吸附性，而通过一些无机粒子的掺杂改性会导致HAP的晶格参数、晶胞体积、结晶度、晶粒尺寸等发生变化，从而引起吸附性能的改变，然后再对掺杂改性后的HAP进行表面改性，通过在其表面接枝有机高分子，可以改变其表面性质，增强其悬浮稳定性，有效地改善无机粒子与聚合物的相容性，从而提高复合膜材料的性能。本文先采用超声波法，通过不同的合成条件来制备不同的掺锶羟基磷灰石（Sr-HAP），接着采用等离子体方法，用丙烯酸（AAc）单体通过不同的等离子体处理条件和接枝条件来表面接枝改性Sr-HAP，最后以PES为膜材料、二甲基乙酰胺（DMAc）为溶剂、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）K90为添加剂、Sr-HAP-AAc为无机填料，并由浸没沉淀相转化法制备PES/Sr-HAP-AAc复合膜，可使得到的复合膜具有良好的生物相容性和吸附性能。本文主要内容如下：
　　1、采用超声化学法，通过改变不同的合成条件研究了 Sr-HAP的结构和性能以及对蛋白质的吸附性能。通过FTIR、XRD、TEM、纳米粒度分析仪表征Sr-HAP的化学组成、晶相结构、形貌和粒径分布，并用 BET法分析纳米粒子的比表面积。结果显示，随着掺锶量的增加，合成的Sr-HAP纳米粒子对目标蛋白-牛血清蛋白（BSA）的吸附量逐渐增大，在掺锶量为50％的时候达到最大，为81.4 mg BSA/g Sr-HAP，此时合成的Sr-HAP纳米粒子的化学组成和晶相结构符合标准 HAP的特征，晶体颗粒呈短棒状，尺寸较小，粒子直径约10nm左右，长度在30~40nm左右，纳米粒径分布均匀并细小。此外依次改变超声反应时间、反应温度、分散剂聚乙二醇（PEG）含量和高温处理温度。经过综合比较，我们选择最佳合成条件为掺锶量50％、超声反应时间2h、反应温度60℃、PEG含量6％、高温处理60℃。此条件下合成的Sr-HAP对目标蛋白具有最大的吸附量。
　　2、采用低温等离子体表面接枝方法，通过改变不同的等离子体处理条件和接枝条件研究了表面接枝改性后 Sr-HAP-AAc的结构和性能以及对蛋白质的吸附性能。通过FTIR和TG研究了Sr-HAP-AAc的化学结构和接枝率，并分析研究了Sr-HAP-AAc的悬浮稳定性。结果显示，成功地在Sr-HAP表面接枝上了丙烯酸。随着等离子体处理时间的增加，Sr-HAP-AAc的接枝率和对目标蛋白的吸附量逐渐增大，在处理时间为9min时，接枝率达到最大，达到17.3％，吸附量最大，达到95 mg BSA/g Sr-HAP-AAc。依次改变等离子体处理功率、处理气压、空气中暴露时间、接枝温度和接枝时间。经过综合比较，我们选择最佳等离子体处理条件为处理时间9min、处理功率250W、处理气压60Pa和空气中暴露时间3min，最佳接枝条件为温度40℃和时间5h。此条件接枝改性后的Sr-HAP-AAc对目标蛋白具有最大的吸附量。
　　3、采用浸没沉淀相转化法，制备单层和双层 PES/Sr-HAP-AAc复合膜，研究了复合膜的结构和性能以及对蛋白质的吸附性能。Sr-HAP-AAc占固含量的60%、PES固含量为15％、PVP K90为5％、以DMAc为溶剂制备厚度为0.22mm的单层复合膜（monolayer MMMs），吸附量为53.3 mg BSA/g MMMs，吸附效率达到93.5％。以上层PES为10％的纯PES膜，下层同0.22mm膜的条件来制备双层复合膜（double layer MMMs），吸附量为48.6 mg BSA/g MMMs，吸附效率达到88.5％。此外，用自制超滤装置测定了复合膜的纯水通量，用扫描电镜观察复合膜的表面形态和断面结构，并研究了复合膜的收缩、孔隙率和平均孔径，此外还讨论了吸附效率和重复吸附能力。
　　本研究通过一系列改性方法，提高了HAP在溶液中的悬浮稳定性和HAP在膜基体中与膜的复合性能，并提高了 PES/Sr-HAP-AAc复合膜的对蛋白质的吸附性能。

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第一章 绪论

1.1 膜及其分离性能

1.2有机/无机杂化膜

1.3 蛋白质的分离纯化

1.4 羟基磷灰石

1.5 聚醚砜

1.6 课题研究内容

第二章 羟基磷灰石的掺杂改性研究

2.1 引言

2.2 实验材料及仪器

2.3 羟基磷灰石的掺锶改性方法

2.4 纳米Sr-HAP的表征和蛋白吸附性能研究

2.5 结果与讨论

2.6 本章小结

第三章 羟基磷灰石的接枝改性研究

3.1 引言

3.2 实验材料及仪器

3.3 纳米掺锶羟基磷灰石的表面接枝改性方法

3.4 纳米Sr-HAP-AAc的表征和蛋白吸附性能研究

3.5 结果与讨论

3.6 本章小结

第四章 PES/Sr-HAP-AAc单层与双层复合膜结构与性能

4.1 引言

4.2 实验材料及仪器

4.3 复合膜的制备方法

4.4 复合膜的性能评价和表征

4.5 结果与讨论

4.6 本章小结

第五章 结论

参考文献

附录一：攻读硕士期间发表论文及学术成果情况

致谢