亲水膜及其制造方法

专利名称：亲水膜及其制造方法
背景技术：
1.发明领域本发明涉及膜的制造方法和膜产品，更具体来说，本发明涉及利用聚合物交联赋予聚合物膜所需特性的方法和由该方法得到的膜产品。
2.相关背景技术目前微量过滤聚合物膜正广泛用于各个行业以进行处理或使用，例如溶液和悬浮液的过滤、分离和浓缩。上述聚合物膜是通过转相法制造的。
术语“转相法”是指将聚合物溶液暴露于受控环境以引发液-液分层从而形成孔结构的方法。转相是形成微孔膜的必需步骤。该方法是由许多本领域技术人员公知的机理引发的。转相的实例非限制性地包括使聚合物溶液涂层与溶剂和非溶剂溶液接触，所述溶剂和非溶剂溶液比聚合物溶液含有更高比例的非溶剂；热引发相转换；以及使膜暴露于蒸汽界面并从聚合物溶液涂层中蒸发掉溶剂。
上述膜的有效性因膜表面和孔受污染而受到很大限制，所述污染随时间增加了压力下降，减少了渗透通量，并改变了溶质选择性，等等。在某些应用中，例如涉及到含油或含蛋白质溶液的应用，与污染相关的膜清洗和膜替换成本会使该方法的使用成本增加至使其成为使用膜技术的重要经济负担。
在上述使用中污染的主要原因在于通常制造上述膜的疏水材料(即，“蛋白结合”)对溶液中有机质的吸引。特别是在较低浓度发生结合时，蛋白结合常常会造成更严重的困境，即由于消费者重要蛋白的损失而造成比膜受污染的问题更大的经济危害。
在膜制造中所用的疏水材料通常具有低的表面张力值，而且在其表面化学组成中缺乏与水形成“氢键”的活性基团。因此由上述材料制成的膜具有低的可湿性，即在体系中无足够压力的情况下高表面张力的液体如水并不是被吸附到膜内，而是倾向于在膜表面形成不连续的液滴。
相反，由亲水材料构成的膜通常具有高的表面张力值，而且具有与水形成“氢键”的能力，这导致了膜表面水膜的形成。此外，由亲水材料制成的膜受污染较轻而且通常是可逆的，但上述膜具有相对较差的机械和热稳定性，而且易于与处理液发生化学反应。
由尼龙构成的膜是上述中的一个例外，这是因为尼龙膜虽然亲水，但其非常易于结合蛋白质，这可能是由于尼龙化学结构中酰胺基和胺基的存在。
疏水膜通常用作亲水膜不能胜任的无菌空气过滤器，但在水溶液中使用时亲水膜具有压倒性优势。仍然需要对天然疏水膜赋予亲水表面以开发其它所需的性能如优良的化学耐受性、以及所需的热和机械性能，从而使得它们比无论具有何种上述优点的亲水材料构成的膜成本效率更高。
由于亲水材料的性能比疏水材料的性能更受欢迎(至少在水溶液中使用时)，因此在现有技术中通行的操作是对通常由疏水材料如聚偏二氟乙烯(“PVDF”)和聚醚砜(“PES”)构成的聚合物膜进行改性，以使其除具有上述材料的优点外还具有亲水性和低蛋白结合性。概括来说，对聚合物膜改性的最常用方法如下所述(i)用交联聚合物进行涂覆，(ii)表面活化后进行接枝和(iii)与共聚物混合。
用包含以交联聚合物进行涂覆的方法对膜进行改性的一个重要优势在于构思和操作都很简单。但是，目前所用技术的缺点在于涂层是热或机械不稳定的。通过该方法赋予疏水膜的表面改性，例如亲水性，会随着时间延长而变差。当将上述膜暴露于高温环境时这一点尤其明显。
美国专利No.4,618,533(’533专利)描述了典型的涂层方法，其中在紫外辐射(UV)或热处理之前用含单体、交联剂和引发剂的溶液对PVDF膜进行后处理。该’533专利教导了单体丙烯酸羟烷酯或甲基丙烯酸酯的使用，其中实施例是丙烯酸羟丙酯(HPA)。根据在’533专利中公开的方法所制造的PVDF膜的主要问题在于其在超过130℃受热后易于丧失部分或全部的亲水性。
表面活化后进行接枝的方法需要暴露于UV或电子束(EB)辐射、高能化学品或其它高能源如臭氧或等离子体，用以在基底表面上产生接枝所需的游离基或其它高活化种类。例如，在美国专利No.5,019,260和5,736,051中在使膜接触单体溶液前用高能电子束或γ射线活化膜表面，而没有该高能辐射，反应就不会发生。
尽管接枝法常常保留了大部分的基底性质，而且在上列膜改性的三个方法通常提供最佳的整体结果，但该方法并没有被广泛使用，这是由于与使用高能源或高能化学品相关的费用和安全性问题。由于上述原因，该技术通常只保留用于基材易于活化的极少数情况。
与共聚物混合是用于膜改性的较不严格而且更节省的方法。然而，该技术较上述方法的有效性更低，这是由于所加入的膜改性共聚物不是沿表面聚集以得到最佳改性优点，而是分散在所得的整个膜中。如此，与共聚物混合的众多优点就丧失了。该方法的另一缺点包括共聚物本身在混合前必须合成、分离并纯化。混合的另一问题在于它会损害原聚合物膜的结构，限制使用浓度范围，并因此使其难以与工艺的改变相适应而对配方进行改性。
例如，在WO 98/08595和稍后发布的Macromolecules 321643-1650(1999)中公开了梳形共聚物和PVDF的混合用以制造浇铸涂液。如上所述，由该方法制造的膜与用上述其它方法制造的膜相比通常具有较低的可湿度和孔隙度。而且，在聚合物与PVDF混合之前必须进行聚合反应和提纯。
美国专利Nos.5,066,401和4,302,334公开了共聚物混合的其它实例，该专利一般公开了通过水解PVDF和第二聚合物如聚乙酸乙烯酯的混合物来形成亲水膜的方法。由该方法制造的膜在酸性溶液中显示出更好的可湿性，这主要是由于在酸性条件下催化了进一步的水解。然而在中性条件下可湿性较差。美国专利Nos.5,122,273和5,503,746描述了类似的混合方法，其中使用聚(亚烷基)二醇或聚乙烯基三氟乙酸酯。尽管由该方法制造的膜减少了蛋白质结合，但还不足以使其适用于蛋白质溶液过滤。
总之，目前已有的对膜改性以赋予其所需性能的方法具有许多缺点。尽管存在与上述方法相关的问题，但对用于各种现有应用的改进膜仍存在强烈需求。此外，由于与上述方法所制造的膜的相关问题，在目前或可能的将来存在可有利地采用膜但不能使用的情况。本发明的目的就是提供对膜进行改性的有用方法和改性膜，所述方法和改性膜其中克服了现有技术的缺点。
发明概述本发明通过其中提供简单经济的制造具有亲水性和低蛋白结合性膜的方法，从而克服了现有技术的缺点，所述膜热和机械稳定，而且还不易受化学腐蚀。本发明膜的制造可以批次或连续进行。本发明的另一目的是公开具有机械和热稳定性涂层(即，耐变质和破裂)的膜，而且该膜也显示出亲水性和低的非特异性蛋白结合性。本发明的另一目的是提供对由疏水聚合物构成的膜赋予上述特性的方法。
本发明涉及制造亲水膜的方法，该方法包括如下步骤提供聚合物膜；提供含亲水单元的第一单体；提供带有亲水单元的第二单体；提供用以促进第一和第二单体的聚合和交联反应的引发剂；在引发剂的存在下使聚合物膜暴露于第一和第二单体以启动第一和第二单体的聚合和交联反应。
在下文所述的实施方案中，第一单体是丙烯酸酯单体，第二单体是二丙烯酸酯单体，但本发明也可有利地使用其它单体。此外，根据本发明的方法，上述步骤可以独立或组合进行。
本发明的上述方法还可以包括以下附加步骤使聚合物膜暴露于热源，使聚合物膜暴露于碱，使聚合物膜暴露于醇或使聚合物膜暴露于带有含羟基溶质的溶液。上述暴露可在该方法的任一步骤之前、期间或之后于各种浓度下进行预定长的时间。而且，上述附加步骤可以独立进行或与本发明方法的上述一个或多个处理步骤组合进行。
所提供的聚合物膜主要是由疏水材料如PVDF或PES制成的。该聚合物膜也可主要是由亲水材料如尼龙制成。此外，该膜也可主要由适用于微孔过滤的其它任何聚合物材料制成。
与二丙烯酸酯单体相关的亲水单元优选包括重复的亲水片断链和/或亲水官能团。丙烯酸酯单体也优选包括重复的亲水片断链和亲水官能团。优选丙烯酸酯单体包括亲水片断的相对长链。通常优选更长链的单体，这是由于它们其中能提供更高的稳定性。
在优选实施方案中，丙烯酸酯单体包含乙撑氧片断和羟基官能团。优选乙撑氧片断的数量大于1，可以是2、5、10或其它值。二丙烯酸酯单体也可包含乙撑氧片断和/或羟基官能团。引发剂可以是过硫酸钠，过硫酸铵或适用于聚合和交联反应的其它类型的引发剂。
本发明还涉及赋予聚合物膜亲水性的溶液。在根据本发明方法的聚合物制造中可使用该溶液。
本发明的溶液包括各自具有亲水单元的第一和第二单体，和用以促进第一和第二单体的聚合和交联反应的引发剂。优选第一单体是主要含有亲水片断和亲水官能团的单官能丙烯酸酯单体，而第二单体则是含有亲水官能团的二官能二丙烯酸酯单体。引发剂可以是过硫酸钠，过硫酸铵或其它用于聚合和交联反应的类似引发剂。该溶液还可含有水，碱，醇，或含羟基溶质。
单官能丙烯酸酯单体可包含亲水片断和亲水官能团。亲水片断优选包括乙撑氧，而亲水官能团优选为羟基。二官能二丙烯酸酯单体同样优选包含乙撑氧片断以及羟基官能团。
本发明还涉及亲水聚合物膜，该膜可用根据本发明的方法和/或使用根据本发明配制的溶液制造。本发明的聚合物膜包括微孔基底和交联涂层，该交联涂层包含具有乙撑氧片断和亲水官能团的单官能丙烯酸酯单体和具有亲水官能团的二官能二丙烯酸酯单体。
微孔基底主要是由PVDF、PES或尼龙制成。任一单体所含的亲水官能团均可以是羟基。二丙烯酸酯单体也可包含亲水片断如乙撑氧。
通过以下示例性和目前优选实施方案的详细描述，由根据本发明制造的膜的上述和其它独特特征将会变得更加显而易见。
优选实施方案详述以下详述描述并示例了本发明的一个或多个具体实施方案。通过详细说明并描述上述具体实施方案，使得本领域技术人员能够实施本发明，但所提供的具体实施方案并非限制本发明，而仅为例述并教导本发明而已。在恰当地避免使本发明不清楚的前提下，以下描述可省略本领域技术人员已知的某些信息。
本发明通常就是为了提供对聚合物膜赋予所需特性的方法，所述聚合物膜本身基本不具有上述特性，提供用于有利地赋予聚合物膜所需特性的溶液，以及提供根据本发明方法制造的用于微孔过滤的聚合物膜。
首先，应理解微孔膜是本领域众所周知的。微孔膜是含有从一表面延伸至另一表面的微孔互连通道的多孔固体。上述通道提供了过滤液体必须通过的弯曲隧道。液体中含有的粒子在通过微孔膜时被捕获在膜结构上或膜结构中从而实现过滤。通常采用约5至约50psig(每平方英尺上的磅数)的压力以迫使流体通过微孔膜。液体中比孔大的粒子或者不能进入膜中或者捕获于膜孔内。液体和比膜孔小的粒子则可通过。如此，微孔膜阻止了一定粒径或更大的粒子通过，而同时则允许液体和比该粒径小的粒子通过。典型的微孔膜能够保留约0.01至约10.0微米粒径范围的粒子。
根据本发明的方法，赋予膜的所选特性包括亲水性，其通常会导致自动润湿并改进膜上的流动性，等。在实践中，所提供的微孔膜具有所需的机械和化学性能。本发明方法赋予膜的特性其中包括减少气泡粘附、减少蛋白质吸附和变性、减少微生物依附、改善表面适印性(printability)和改善液体或血液操作特性。
本发明可特别有利地用于由疏水的、基本上化学惰性的、具有高机械强度的聚合物材料制成的膜，但本发明方法也可用于由具有不同性质的材料制成的膜。优选膜是由聚合物材料制成的，更优选膜主要是由PVDF制成。也可使用由渗透网络形成的其它多孔性疏水或非疏水膜，只要可以进行本发明的交联反应以赋予亲水性即可。
根据本发明，使用单体来对膜的表面进行改性以提供亲水性、低蛋白结合性及热和机械稳定性。通常，在膜的表面存在足量羟基(OH-)、烷基醚(-R-O-)、羧基(-COOH)、氨基(-NH2)和/或类似官能团时会使亲水性提高。上述基团已知有助于使水吸附和/或吸收至膜上。然而，羧基和氨基因其结合蛋白的能力而较不优选。
优选使用同时带羟基官能团和乙撑氧片断柔性长链的表面改性单体，以同时满足低蛋白结合性及热和机械稳定性。目前在涂层材料中优选使用羟基，尽管上述基团和乙撑氧基团(-O-C-C-)也是亲水的，这主要是由于发现羟基更抗蛋白结合。而且，根据本发明方法使用羟基和乙撑氧片断柔性长链可有利地赋予本发明膜其它有用的性能。
例如，含羟基和乙撑氧单元的交联因宽的摆动角而导致链的更大柔性。而且降低了玻璃转化温度(Tg)，这提高了膜保持橡胶态的温度范围，从而提供了在一定温度范围具有所需柔韧性的膜。由于上述原因，找到了具有如下结构的单体，所述单体称为nEGMA(n-乙二醇甲基丙烯酸乙酯)，其中n与式中的下标n相应 与羟基官能团加成后，上式变为CH2＝CCH3-C(O)-(O-CH2-CH2)n+1-OH需要说明的是，在现有技术中已公开了具有如下通式、带亲水单元的相关但不同化合物丙烯酸羟丙酯(HPA)H2C＝CH-C(O)-O-C3H6-OH用以在聚合物膜应用中同时提供亲水性和低蛋白结合性。令人吃惊的是，已经发现nEGMA型单体除提供来自亲水单元的亲水性外，还提供比常规使用的HPA好得多的热稳定性，因此经nEGMA处理过的膜在使用中能在更高的温度下处理而不会丧失亲水性和低蛋白结合性。
nEGMA单体可在二丙烯酸型交联剂如TEGDA(四乙二醇二丙烯酸酯)的存在或不存在下，通过本领域已知的热、UV或其它合适的引发/活化聚合法进行聚合。本领域技术人员显然理解，本发明也可使用其它类型的交联剂。优选交联剂为带亲水单元的双官能单体。例如，另一有用的二丙烯酸酯单体为聚乙二醇二丙烯酸酯，它可提供同样柔性的-CH2-CH2-O-链接，例如PEG(200)二甲基丙烯酸酯、PEG(400)二甲基丙烯酸酯和PEG(600)二甲基丙烯酸酯(也分别称为PEG200DMA、PEG400DMA和PEG600DMA)。而且PEG200DMA、PEG400DMA和PEG600DMA还被认为是非致癌物质。
测试根据本发明构造的膜涂层的热稳定性并与用HPA进行类似处理的膜进行对比。使用约15％和约20％的氯化钠溶液以提高水的表面张力，从而使可湿性测试更好区别。
通过回收得到流穿蛋白质溶液的液体样品并测试膜上蛋白质的固体样品来测量蛋白结合性。使用分光光度计LS50B(Perkin-Elmer)来测量经荧光素标记的牛血清白蛋白(BSA)的荧光强度。此外还将I125-BSA用作待结合至膜表面上的模型蛋白。
以下实施例提供和/或详细说明了本发明的其它方面和实施方案。
实施例1带有使用HPA的亲水涂层的PVDF膜首先将疏水形式的膜用醇润湿，然后用水充分洗涤。单体溶液于水中含有2％HPA，0.63％TEGDA和2％过硫酸钠。将用水润湿的膜在单体溶液中浸泡5分钟，然后将其置于空气被软辊压出的两个聚酯膜之间。然后在95℃加热约3分钟。
实施例2带有使用10EGMA的亲水涂层的PVDF膜基本上重复实施例1的方法，除了HPA用本发明的10EGMA(即，nEGMA，其中在上式中n＝10)代替之外。
热处理后的可湿性测试将实施例1和2的膜在IPA中煮沸48小时，在135℃干加热1.5小时，在131℃热压处理4小时，并在150℃干加热15分钟。在水中和15％及20％氯化钠溶液中的润湿时间记录如下根据本发明构造的膜(10EGMA/PVDF)对常规润湿聚合物(HPA/PVDF)
蛋白结合测试流穿液体样品蛋白结合性是通过回收得到流穿后的蛋白质溶液的液体样品并测试膜上蛋白质的固体样品来测量的。使用分光光度计LS50B(Perkin-Elmer)来测量经荧光素标记的牛血清白蛋白(BSA)的荧光强度。还使用I125-BSA作为待结合至膜表面的模型蛋白。结果如下

图1所示。
图1.结合至膜表面的I125-BSA百分比 蛋白结合测试流穿固体样品本发明的低蛋白结合性也可通过测量固体膜样品上的BSA来直接证明。此外还测试了作为对照的高蛋白结合性的尼龙膜045S1以进行对比。结果如下图2所示图2.过滤结合于膜上的荧光素标记的BSA的相对量
尽管通过优选实施方案对本发明进行了描述，但本领域技术人员显然明白可以对本发明进行各种改变和/或修正而不脱离本发明的精神或范围。
权利要求
1.制造亲水膜的方法，包括如下步骤(a)提供聚合物膜；(b)提供含亲水单元的丙烯酸酯单体；(c)提供含亲水单元的二丙烯酸酯单体；(d)提供用以促进丙烯酸酯和二丙烯酸酯单体的聚合和交联反应的引发剂；及(e)在引发剂的存在下使聚合物膜暴露于丙烯酸酯和二丙烯酸酯单体以启动丙烯酸酯和二丙烯酸酯单体的聚合和交联反应。
2.根据权利要求1的方法，其进一步包括使聚合物膜暴露于热源的步骤。
3.根据权利要求1的方法，其中提供聚合物膜的步骤进一步包括提供主要由疏水材料制成的膜。
4.根据权利要求1的方法，其中提供聚合物膜的步骤进一步包括提供主要由PVDF制成的膜。
5.根据权利要求1的方法，其中提供聚合物膜的步骤进一步包括提供主要由尼龙制成的膜。
6.根据权利要求1的方法，其中提供聚合物膜的步骤进一步包括提供主要由PES制成的膜。
7.根据权利要求1的方法，其进一步包括使聚合物膜暴露于碱的步骤。
8.根据权利要求1的方法，其进一步包括使聚合物膜暴露于含羟基溶质的步骤。
9.根据权利要求1的方法，其中提供含亲水单元的二丙烯酸酯单体的步骤进一步包括提供TEGDA。
10.根据权利要求1的方法，其中提供含亲水单元的二丙烯酸酯单体的步骤进一步包括提供PEG(200)二甲基丙烯酸酯。
11.根据权利要求1的方法，其中提供含亲水单元的二丙烯酸酯单体的步骤进一步包括提供PEG(400)二甲基丙烯酸酯。
12.根据权利要求1的方法，其中提供含亲水单元的二丙烯酸酯单体的步骤进一步包括提供PEG(600)二甲基丙烯酸酯。
13.根据权利要求1的方法，其中提供含亲水单元的丙烯酸酯单体的步骤进一步包括提供含重复亲水片断链的丙烯酸酯单体。
14.根据权利要求13的方法，其中提供含重复亲水片断链的丙烯酸酯单体的步骤进一步包括提供含乙撑氧片断链的丙烯酸酯单体。
15.根据权利要求1的方法，其中提供含亲水单元的丙烯酸酯单体的步骤进一步包括提供含乙撑氧片断链和亲水官能团的丙烯酸酯单体。
16.根据权利要求15的方法，其中提供含乙撑氧片断链和亲水官能团的丙烯酸酯单体的步骤进一步包括提供含乙撑氧片断链和羟基官能团的丙烯酸酯单体。
17.根据权利要求1的方法，其中提供含亲水单元的丙烯酸酯单体的步骤进一步包括提供nEGMA，其中n为大于1的可变值。
18.根据权利要求17的方法，其中提供nEGMA的步骤进一步包括提供n等于2的nEGMA。
19.根据权利要求17的方法，其中提供nEGMA的步骤进一步包括提供n等于5的nEGMA。
20.根据权利要求17的方法，其中提供nEGMA的步骤进一步包括提供n等于10的nEGMA。
21.根据权利要求1的方法，其中提供用以促进丙烯酸酯和二丙烯酸酯单体聚合和交联反应的引发剂的步骤进一步包括提供过硫酸钠。
22.根据权利要求1的方法，其中提供用以促进丙烯酸酯和二丙烯酸酯单体聚合和交联反应的引发剂的步骤进一步包括提供过硫酸铵。
23.赋予聚合物膜亲水性的溶液，包括(a)主要含亲水片断和亲水官能团的单官能丙烯酸酯单体；(b)含亲水官能团的二官能二丙烯酸酯单体；和(c)促进单官能丙烯酸酯单体和二官能二丙烯酸酯单体聚合和交联的引发剂。
24.权利要求23所述的溶液，其中亲水片断是乙撑氧。
25.权利要求23所述的溶液，其中单官能丙烯酸酯单体的官能团是羟基。
26.权利要求23所述的溶液，其进一步包括碱。
27.权利要求23所述的溶液，其进一步包括醇。
28.权利要求23所述的溶液，其中单官能丙烯酸酯单体是nEGMA，n为大于1的可变值。
29.权利要求23所述的溶液，其中二官能二丙烯酸酯单体是TEGDA。
30.权利要求23所述的溶液，其中二官能二丙烯酸酯单体是PEG(200)二甲基丙烯酸酯。
31.权利要求23所述的溶液，其中二官能二丙烯酸酯单体是PEG(400)二甲基丙烯酸酯。
32.权利要求23所述的溶液，其中二官能二丙烯酸酯单体是PEG(600)二甲基丙烯酸酯。
33.权利要求23所述的溶液，其中引发剂是过硫酸钠。
34.权利要求23所述的溶液，其中引发剂是过硫酸铵。
35.亲水聚合物膜，包括微孔基底和交联涂层，所述交联涂层包含具有乙撑氧片断和亲水官能团的单官能丙烯酸酯单体和具有亲水官能团的二官能二丙烯酸酯单体。
36.权利要求35所述的亲水聚合物膜，其中单官能丙烯酸酯单体所含的亲水官能团是羟基。
37.权利要求35所述的亲水聚合物膜，其中微孔基底主要由PVDF制成。
38.权利要求35所述的亲水聚合物膜，其中微孔基底主要由PES制成。
39.权利要求35所述的亲水聚合物膜，其中微孔基底主要由尼龙制成。
40.权利要求35所述的亲水聚合物膜，其中单官能丙烯酸酯单体是nEGMA，n为大于1的可变值。
41.权利要求40所述的亲水聚合物膜，其中n等于10。
42.权利要求35所述的亲水聚合物膜，其中二官能二丙烯酸酯单体是TEGDA。
43.权利要求35所述的亲水聚合物膜，其中二官能二丙烯酸酯单体是PEG(200)二甲基丙烯酸酯。
44.权利要求35所述的亲水聚合物膜，其中二官能二丙烯酸酯单体是PEG(400)二甲基丙烯酸酯。
45.权利要求35所述的亲水聚合物膜，其中二官能二丙烯酸酯单体是PEG(600)二甲基丙烯酸酯。
全文摘要
本发明提供了对聚合物膜赋予亲水性的方法，所述方法将膜暴露于丙烯酸酯单体、二丙烯酸酯单体和促进交联与聚合反应的引发剂，所述丙烯酸酯单体含有诸如乙撑氧的亲水片段并含亲水官能团，所述二丙烯酸酯单体含有亲水官能团。
文档编号B01D69/00GK1816385SQ200480008869
公开日2006年8月9日 申请日期2004年2月27日 优先权日2003年4月1日
发明者迈克尔·S·梅日罗夫, 埃尚·B·耶赫 申请人:库诺公司