聚丙烯微孔膜的表面亲水化及其抗污染性能研究

摘要

聚丙烯微孔膜具有稳定性好、膜孔易调以及成本低廉等优点，是一类被广泛应用且潜力巨大的高分子分离膜材料。然而，与生俱来的高疏水性制约了它在水性介质中的分离效率，且容易引发由疏水相互作用介导的膜污染。所以，提高聚丙烯微孔膜的表面亲水性并改善其抗污染性能具有重要科学意义和实用价值。本论文建立了一系列聚丙烯微孔膜表面亲水化方法，构建了具有抗蛋白质吸附、抗细菌粘附或抗菌性能的多层次抗污染表面，并在此基础上对抗菌机理进行了深入探索。具体研究工作主要围绕以下几方面展开：
　　 组合大气压介质阻挡放电等离子体预处理和聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)或聚乙烯亚胺与对二氯苄的界面交联对聚丙烯微孔膜表面进行了亲水化改性，并采用FESEM、FT-IR/ATR、XPS以及水接触角和水通量测试进行了详细的表征。研究证实，膜表面形成了交联稳定的季铵化改性层，膜表面亲水性得到大幅提高。蛋白质动态过滤结果表明该亲水化改性膜对正电性蛋白质的吸附具有阻抗能力，但同时促进负电性蛋白质吸附，由此显示出选择性的抗蛋白质污染性能。
　　 为继续提高抗污染性能，采用物理包埋和共价键合法固定二苯甲酮，成功实现了磺酸甜菜碱两性离子(SBMA)在聚丙烯微孔膜表面的紫外光诱导接枝。水接触角、水通量以及抗污染性能测试结果证实，SBMA改性膜具有极高的表面亲水性，对牛血清白蛋白和溶菌酶吸附阻抗显著，且能够完全抑制大肠杆菌、荧光假单胞菌和金黄色葡萄球菌的粘附。
　　 借助紫外光诱导接枝DMAEMA和季铵化或季铵化-交联反应，为聚丙烯微孔膜构建了基于聚阳离子改性的抗菌表面，利用多种手段进行了表面表征，测试了其抗菌性能，并在此基础上探讨了表面固定聚阳离子的抗菌机理。发现未经交联的聚阳离子对E coli和S. aureus都具有较强的抗菌性能，且随表面正电荷密度提高或接触时间的延长而增强；然而，一旦交联则抗菌性能丧失，提高电荷密度和延长接触时间均无助于其恢复。
　　 选用DMAEMA与甲基丙烯酸烷基酯的共聚物制备了具有超高表面正电荷密度的静电纺丝超细纤维膜，以此考察了交联结构和疏水烷基链对表面聚阳离子抗菌活性的影响，进一步探究表面聚阳离子的抗菌机理。研究发现，对于未交联纤维膜，烷基链较短时具有更强的抗菌性能；而交联纤维膜在所有情况下只因静电相互作用而粘附细菌，并无杀菌活性。据此可以认为，链运动性是表面固定聚阳离子具有抗菌性能的先决条件。

目录

文摘

英文文摘

致谢

第1章 绪论

1.1 概述

1.2 材料表面的抗蛋白质污染

1.2.1 抗蛋白质污染的表面化学

1.2.2 抗蛋白质污染机理

1.3 材料表面的抗茵性

1.3.1 抗菌表面构建策略

1.3.2 聚阳离子接触杀菌机理

1.3.3 表面抗菌材料的应用

1.4 惰性材料表面的改性方法

1.4.1 等离子体处理

1.4.2 大分子固定

1.4.3 表面接枝

1.5 课题的提出

1.6 研究内容及实验方案

1.6.1 界面交联亲水化改性聚丙烯微孔膜

1.6.2 甜菜碱两性离子接枝改性聚丙烯微孔膜

1.6.3 抗菌膜表面的构建及其抗菌机理研究

第2章 实验部分

2.1 实验原材料及其预处理

2.2 实验仪器设备

2.3 聚合物的合成

2.3.1 基于DMAEMA聚合物的合成

2.3.2 聚合物的表征

2.4 聚丙烯微孔膜的表面亲水化改性

2.4.1 界面交联改性聚丙烯微孔膜

2.4.2 紫外光诱导接枝聚合改性聚丙烯微孔膜

2.5 基于DMAEMA聚合物静电纺丝纤维膜的制备

2.5.1 静电纺丝过程

2.5.2 纤维膜的季铵化或季铵化-交联后处理

2.5.3 纤维膜的热稳定性

2.6 膜表面的结构与部分性能表征

2.6.1 FT-IR/ATR分析

2.6.2 X-射线光电子能谱分析

2.6.3 FESEM分析

2.6.4 膜表面水接触角的测定

2.6.5 膜表面正电荷的表征

2.6.6 改性聚丙烯微孔膜纯水通量的测定

2.7 抗污染性能测试

2.7.1 抗蛋白质污染

2.7.2 抗细菌粘附

2.7.3 抗菌性能

第3章 界面交联改性聚丙烯微孔膜

3.1 引言

3.2 PDMAEMA界面交联改性聚丙烯微孔膜

3.2.1 等离子体预处理条件优化

3.2.2 PDMAEMA与XDC季铵化-交联

3.2.3 PDMAEMA界面交联改性聚丙烯微孔膜的表征

3.2.4 PDMAEMA界面交联改性聚丙烯微孔膜的性能

3.3 PEI界面交联改性聚丙烯微孔膜

3.3.1 等离子体预处理条件再优化

3.3.2 PEI的界面交联与季铵化

3.3.3 PEI界面交联改性聚丙烯微孔膜的表征

3.3.4 PEI界面交联改性聚丙烯微孔膜的性能

3.4 结论

第4章 紫外光诱导接枝SBMA改性聚丙烯微孔膜

4.1 引言

4.2 SBMA接枝改性聚丙烯微孔膜的条件研究

4.2.1 洗涤条件的优化

4.2.2 不同BP固定方法对接枝聚合的影响

4.2.3 BP浓度对接枝密度的影响

4.2.4 紫外光辐照时间对接枝密度的影响

4.2.5 SBMA单体浓度对接枝密度的影响

4.3 SBMA接枝改性聚丙烯微孔膜的结构表征

4.3.1 接枝改性膜表面FT-IR/ATR分析

4.3.2 接枝改性膜表面XPS分析

4.3.3 接枝改性膜表面的形貌分析

4.4 SBMA接枝改性聚丙烯微孔膜的性能

4.4.1 亲水性分析

4.4.2 抗污染性能测试

4.5 结论

第5章 聚阳离子接枝制备抗菌聚丙烯微孔膜

5.1 引言

5.2 DMAEMA接枝聚合条件研究

5.2.1 物理包埋法

5.2.2 紫外光诱导共价键合法

5.3 DMAEMA接枝聚丙烯微孔膜的结构

5.3.1 FT-IR/ATR分析

5.3.2 FESEM观察膜表面形貌

5.3.3 膜表面水接触角

5.4 DMAEMA接枝链的季铵化及交联

5.4.1 季铵化及交联反应

5.4.2 季铵化及交联反应的表征

5.5 改性膜的抗菌性能

5.5.1 季铵化膜的抗茵性能

5.5.2 季铵化-交联膜的抗菌性能

5.5.3 抗菌性能的验证

5.6 结论

第6章 静电纺丝制备抗菌超细纤维膜及其抗菌机理研究

6.1 引言

6.2 共聚物的合成与表征

6.2.1 Poly(DMAEMA-co-RMA)合成

6.2.2 Poly(DMAEMA-co-RMA)表征

6.3 静电纺丝制备poly(DMAEMA-co-RMA)超细纤维膜

6.3.1 静电纺丝条件优化

6.3.2 Poly(DMAEMA-co-RMA)超细纤维膜的制备

6.4 抗菌机理的研究

6.4.1 季铵化-交联和抗菌性能

6.4.2 季铵化和抗菌性能

6.5 结论

全文结论

论文主要创新点

不足与展望

参考文献

作者简介及攻读博士期间相关科研成果