本发明属于高分子分离膜领域，关于一种水凝胶改性的抗蛋白质污染超滤膜及其制备方法。
背景技术：
与传统的分离方法相比，膜分离技术具有高效率、低能耗、无相变等优点。其中聚偏氟乙烯(pvdf)膜具有较好的机械性能，耐化学腐蚀，以及较好的热稳定性，所以其在膜工业中具有较大的吸引力并且在液体分离方面具有广泛的应用。但是由于pvdf膜表面氟原子的存在，表面呈现较大的疏水性能，从而导致其极易对蛋白质进行吸附。当pvdf膜应用于生物制品分离时，蛋白质容易在膜表面发生吸附，导致膜渗透通量衰减。这样就要经常更换新膜或者对膜表面进行清洗，从而增加了分离成本。因此，如何设计制备抗污染膜材料提高膜的抗蛋白污染能力、并且低能耗高效处理污水，已成为当今膜技术及应用领域的重要研究课题。
围绕如何提高pvdf膜表面的抗蛋白质污染能力，国内外学者已经进行了大量的研究，并且探索出了三种普遍认同的抗蛋白质污染机理，包括空间位阻理论，表面电荷理论以及水化层理论，目前主要是通过增加膜表面的亲水性来增加膜表面的抗蛋白污染能力。一般来说，膜表面亲水性越好，其抗蛋白质污染的能力越强。亲水性大部分是通过接触角的测试来表征，接触角越小表明亲水性越好。与此同时，通量恢复率也是表征膜表面抗蛋白质污染能力的一个主要指标。通量恢复率是从纯水与蛋白质溶液的通量循环测试中得到，通量恢复率越高表明膜的抗蛋白质污染能力越强。
目前用于亲水改性的基团主要包括羧基，羟基，磺酸基等。其中酰胺基团具有较突出的亲水性，很多学者已经对酰胺基团改性膜进行了大量研究。柳丽芬等在发明专利(中国专利，专利号：cn2012100851640)中公开了一种通过多巴胺的自聚合在二氧化钛纳米粒子表面形成活性的聚多巴胺复合层，然后利用这种纳米粒子与pvdf共混的技术，共混膜的抗污染性能得到了很大提升。杨璇璇等(辐射研究与辐射工艺学报，29，4：209-213)将丙烯酰胺接枝到pvdf粉末上，然后刮膜，其通量恢复率从51％增加到80％，抗蛋白质污染性能得到了很大提升。huyanshi等(journalofmembranescience，2016，496：39-47)通过在pvdf中空纤维膜表面涂覆聚乙烯亚胺，其接触角从80°降到10°，通量恢复率达到94％，这说明其亲水性和抵抗蛋白质吸附能力得到了很大提升。xushanwang等(appliedsurfacescience，2017，496：546-556)在膜表面接枝聚乙烯亚胺，并且通过与缩水甘油反应对其羟基化。表面接触角从137°降到38°，通量恢复率从40％增加到80％。guilizhao等(reactiveandfunctionalpolymers，2015，97：19-29)将聚异丙烯酰胺接枝到膜表面，接触角从106°降到50°，通量恢复率达到91.59％。
近年来，越来越多的学者使用水凝胶对膜表面进行亲水改性。水凝胶具有亲水残基，其分子链通过物理或化学交联形成三维网状结构，可以在分离膜表面形成较稳固的水化层，具有较优异的亲水性。sunjiexu等(journalofindustrialandengineeringchemistry，2018，58：179-188)将海藻酸钙凝胶涂覆在聚合物膜上，改性后通量回收率可达99％。weilongsong等(journalofmembranescience，2018，550：266-277)将一种新型的有机硅溶胶-凝胶涂覆在pvdf膜上，接触角可从73°降至35°，通量恢复率可高达94％。yutaohu等(journalofmembranescience，2018，545：250-258)将原硅酸四乙酯凝胶涂覆到水解的pan膜中以增强亲水性和抗蛋白质污染的能力，其中改性后的膜表面接触角约为38°，通量恢复率可达91.3％。上述研究大都是通过涂覆方法，借助凝胶分子特征基团与膜表面形成氢键或静电作用使膜表面亲水性增强。然而，该方法的不足之处在于不能保证长时间过滤时凝胶层的稳定性，凝胶易从膜表面脱落，从而严重影响抗蛋白质污染的效果。所以如何增强凝胶层的稳定性是需要解决的一个问题。
接枝改性是提高改性聚合物在膜表面稳定性的一个有效方法。接枝改性方法有很多种，包括等离子引发接枝，原子转移自由基聚合接枝，碱处理引发自由基聚合接枝等方法。在这些方法中，紫外辐射引发接枝具有较突出的优点，它的设备简单，运行成本低，另外紫外光相比高能辐射来说，其穿透能力差，所以紫外引发接枝反应可以不破坏基膜，保持pvdf膜原有较好的机械性能，耐高温性能等。然而由于凝胶形成机理的限制，很难可以将凝胶接枝到膜表面，或者将水溶性高分子形成凝胶负载到膜表面，还需要添加交联剂，这样操作复杂，成本增加。
本发明采用侧链具有多酰胺基团的烯类单体(ch2＝ch(conh2)n，1＜n＜5)为改性物质，该类化合物侧基具有多酰胺基团，分子内及分子间可以自组装形成多氢键物理交联结构，分子链上部分自由亲水基团容易与水分子结合，其网络体系内可以吸附大量的水，整个三维网络体系在常温下不容易溶于水具有较高的力学强度，因此将其接枝于分离膜表面时，可以长时间的保持稳定的水化层，进一步提高蛋白质溶液分离效果并延长使用寿命。本发明首先通过紫外辐射在pvdf膜表面形成自由基，自由基引发含有多酰胺基团的烯类单体接枝到膜表面，并且产生新的自由基，继续引发更多单体聚合，从而将聚合物接枝到膜表面。相应的聚合物可以在不加交联剂的情况下，通过分子链间的氢键自主装形成物理凝胶(参见说明书附图1)。在常温水溶液中，该物理凝胶层可以保持稳定的交联结构；而在90℃以上的高温水溶液中，该物理凝胶还具有自愈合的特性，有助于对膜表面机械损伤的修复。该接枝凝胶层可以有效提高膜表面的抗蛋白质污染能力，同时又便于表面污染物的清洗。与传统方法相比，本发明制备的膜具有操作简单，效果显著等优点。本发明给分离膜表面亲水性改性提供一种新的思路，具有类似结构(侧链含有多酰胺基团的烯类单体)的物质或者可以通过分子间物理氢键自主装形成交联网络结构的化合物，均可以被用于膜表面亲水改性。
技术实现要素：
本发明以侧链具有多酰胺基团的烯类单体为改性化合物(ch2＝ch(conh2)n，1＜n＜5)，以二苯甲酮为光引发剂，以硫酸亚铁铵为阻聚剂，以甲醇和蒸馏水为溶剂，以pvdf为基膜，通过紫外辐射在pvdf膜表面形成自由基，引发含有多酰胺基团的烯类单体接枝到膜表面，并且产生新的自由基，引发更多单体聚合，从而将聚合物接枝到膜表面。以上所述抗蛋白质污染分离膜的制备步骤如下：
1.n-丙烯酰甘氨酰胺(侧链含有双酰胺基团)的制备是根据xiyangdai等(advancedmaterial，23，27：3566-3571)所提出的方法，其制备步骤如下：
1)甘氨酰胺盐酸盐，去离子水，碳酸钾和乙醚依次加入到置于冰水浴(0℃)中的三颈玻璃烧瓶中；
2)采用恒压分液漏斗向上述混合溶液中滴加乙醚和丙烯酰氯的混合液，之后在室温下进一步搅拌4小时；
3)向上述反应后的混合物中滴加6mol/lhcl，调节ph至2；
4)将上述混合物用150ml乙醚洗涤三次，再经过旋转蒸发除去残余乙醚；
5)用2mol/lnaoh将混合物溶液的ph调节至中性，经冷冻干燥得到粗产物；
6)将粗产物(n-丙烯酰甘氨酰胺和氯化钾等)用150ml乙醇/甲醇混合溶液(4/1，v/v)洗涤三次除去有机盐；
7)旋转蒸发除去乙醇和甲醇，并将剩余的混合物在0℃下重结晶，得到精制n-丙酰甘氨酰胺，将其真空干燥。
所述步骤1)中甘氨酰胺盐酸盐的加入量为6.30g，0.05706mol；去离子加入量为6ml；冷碳酸钾的加入量为33.6ml，2mol·l-1；乙醚加入量为18ml；滴加时间为1h；
所述步骤2)中乙醚加入量分别为24ml；丙烯酰氯加入量为5.70g。
2.抗蛋白质污染超滤膜的制备步骤如下：
1)将pvdf原膜放在甲醇溶液中进行清洗；
2)将清洗后的pvdf膜浸泡于含有二苯甲酮的甲醇溶液中，1h后取出自然晾干；
3)将一定质量的n-丙烯酰甘氨酰胺，溶解在含有去离子水，甲醇以及硫酸亚铁铵的溶液中，然后将混合液倒进石英管中，通氮气0.5h，浸入晾干的pvdf膜，密封保存；
4)密封后的石英管放在紫外灯下进行照射一定时间后，将膜取出，用甲醇和水溶液对膜进行清洗，真空干燥备用。
上述步骤1)中的pvdf原膜可以是商业膜或者自制的膜，孔径大小为0.1μm-0.45μm，膜上表面面积为15-20cm2；
上述步骤2)中二苯甲酮浓度为0.1-1mol/l；
上述步骤3)中n-丙烯酰甘氨酰胺质量为0.1-1.5g，甲醇与蒸馏水比例为1∶3-1∶6，n-丙烯酰甘氨酰胺与溶液质量比为1∶25-1∶400，硫酸亚铁铵与naga质量比为1∶2-1∶6；
上述步骤4)中紫外灯下光密度为3-10j/cm2，辐射时间为5-60min。
本发明具有如下有益技术效果：膜表面亲水性提高，抗蛋白质吸附能力增强，且生物相容性较好，操作简单，不需要添加化学交联剂，凝胶层结构及膜分离性能稳定，容易清洗。这属于一种新型的抗蛋白质污染分离膜。
附图说明
图1是pvdf膜接枝多酰胺烯类单体后，产生分子链之间的氢键示意图。
图2是实施案例2中制备的n-丙烯酰甘氨酰胺改性膜表面接触角随时间变化图。
图3是实施案例2中制备的n-丙烯酰甘氨酰胺改性膜的纯水-蛋白质溶液通量循环测试图。
图4是实施案例2中制备的n-丙烯酰甘氨酰胺改性膜经过超声30min和24h持续通量测试后，膜表面形态变化图。其中(a)为改性膜的原始扫描电镜图，(b)为经过超声30min后扫描电镜图，(c)为24h持续通量测试后扫描电镜图。
具体实施方式
实施例1：
(1)n-丙烯酰甘氨酰胺的合成：
1)甘氨酰胺盐酸盐(6.30g，0.05706mol)，6ml去离子水，33.6ml冷碳酸钾(2mol/l)和18ml冷乙醚加入到三颈玻璃烧瓶(容积为100ml，冰水混合浴)中；
2)采用恒压分液漏斗向上述混合液中滴加乙醚(24ml)和丙烯酰氯(5.70g)的混合溶液，1h滴加完，并在室温下连续搅拌4小时；
3)向上述反应后的混合物中滴加6mol/lhcl，调节ph至2；
4)将上述混合物用150ml乙醚洗涤三次，再经过旋转蒸发除去残余的乙醚；
5)用2mol/lnaoh将混合物溶液的ph调节至中性，经冷冻干燥得到粗产物；
6)将粗产物(n-丙烯酰甘氨酰胺和氯化钾等)用150ml乙醇/甲醇混合溶液(4/1，v/v)洗涤三次除去有机盐；
7)旋转蒸发除去乙醇和甲醇，并将剩余的混合物在0℃下重结晶，得到精制的n-丙烯酰甘氨酰胺，将其真空干燥。
(2)抗蛋白质污染分离膜的制备：
1)将孔径为0.1μm，上表面面积为15cm2的pvdf商业原膜放在甲醇溶液中进行清洗；
2)将清洗后的pvdf膜浸泡于含有二苯甲酮的甲醇溶液中(1mol/l)，1h后取出自然晾干；
3)称取1gn-丙烯酰甘氨酰胺，3g硫酸亚铁铵，8ml甲醇以及42ml蒸馏水配成混合溶液，之后转入石英管中，通氮气0.5h，将晾干的pvdf膜浸入，密封保存；
4)将密封后的石英管放在光密度为4j/cm2的紫外灯下，照射50min然后将膜取出用甲醇和水溶液进行清洗，真空干燥备用。
实施例2：
(1)n-丙烯酰甘氨酰胺的合成：同实施例1。
(2)抗蛋白质污染分离膜的制备：
1)将孔径为0.22μm，上表面面积为18cm2的pvdf商业原膜放在甲醇溶液中进行清洗；
2)将清洗后的pvdf膜浸泡于含有二苯甲酮的甲醇溶液中(0.7mol/l)，1h后取出自然晾干；
3)称取0.4gn-丙烯酰甘氨酰胺，0.1g硫酸亚铁铵，11ml甲醇以及39ml蒸馏水配成混合溶液，之后转入石英管中，通氮气0.5h，将晾干的pvdf膜浸入，密封保存；
4)将密封后的石英管放在光密度为6j/cm2紫外灯下进行照射35min。然后将膜取出用甲醇和水溶液进行清洗。
实验对比例：
将平均孔径为0.22μm，上表面积为18cm2的pvdf商业原膜放在甲醇溶液中进行清洗，然后进行真空干燥，得到本实验所需的pvdf空白超滤膜。
实验效果：
本发明针对现有分离膜抗蛋白质吸附能力差的问题，设计制备出新型的抗蛋白质污染pvdf超滤膜。采用实施案例2得到的样品进行测试，发现：(1)pvdf膜表面初始接触角从121°降到55°，而且随着时间的变化，接触角在11s之内可以降到0°(参见说明书附图2)，说明pvdf膜表面的亲水性得到了很大的提高；(2)对膜进行蛋白质溶液和纯水溶液通量循环测试，空白膜经过三个循环测试后，其通量恢复率从46.2％降到了15.1％，而经过n-丙烯酰甘氨酰胺改性后，其通量恢复率一直维持在99％以上(参见说明书附图3)，这说明其具有较优异的抗蛋白质污染能力；(3)改性膜经过超声30min和24h持续通量测试后，其重量与膜孔形态没有发生明显改变(参见说明书附图4)，说明凝胶层具有较优异的稳定性。