基本介紹
- 中文名：高分子膜
- 外文名：Polymer Membranes
- 代表材料：聚四氟乙烯膜、聚偏氟乙烯膜等
定義,分類,材料種類及套用,性能,透過性,蒸餾性,電性能,製備方法,用途,
定義
高分子分離膜：用高分子材料製成的具有選擇性透過功能的半透性薄膜。採用這樣的半透性薄膜，以壓力差、溫度梯度、濃度梯度或電位差為動力，使氣體混合物、液體混合物或有機物、無機物的溶液等分離，具有省能、高效和潔淨等特點。
高分子功能膜：一種具有選擇性透過能力的膜型材料，也是具有特殊傳質功能的高分子材料，通常稱為分離膜，也稱功能膜。用膜分離物質一般不發生相變、不耗費相變能，同時具有較好的選擇性，且膜把產物分在兩側，很容易收集，是一種能耗低、效率高的分離材料，從功能上來說，高分子分離膜具有物質分離、識別物質、能量轉化和物質轉化等功能。
包括微濾膜、超濾膜、高分子分離膜、反滲透膜和納濾膜等。
分類
按使用功能分為：混合物分離膜、藥物釋放緩釋膜和分隔作用保護膜；
按被分離物質性質分為：氣體分離膜、液體分離膜、固體分離膜、離子分離膜和微生物分離膜；
按被分離物質粒度大小分為：超細濾膜、超濾膜和微濾膜；
按膜形成過程分為：沉積膜、溶劑注膜、界面膜和動態形成膜；
根據膜性質分為：密度膜、相變形成膜、乳化膜和多孔膜。
材料種類及套用
1.纖維素類(CA\CN\CN-CA)
材料特性:來源廣;易製備;成膜好;耐氯強;表面光潔;不易結垢;耐污染,蛋白吸附量低.但PH值適用範圍窄,PH=3-7,使用溫度低,耐化學性差,易於水解,壓密性較差,抗菌性差.
典性套用:大小輸液的除菌過濾;注射液的除菌過濾;疫苗,生物製品和抗生素除菌過濾;細胞培養基,診斷試劑及含有蛋白質,維生素和防腐劑的製劑的除菌過濾;基因工程產品的除菌過濾;眼藥液的除菌過濾;血清,血漿分離的除菌過濾.
其它套用：用於水相溶液（CA）；預處理，顆粒檢測或除顆粒（CN\CN-CA),大孔徑膜（8um\5um\3um)特別適用於細胞收集，生物趨向性分析，小孔徑膜（如0.45um)適用於顆粒收集，更小孔徑膜（0.22um\0.1um)適用於除菌或除支原體。專用於快速診斷和轉印技術（CN）
滅菌方式:高壓滅菌、環氧乙烷熏蒸或ﻻ-射線滅菌。
2.再生纖維素（RC）
材料特性：RC亦稱cellulose Ⅱ.通常由天然纖維素經過化學方法溶解後再經沉澱析出而得.其分子量一般低於天然纖維素低,結晶度較低.具有較好的親水性,耐污染性強,通量衰減低,具有較好的耐溶劑性能,可以耐絕大多數有機溶劑.耐醇類\耐酮類\耐飽和烴\耐芳香烴\耐氯代烴\脂類及質子性強極性溶劑(如:二甲基甲醯胺等).對生物無毒副作用,具有良好的生物相容性,非特異性吸附量低.耐。
典型套用:主要用途為有機溶劑除顆粒過濾.專用於非水溶液的澄清或除菌過濾.
滅菌方式:高壓滅菌、乾熱滅菌（180度）、環氧乙烷熏蒸或γ-射線
3.聚醯胺類（尼龍-6、尼龍-66）
材料特性：主要由二元酸和二元胺或胺基酸內醯胺經縮聚或自聚而得。因有醯胺基團，易形成氫鍵，有較強的機械強度及具有良好的親水性。尼龍-66與尼龍-6相較，有更高的機械強度，更高的耐溫性，更好的耐低溫性。兩者均有較好的耐鹼性，良好的耐有機溶劑性能，耐脂耐油（礦物油和植物油）不耐酸。蛋白吸性較高。
典型套用：抗生素，維生素和其它發酵產品的除菌過濾；化學工業產品除菌過濾；獸用藥品的除菌過濾；口服液，眼藥液的除菌過濾；醫藥行業輸液和針劑的除菌過濾；生理鹽水和其它溶劑的除菌過濾；其它在製藥，化工和化妝品行業中的低成本產品的除菌過濾。
其它套用：尼龍類材料特別適應過濾鹼性溶液；用於有機溶劑除顆粒過濾。轉印膜。DNA和RNA的附著；southern\northern轉印；基因探針檢測；核酸斑點印跡；DNA指紋圖譜；菌落轉移。但由於尼龍膜的吸附相對較高，一般不推薦用於培養基的除菌過濾或蛋白液等生物樣品的過濾。
滅菌方式：高壓滅菌、環氧乙烷熏蒸。
4.聚碸(PS)類\聚醚碸(PES)類
材料特性:雙酚A型聚碸是最常用的制膜材料.聚醚碸雙稱聚苯醚碸.為了改善該材料的親水性,常常對其磺化.兩者均的優良的耐化學溶劑性能.除了強極性溶劑,濃硫酸、濃硝酸外，對一般的酸、鹼、鹽、醇、脂肪烴等化學試劑穩定。耐蒸汽性能好，能經受到50mg/L游離氯的長期侵蝕。但耐紫外線性能較差。它們均溶於氯代烴，並在酮類和酯類發生溶脹，部分溶解。
典型套用：大輸液的除菌過濾；緩衝液的除菌過濾；注射用水的除菌過濾；清洗液和消毒液的除菌過濾；大批量藥液的除菌過濾；任何需要超高流速的液體過濾。
滅菌方式：高壓滅菌或環氧乙烷熏蒸。
5.聚偏二氟乙烯（PVDF）
材料特性：PVDF是一種結晶性聚合物。有極好的耐侯性和化學穩定性。在室溫下不被酸、鹼、強氧化劑和鹵素所腐蝕，對脂肪烴、芳香烴、醇、醛等有機溶劑穩定。發煙硫酸、強鹼、酮、醚能使其溶脹或部分溶解。
典型套用：疏水性PVDF在蒸汽過濾；各種腐蝕性氣體的除菌過濾；有機溶劑的除菌過濾；製藥行業壓縮空氣的除菌過濾；發酵罐進氣或尾氣的除菌過濾等方面。親水性PVDF因蛋白吸附量低析出物少，廣泛套用於生物製藥中的除菌過濾，帶正電荷PVDF可以用來除內毒素。
其它方面的套用：轉印膜，DNA和RNA的附著；southern\northern轉印；基因探針檢測；核酸斑點印跡；DNA指紋圖譜；菌落轉移。
6.聚四氟乙烯（PTFE）
材料特性：聚四氟乙烯從分子結構看是直鏈狀熱塑性聚合物。具有極其優秀的化學穩定性及極好的耐侯性。除了金屬鈉，氟元素及其化合物對它有一定的侵蝕作用外，能耐其它任何強酸、強鹼、油脂及有機溶劑。天然的強疏水性。
典型套用：因其天然的強疏水性被廣泛套用於生物製藥領域中的空氣除菌除噬菌體如發酵罐的進氣和尾氣的除菌過濾及儲存罐的除菌過濾。強腐蝕性溶媒除菌過濾和有機溶劑的除菌過濾。高表張力溶媒須對PTFE進行親水化改性。
7.聚丙烯（PP）
材料特性：因分子鏈在空間排列上差異分等規和無規聚丙烯。膜的用材料為等規聚丙烯。等規聚丙烯是一種高度結晶熱塑性樹脂。有較好的耐熱性及優異化學穩定性。在常溫下，能耐受絕大多數化學溶劑除強氧化劑外。
典型套用（熱噴纖維平板膜）：套用於液體或氣體中的雜質或顆粒。不作為除菌過濾。注射液的預過濾；去離子水系統的顆粒過濾；化學溶媒的去微粒過濾；生物製品的除顆粒的過濾。各種溶劑或溶液體的澄清過濾。
滅菌方式：高壓滅菌、環氧乙烷熏蒸。
性能
透過性
膜的透過性是高分子膜材料非常重要的性能之一，幾乎所有關於膜的報導都涉及此性能。
實驗結果表明，膜的透過性與溫度、膜厚度、化學組成、製備工藝條件以及膜的微觀結構形態有著密切的關係。對甲基矽橡膠、乙丙橡膠、低密度聚乙烯及天然橡膠膜的氧、氮透過率研究結果發現, 膜的透過率對溫度的依賴性僅與膜的組成材料有關。而聚一4 一甲基-l 一戊烯( PMP) 膜在不同溫度下氣體透過性隨溫度升高而增大。
膜的化學組成對透過性的影響，既是普遍存在也是可以理解的現象，如用聚乙烯醇( PVA )接枝膜做人工腎的血液透析膜時，其溶質透過性、透水性都比銅粉膜和PVA膜好， 破裂強度與PV A 膜接近。聚二甲基矽氧烷(PDMs) 的氧氮分離係數較聚乙烯醇膜低2.0 左右，且膜的強度也較差。
成膜的工藝條件對膜性能的影響。通過對聚氯乙烯超濾膜的鑄膜液蒸發工藝討論的結果證明， 蒸發時間是影響PVC 超濾膜性能的主要因素。隨著蒸發時間的延長，總的趨勢是引起膜的水通量增大， 而截留率下降。隨成膜厚度的增大， 膜的水通量下降。凝膠介質的溫度對PVC 超濾膜的性能也有影響。
蒸餾性
膜蒸餾是以蒸氣壓差為動力的膜分離過程， 其特點是在常壓下和適當溫度下可以處理高濃度的溶液。如在水溶液的膜蒸餾過程中，憎水的微孔膜把不同溫度的水溶液隔開， 而暖側的水蒸氣在蒸氣壓差作用下， 不斷通過膜孔進人冷側而冷凝， 從而達到膜蒸餾目的。如當聚偏氟乙烯膜的孔徑為0.1um，溫差為30 ℃ ( 暖側50 ℃ ，冷側20 ℃ ) ，鹽水濃度0.3mol，鹽水流量10ml/s， 蒸餾通量為55 一65 kg/m2·d，截流率近於10 % 。
電性能
高聚物大部分是不導電的材料，所以能在電器工業上作絕緣材料使用。隨著膜材料研究的發展，具有各種良好電性能的膜也相繼出現。如聚毗咯(PPY ) 就是具有高導電率的材料， 但因它有難溶、難熔、難加工的缺點使其實用受到很大限制。有許多研究工作是通過聚毗咯與其他柔性高聚物在分子水平上進行複合， 而獲得具有高的力學性能和導電功能的高分子複合材料。
製備方法
1.誘導成膜
丙烯酞胺(AM ) 可以用誘導成膜聚合製成晶態聚丙烯酞胺膜。將AM 明膠及光敏劑的混合透明水溶液塗布於玻璃表面上，由於明膠分子的誘導作用，AM 分子、水分子或兩者的締合分子均勻分布於玻璃面上，AM 於室溫下成膜並結晶，可得到直徑達數厘米的球狀晶體，經紫外光照射聚合後，小晶片失去其明顯的稜角呈粒狀。用正交偏光顯微鏡觀察誘導成膜聚合的PAM球晶時， 發現它具有光學異性效應。該膜經沸水處理便得到具有一定強度、孔隙分布較均勻的大球晶薄膜材料。它是比較理想的光學薄膜。
2.完全蒸發成膜
以二甲基甲醯胺(DMF) 和四氫呋喃(THF) 混合液為溶劑， 乙二醇為致孔劑，聚氨酯(PU)為基材， 套用完全蒸發法可製得PU 多孔膜。實驗結果表明，膜的結構與性能和蒸發速率常數密切相關，如改變鑄膜液組成和制膜工藝條件可製得各種不同要求的多孔膜， 臨床試驗結果證明此膜是良好的皮膚代用品材料。
3.電漿聚合表面改性
聚氯乙烯與液晶N 一對乙氧基苄叉對丁基苯胺(EBBA ) 的共混體系(70/30) 有良好的相容性， 並可使膜的透氣率大幅度提高，但存在液晶揮發流失問題。利用氟碳化合物有較好的厭氧性能，用等離子聚合法在累積複合膜表面進行改性可提高其氧氮分離係數。實驗結果表明，氟碳聚合物在膜表面的沉積厚度主要取決於沉積時間，其交聯度隨單體流人質量的輸人能值增加而增加，在單體流速較小和沉澱時間短的條件下，可獲得α值較高的改性累積複合膜。
4.成膜物質功能化法
成膜物質功能化法主要是通過化學反應將功能性物質連線在成膜物質上，然後將其通過澆鑄或相轉化法直接成膜， 這是製備整體性智慧型膜的常用方法。通過共混交聯法製備了具有互穿網路結構的聚乙烯醇/聚丙烯酸pH 回響型智慧型膜， 該膜對尿素、愈創木酚甘油酯、L -色氨酸、VB12具有不同的選擇滲透特性。
5.表面接枝法
表面接枝法是先通過化學(自由基引發劑、臭氧等)或物理手段(如紫外光、電漿、高能輻照等)在已有商品聚合物膜表面生成反應活性中心，然後利用這些活性中心引發其他單體在膜表面聚合， 從而生成“聚合物刷”。接枝法製備智慧型膜如圖所示。接枝法根據自由基產生方式的不同又可分為化學接枝法、電漿接枝法、光接枝法和高能輻射接枝法等。
6.共混法
共混改性是製備智慧型膜的新方法, 共混法由於結合了各共混材料的性能， 因此具有很大的優勢。共混應注意的問題是各共混材料之間的相容性，其優點是：改性與成膜同步進行，工藝簡單，不需要繁瑣的後處理步驟， 極易實現材料的工業化；改性劑能同時覆蓋膜表面和膜孔內壁，不會引起膜結構的破壞。共混法在製備親水性多孔膜方面獲得了很大的進步， 但在智慧型膜研製方面才剛剛開始。
用途
高分子聚合膜廣泛的套用於各種膜分離過程中。膜材料的性能直接決定了膜分離過程性能的高低， 因而研製出具有高選擇性、高通量、基本無缺陷並能大規模生產的膜一直以來是膜分離技術研究的重點內容。
膜蒸餾技術在海水和苦鹹水的淡化、廢水處理、低溫果汁濃縮、中醫藥製備等領域得到了廣泛的研究, 由於膜蒸餾淡化技術可以利用低品位能源( 如廢熱、太陽能等) 作為其驅動動力， 因而在能源緊張和水資源緊張的當今越來越受到重視。但是低蒸餾通量和價格高昂的膜材料成為制約膜蒸餾技術商業化套用的關鍵。
得到套用的高分子膜材料主要有三種, 即聚四氟乙烯( PTFE) 、聚偏氟乙烯( PVDF) 和聚丙烯( PP) 。它們的疏水性能都較好, 其中PTFE 膜的疏水性最好。從耐氧化性及化學穩定性看， PTFE 膜優於其他兩種膜，這使得PTFE 膜在膜蒸餾過程中套用較廣； PVDF 膜次之； PP 膜化學穩定性及耐氧化性相對較差，但由於價格低廉, 市場套用廣闊。
