（材料科学与工程专业论文）两亲聚合物接枝改性纸基分离膜.pdf

摘要 两亲聚合物接枝改性纸基分离膜 摘要 在生物大分子分离领域，基于疏水作用的膜色谱技术越来越被人们所 重视。膜色谱除了拥有柱色谱物质交换效率高的优点外，还拥有柱色谱所 不具备的运行压差小、通量高、易于规模化等优势。 本研究的目的是制备一种两亲聚合物接枝改性的纸基蛋白分离膜。 在滤纸表面接枝时，使用异丙基丙烯酰胺( n i p a m ) 、n i p a m - 丙烯酸酯共 聚大分子单体获得支化接枝链，从而获得p n i p a m 均聚物主链( l c s t = 31 ) 和n i p a m 丙烯酸酯共聚大分子单体支链( l c s t 低于3 l ) ，利用两 亲聚合物链段的亲水一疏水性随温度转变，及其与蛋白的疏水相互作用强 度随温度的变化，来控制吸附和解吸，实现蛋白质的分离提纯。 研究工作包括： l 、大分子单体的合成。制备不同丙烯酸丁酯( b a ) 含量的 p ( n i p a m b a ) 大分子单体，用1 h n m r 、紫外光谱等对其结构进行了表 征，用端基分析法测定了分子量。 2 、考察p ( n i p a m b a ) 大分子单体水溶液特性，以便更好的研究改 性膜接枝链疏水特性。用浊度法和光散射法测定了不同b a 含量的 p ( n i p a m b a ) 大分子单体水溶液的温敏相转变行为。此类共聚大分子单 体温敏性的研究，为制备具有较低操作温度的纸基蛋白色谱分离膜提供 理论指导。 3 、以滤纸作为基质膜，通过紫外光引发接枝聚合将n i p a m 、所制 得的p ( n i p a m b a ) 大分子单体接枝到滤纸纤维上，制备以p n i p a m 均聚 l 北京化r t 人学硕：t 学位论文 物为主链和p ( n i p a m b a ) 共聚物为支链的接枝改性纸基色谱膜。用电 镜对所得分离膜的表面形态进行了表征，考察了分离膜在不同温度下对 牛血清白蛋白( b s a ) 的吸脱附行为，并与p ( n i p a m b a ) 均聚物改性的 分离膜进行比较，证实支化接枝改性纸基分离膜吸脱附能力有所提高。 关键词：色谱膜，两亲聚合物，温敏性大分子单体，聚n 异丙基丙烯酰 胺，丙烯酸丁酯，紫外光引发接枝聚合，蛋白吸脱附，滤纸 a b s t r a c t a m p h i p h i l i cp o l y m e rg r a f t e dp a p e r b a s e d m e m b r a ne a b s t r a ct i nt h ef i e l do fs e p a r a t i o nt e c h n i q u e so fb i o l o g i c a lm a c r o m o l e c u l e s ， m e m b r a n ec h r o m a t o g r a p h yb a s e do nh y d r o p h o b i ci n t e r a c t i o nh a sa t t r a c t e d m u c ha t t e n t i o nd u et om o r ea d v a n t a g e so ft h i st e c h n i q u et h a nc o l u m n c h r o m a t o g r a p h y , s u c ha sh i g hf l u x ，l o wp r e s s u r ed r o p ，l e s sr e c o v e r yl i q u i d v o l u m e ( n e e d e df o re ! u t i o n ) a n ds oo n t h e r e f o r e ，t h e a i mo ft h e p r e s e n ts t u d y i st o d e v e l o pg r a f t e d c e l l u l o s e - b a s e dm e m b r a n e n a m e l y , n i p a m ，n i p a m a c r y l a t em a c r o m o n o m e r a r eu s e di nt h eg r a f tp o l y m e r i z a t i o n ，i no r d e rt og a i nm a i nc h a i nw h i c hi s p n i p a mh o m o p o l y m e r ( l c s t = 31 ) a n db r a n c h e d - c h a i nw h i c hi s n i p a m a c r y l i ce s t e rc o p o l y m e r ( l c s t 31 ) p r o t e i nl o a d i n g ( a d s o r p t i o n ) a n dr e l e a s i n g ( d e s o r p t i o n ) i sc o n t r o l l e db yt h et e m p e r a t u r eo ft h em o b i l ep h a s e b a s e do nt h e r m o s e n s i t i v ec h a r a c t e r i s t i c so fa m p h o t e r i cp o l y m e rc h a i n s g r a p e s l i k es t r u c t u r ei sf o r m e da f t e rh e a t i n g ，s i n c el c s t o fb r a n c h e d - c h a i no f t h ep o l y m e ri sl o w e rt h a n t h em a i nc h a i n ，t h u sp r o t e i na d s o r p t i o ni si n c r e a s e d 1 ak i n do ft h e r m o s e n s i t i v em a c r o m o n o m e r , s t y r e n e t e r m i n a t e dp o l y ( n i s o p r o p y l a c r y l a m i d e b u t y la c r y l a t e ) ( p ( n i p a m b a ) ) h a sb e e ns y n t h e s i z e d i i l 北京化工大学硕： ：学位论文 i nt h i sw o r k ，w h i c hc o m p r i s eo fn i p a ma n dv a r i e da m o u n t so fc o m o n o m e r ( b a ) t h es t r u c t u r eo ft h eo b t a i n e dm a c r o m o n o m e rw a sc h a r a c t e r z e db y 1 h n m ra n du v s p e c t r a p o t e n t i o m e t r i ct i t r a t i o nw a se m p l o y e dt od e t e r m i n e t h em o l e c u l a rw e i g h to fc a r b o x y l - t e r m i n a t e dp ( n i p a m - - b a ) o l i g o m e ra n d e s t e r i f i c a t i o nd e g r e eo fs t y r e n e t e r m i n a t e dp ( n i p a m - b a ) 2 i no r d e rt of i n do u tt h eh y d r o p h o b i cb e h a v i o ro ft h i sk i n do f m a c r o m o n o m e r ，t h e t h e r m o s e n s i t i v ec h a r a c t e r i s t i c sa n dm i c e l l i z a t i o n b e h a v i o r sh a sb e e nc h a r a c t e r i z e db ya n dd l s i na d d i t i o n ，t h ei n f l u e n c eo ft h e c o n t e n to fc o m o n o m e ra n dt h ev a r i e t yo ft e r m i n a t e dg r o u p so nl c s ta n d c r i t i c a lm i c e l l ec o n c e n t r a t i o n ( c m c ) h a sa l s ob e e nd i s c u s s e di nt h i sw o r k 3 t h em o r p h o l o g yo ft h ep o l y m e rg r a f t e dp a p e r sw a si n v e s t i g a t e db y s e m t h e p o r o u s s t r u c t u r eo ft h ef i l t e r p a p e r r e m a i n e d p r o t e i n a d s o r p t i o n d e s o r p t i o np e r f o r m a n c e o ft h e p a p e r - b a s e dm e m b r a n e sw a s i n v e s t i g a t e du s i n gb s a a td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s t h ea d s o r p t i o n d e s o r p t i o n c a p a c i t yo ft h em e m b r a n ea b o v e i s g r e a t l yi m p r o v e dc o m p a r i e dw i t hp ( n i p a m b a ) h o m o p o l y m e rg r a f t e dm e m b r a n e s k e yw o r d s ：c h r o m a t o g r a p h i c m e m b r a n e ，a m p h i p h i l i cp o l y m e r ， t h e r m o s e n s i t i v em a c r o m o n o m e r ，n i s o p r o p y l a c r y l a m i d e ，b u t y la c r y l a t e ， u v i n d u c e dg r a f t i n gp o l y m e r i z a t i o n ，p r o t e i na p s o r b t i o n d e s o r p t i o n ，f i l t e r p a p e r i v 北京化工大学硕士学位论文 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 聱墨：丛 日期：生1 2 ：丛：纽 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论 文的规定，i l p 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位 属北京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段 保存、汇编学位论文。 ，一 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在一年解密后适用本 授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权 书。 日期：壶1 2 ：竺6 1 ：垒 日期：趔丝；：砂 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 生命科学、生物技术和制药工业的迅速发展，对于多肽、蛋白质、酶等活性 生物大分子的分离与纯化要求日益提高。在科研及生产过程中，涉及众多蛋白质、 多肽和核酸等生物大分子的分析、分离、纯化工作，迫切需要高效、快速的分析、 分离和制备方法，特别是用于临床的生化药品，不仅要达到很高的纯度，而且还 要在分离过程中最大限度地保持其生物活性。这类分子通常来自天然产物或发酵 液中，其初始浓度一般较低，而且对温度、p h 值、剪切力、有机溶剂等非常敏感， 易于失活或降解。而沉淀、结晶、萃取、盐析、离子交换层析、凝胶过滤等根据 生物大分子理化性质而进行的分离方法和手段，都存在着工艺繁琐、活性回收率 低、提纯效果不理想等缺点【l 】。膜分离技术的出现和高速发展，对生物大分子的分 离提纯是个极大的推动。 1 2 膜分离技术 膜分离技术由于其工艺过程具有成本低、能耗少、效率高、无污染并可回收 有用物质等优点，已经广泛应用于化工、环保、食品、医药、电子、电力、冶金、 轻纺、海水淡化等领域，具有非常广阔的发展前景【z j 。膜分离过程一般在常温下进 行，因而尤其适合于热敏性物质和生物制品( 如果汁、蛋白质、酶、药品等) 的 分离、分级、浓缩和富集。自从5 0 年代末，r e i d 3 】等人首先制成了人工合成纤维 素膜用于医用超纯水的制取，并利用人工合成膜发展出了反渗透技术( r o ) 用于海 水脱盐，膜分离技术便开始蓬勃发展起来。但传统膜分离技术只能分离相对分子 质量相差1 0 倍以上的物系，难以满足生化分离的需要【4 j 。 1 3 色谱分离技术 在膜分离技术发展的同时，色谱法作为一种主要的分离手段，具有较高的分 辨能力。色谱法利用不同物质在不同相态的选择性分配，以流动相对固定相 中的混合物进行洗脱，混合物中不同的物质会以不同的速度沿固定相移动， 北京化工大学硕上学位论文 最终达到分离的效果。根据物质的分离机制，可分为凝胶过滤色谱法、离子交换 色谱法、亲和色谱法和疏水相互作用色谱法等。这种分离技术并非依赖于被分离 物分子大小的差异，而是基于不同分子和模材料之间物理作用力的差异。 1 3 1 离子交换色谱( i o ne x c h a n g ec h r o m a t o g r a p h y ，i e c ) 离子交换色谱利用被分离组分与固定相之间发生离子交换的能力差异来 实现分离，以无机、特别是无机阴离子混合物为主要分析对象。离子交换膜色 谱由于操作条件较温和，可以有效地保持蛋白质的活性，并可以延长膜的使用寿 命，在氨基酸、蛋白质、核酸、有机酸、糖类及药物等方面的应用越来越广泛【5 1 。 其缺点是选择性稍差。 1 3 2 凝胶色谱 凝胶色谱( g e lc h r o m a t o g r a p h y ) 的原理类似于分子筛，待分离组分在进入凝 胶色谱后，会依据分子量的不同，进入或者不进入固定相凝胶的孔隙中，不 能进入凝胶孔隙的分子会很快随流动相洗脱，而能够进入凝胶孔隙的分子则 需要更长时间的冲洗才能够流出固定相，从而实现了根据分子量差异对各组 分的分离。调整固定相使用的凝胶的交联度可以调整凝胶孔隙的大小；改变 流动相的溶剂组成会改变固定相凝胶的溶涨状态，进而改变孔隙的大小，获 得不同的分离效果。凝胶色谱按流动相类型可分为两类：当流动相为水溶液时， 为凝胶过滤色谱( g e lf i l t r a t i o nc h r o m a t o g r a p h y ) 当流动相为有机溶剂时，为凝胶 渗透色谱( g e lp e n e t r a t i o nc h r o m a t o g r a p h y ) l o j 。 1 3 3 亲和色谱 亲和色谱( a f f i n i t yc h r o m a t o g r a p h y ，a c ) 作为生物大分子纯化分离的一种有 效方法已得到了迅速的发展，成为色谱领域的一个重要分支网。它是根据欲分离物 质和键合在膜上的亲和配位基之间的生物特异性相互作用而得到分离的。亲和色 谱具有很高的特异性和良好的选择性。 1 3 4 疏水相互作用色谱 疏水相互作用色谱法( h y d r o p h o b i ci n t e r a c t i o nc h r o m a t o g r a p h y ，h i c ) 是利用用 盐水体系中蛋白质表面疏水性区域与固定相上疏水性配基相互作用力的差异，分 离不同蛋白质组份。与离子交换色谱法、亲和色谱法相比，疏水相互作用色谱法 2 第一章绪论 中，蛋白质由于与固定相的相互作用力较弱，其活性在色谱分离过程中不易丧失【8 1 。 1 9 7 2 年【9 1 首次成功地利用疏水相互作用色谱法分离纯化糖原磷酸化酶。 由于具有色谱条件温和、不易使蛋白质变性失活等优点，疏水色谱已成为蛋 白质分离纯化的常用技术之一。 1 4 膜色谱分离技术 膜色谱技术是液相色谱和膜分离相结合的一种新技术，即选择和制备合适的 膜，并对膜表面进行化学改性，将对生物大分子有特异性和选择性的基团连接到 膜的表面及孔壁中去，当要分离的物质在低压下缓慢地通过膜时，会与膜上已固 载化的配基产生相互作用，并保留在膜上。然后，再通过改变洗脱液的组成成分， 使被保留的物质从膜上洗脱下来，从而达到与其它物质相分离的目的。 与普通的膜技术相比，膜色谱分离时，不单是利用膜孑l 径的大小，更主要的 是利用其特异性和选择性，因此不受相对分子质量大小的限制。原则上讲，只要 选择合适的膜，采用一定的活化手段，键合接枝上能与这种物质产生亲和相互作 用的配位基，它就可以从混合体系，尤其是细胞培养液和发酵液中分离和提取出 任何一种目标物l i 。 获得能对酶、蛋白质等生物大分子，有效的进行固载化的基质材料，是制备 色谱分离膜的首要问题。膜基质上应存在氨基、羧基、羟基等可与配基进行共价 键结合的活性官能团。但是，带有这些活性官能团的单体较难合成，聚合手段也 比较复杂，另外在成型加工过程中官能团易失活或脱落，往往达不到预期的效果。 而一些通用的商品膜性能稳定、易得。因此，可通过简单的化学修饰( 如表面接 枝) 或涂层引入活性基团，再偶联所需的配基，就可以得到对目标生物大分子具 有吸附效果的色谱膜。 对于疏水色谱膜，由于疏水相互作用是一吸热过程，增加温度可以提高蛋白 质与配基间疏水相互作用力，有利于蛋白质的吸附，但同时温度上升易使蛋白质 变性失活。烷基、苯基是目前常用的疏水色谱填料配基。但有时由于结合力过强， 使蛋白质难以被洗脱下来，需用一些高离液序列盐类( c h a o t r o p i cs a l t ) 或有机溶剂作 洗脱液，但此时蛋白质极易丧失生物活性。所以选择与样品相匹配的配基很重要。 1 5 分离膜的改性 随着膜技术的发展，人们对膜材料的性z f j 匕l - , 不断提出新的要求，而目前使用的 北京化t 人学硕l ：学位论文 绝大多数聚合物膜为憎水性的，过滤阻力大，渗透流率低。另外，料液中的某些 组分在膜表面和膜孔中沉积使膜被污染【1 1 1 。因此，改善膜的亲水性，提高膜的抗 污染能力已成为有待解决的迫切问题。【l2 】由于单一的膜材料很难同时具有良好的 亲水性、成膜性、热稳定性、化学稳定性、耐酸碱性、耐微生物性侵蚀、耐氧化 性和较好的机械强度等优点，因此需要对膜材料改性或对膜表面改性来提高膜的 性能，赋予传统分离膜更多功能。对膜材料的改性的方法有物理改性，化学改性 和表面生物改性。 1 5 1 物理改性 这类方法是通过材料共混改性和表面涂覆或表面吸附来实现。物理共混属于 本体改性，这是一种在现有的膜材料基础上取长补短改善膜性能的简便方法，但 存在改性后的膜材料性能不均一、不稳定等缺点；表面涂覆改性膜亲水性的方法 是将微孔膜浸入亲水性小分子溶液中进行浸涂或浸泡，或者用亲水性高分子对膜 表面进行涂层，改性后的膜具有非常优异的抗污染性能。美中不足的是这种改性 方式添加或涂覆的接技或嵌段共聚物易从高分子表面脱离，不能得到永久的改性 效果。 1 5 2 化学改性 与物理改性相比，化学改性使得功能基团以化学键与膜表面键合，从而不会 在物质透过膜时被稀释，不会引起功能基团的流失，这样就避免了物理方法所带 来的缺陷，另外，接枝反应发生在表面，不会影响膜的内部结构，这样不仅赋予 膜新的性质，也不会降低膜原有的力学性能。杨牛珍等人【1 3 】研究了聚丙烯腈( p a n ) 平板超滤膜的低温氧等离子体表面改性。研究表明，改性后的p a n 超滤膜透水率 降低，截留率上升。低温等离子体条件( 放电功率、反应腔压力、改性处理时间) 对 改性结果的影响研究结果表明，改变低温等离子体条件，可以控制改性程度。 日本的k a k i u c h i t l 4 1 4 , 组对多肽链进行改性，制得了智能型多肽膜。他们先将副 玫瑰红基团和副玫瑰红无色花青素基团以共价键连接在聚谷氨酸的侧链上，然后 成膜。另外，他们还将亮氨酸和谷氨酸酯的共聚物成膜后，进行氨解，从而得到 两亲性多肽膜。接枝改性可通过化学接枝、光引发接枝、等离子体处理等方法来 实现【l5 1 。 4 第一章绪论 1 6 紫外光接枝聚合 1 6 1 紫外光引发接枝改性机理 光引发聚合是一种单体在光的激发下形成自由基发生的聚合反应。光引发聚 合具有许多特点：自由基能在极短时间内及时生灭，光强度容易测量和控制，产 物纯净；反应总的活化能低，故可在较低的温度下聚合。2 0 世纪5 0 年代美国o s t e r t l 6 j 等提出材料表面光接枝改性原理及方法以后，光引发聚合越来越被人们所重视。 在材料表面改性、聚合物接枝聚合、印刷版和集成电路板制作等方面已有广泛的 应用。紫外光辐射是利用光引发剂吸收紫外光后与聚合物材料发生氢消除反应产 生表面自由基，然后该表面自由基引发单体接枝聚合。与高能辐射相比，紫外光 对材料的穿透力差，故接枝聚合可严格地限定在材料的表面或亚表面进行，既能 获得不同于本体性能的表面特征又可保持其本体性能。 根据光引发的机理，紫外光引发的光聚合可分为直接光引发聚合和光敏聚合两 种【1 7 】。直接光引发聚合，即非光敏聚合，是单体吸收一定波长的光量子后，先形 成激发态，然后分解成自由基，引发聚合。加入光敏引发剂引发可以克服光引发 中聚合速率低的不足。常用的光敏引发剂有安息香类，二苯甲酮等。机理是光敏 引发剂经光激发后，成为自由基引发单体聚合。但不同体系，引发机理会有所不 同。 ( 1 ) 自由基链转移法【l 8 j 当添加安息香类光敏剂时，在u v 照射下会发生n o r r i s hi 型反应，产生两个自 由基。当单体浓度很低时，两个自由基均会转移至聚合物表面，产生表面自由基， 引发接枝聚合反应： 岔邑一乒 口 一8 r + 1 ”叶吖+ 髓 h 削时 + 月m - 卜砷t 坩 i g p ) l 反应式1 1 安息香类光敏剂引发光接枝聚合 s c h e m e l - - 1u v i n d u c e dg r a f t i n gp o l y m e r i z a t i o nu s i n gb e n z o ea sp h o t o s e n c i t i z e r 瞄l _ 壹 北京化- t 大学顾一 ：学位论义 ( 2 ) 聚合物受辐照分解法 对于一些含羰基等光敏基团，尤其是侧链上含有光敏基的聚合物，在紫外光 照射下，会发生n o r r i s hi 型反应，产生表面自由基，引发乙烯类单体聚合，生成接 枝聚合物，羰基和烷基自由基则可引发产生均聚物。由于较少有适合于此方法的 聚合物，因而此方法不常用。 ( 3 ) 光生过氧基热裂解法 该方法属于间接光引发自由基聚合反应，即，在紫外光照射下，聚合物表面 生成过氧基团，然后过氧基团热裂解引发自由基聚合反应由于紫外的能量相对高 能辐射低，反应所需的时间较长。另外，不适用于对紫外光敏感的材料。反应过 程中常加入光敏剂以促进生成过氧基团。 ( 4 ) 氢消除反应法 芳香酮类光敏剂( 二苯甲酮) 主要发生n o r r i s hi i 型反应，它在吸收紫外光后被 激发到单线态s ，然后又迅速复原到三线态t ，当有供氢体存在时，其中的羰基夺 取氢而被还原成羟基，生成半频哪醇自由基，供氢体成为烷基自由基。当供氢体 为聚合物时，则生成表面自由基，引发发表面接枝聚合。 而当半频哪醇自由基与表面自由基偶合终止时，产生表面活性基团，再在光 ( 热) 条件下活化，可引发表面接枝聚合，反应式如下： t + 岔墨 吖+ 诊 电 o伽 p 的砑一爿专伽 爿告一卜 该反应的特点是：( 1 ) 光还原反应定量进行，即一个b p 分子夺取一个氢原子， 6 第一章绪论 从而产生一个表面自由基，易于控制；( 2 ) 因表面自由基比半频哪醇自由基活性高 出很多，故接枝效率高；( 3 ) 供氢体可以是所有有机材料，几乎所有高分子材料表 面均可进行接枝聚合反应。 紫外光引发聚合用于接枝改性有两种模式：一是生成带有光活性基团的高分 子链后与聚合物表面接触，通过紫外光照射接枝到聚合物表面；另一种是在紫外 光照射的条件下在聚合物表面生成聚合活性中心，然后通过单体聚合在表面生成 接枝链。 1 6 2 紫外光接枝工艺 目前表面光接枝的实施方法有3 种【l9 】：气相法、液相法和本体光接枝。 气相法是将聚合物膜置于光敏剂和单体气体弥散的体系中，用紫外光辐射聚合， 也可将光敏剂预涂在聚合物的表面或通过其他方法对聚合物表面进行预处理( 如 电晕、臭氧氧化等) 。该反应体系有两个优点1 2 0 1 ，一是单体、光敏剂以蒸汽状态存 在，自屏蔽效应小；二是样品表面单休浓度极低，接枝效率高，形成的均聚物少。 但是反应速度慢，时间长。 液相法就是把单体、光敏剂和其他助剂配成溶液，直接将聚合物置于溶液中 进行光接枝的方法。液相法生成的接枝链主要集中在聚合物表面，接枝深度浅， 很好的保存了聚合物的本体性能。此法易生成均聚物，难以实现连续化作业。 r a n b y 2 l 】针对条状薄膜和纤维发明的连续光接枝也可归入此种方法，单体在聚合物 表面形成薄薄的液层，解决了溶液聚合中的“自屏蔽效应”大的问题，实现了连续化。 l m e 9 2 2 】等人发明了连续光接枝法，即先将膜或纤维经过含有单体和光敏剂的溶 液，再在含有光敏剂和单体蒸汽的惰性气氛中进行紫外光辐照，它具有反应速度 快，接枝效率高的特点，可望实现工业化。本体光接枝是y 8 n g 和r a n b ，2 3 - 2 5 ：j ：1 9 9 6 年发明的。他们将含有单体和光敏剂的溶液置于两层聚合物膜之间，形成三明治 结构。这种工艺不用排除空气也不用添加抗氧化剂。研究表明，本体接枝的接枝 效率高，憎水性聚合物接枝2 s 可形成亲水性表面，3 0 s 形成5 微米厚的接枝层。“本 体光接枝”过程可分为诱导期、表面引发期、链增长期和链交联期。w a n g r 【2 6 】等人 将l d p e 膜预先用臭氧处理，然后在不加光敏剂的条件下进行本体接枝，也能生成 共聚物。 1 6 3 紫外光接枝的影响因素 ( 1 ) 单体及引发剂 为了达到较好的接枝率，单体和引发剂要有合适的配料比，引发剂一般为 7 北京化t 大学硕：卜学位论文 2 5 。单体浓度对接枝率有较明显的影响，为了达到最大接枝率，单体浓度要 有个最佳值【2 7 1 。另外，不同物质的紫外光吸收峰有所不同，也会影响到聚合。 ( 2 ) 溶剂 溶剂必须不与光敏剂反应，能润湿聚合物，如果在溶液中接枝，则溶剂也应 是接枝链的良好溶剂。溶剂与高聚物相互作用的强弱也影响接枝层的深度。丙酮 是一种很好的溶剂。丙酮不仅是光敏剂二苯甲酮的溶剂，而且能吸收波长小于 3 2 0 n t o 的紫外光，形成自由基引发接枝和均聚反应。另外，溶剂中加入水也有利 于提高接枝率【2 8 】。 ( 3 ) 光照时间 光照时间的长短对接枝率有很大的影响，不同聚合目的所要求的光照时间也 不同。孙义明等人【2 9 】的研究中光照时间为7 m i n ，孟祥飞等人【3 0 】的研究中只用了 1 2 0 s 。 1 7 接枝共聚物的合成方法 合成接枝共聚物常用三种方法：( 1 ) 大单体( m a e r o m o n o m e r ) 法，( 2 ) 偶合接枝 ( g r a f t i n go n t o ) 法，( 3 ) 引发接枝( g r a f t i n gf r o m ) 法。 1 7 1 大分子单体法 大分子单体是一种在分子链末端带有可聚合官能团的中间体，其聚合的性能 和相应的低分子量单体基本相同。此类单体特别适用于合成各种结构的接枝共聚 物及某些功能高分子材料。接枝共聚物组成可以通过调节大分子单体和小分子单 体的配比进行控制，有利于进行高分子的分子设计。r e m p p 3 1 - 3 6 j 等人合成了许多 接枝共聚物，他们主要研究- j p e o 大单体的合成及其共聚反应。根据制备大分子单 体所用单体的类型，可以选用自由基、阴离子、阳离子和缩聚合等方法【3 3 】，并接 上可聚合官能基团。可聚合基团的引入方式有两种，一种是聚合时引发剂本身即 含有可聚合的官能基团，但此基团在大分子单体的制备阶段不参与聚合，聚合产 物为大分子单体。另一种是在聚合末期用含有可聚合官能团的封端剂封端，如甲 基丙烯酰氯( m a c ) 、乙烯基苄基氯( v b c ) ，生成大分子单体。大分子单体和小分子 单体共聚，可以形成以大分子单体为接枝链，小分子单体链节为主链的接枝共聚 物。其共聚机理取决于大分子单体的端基类型和小分子单体的类型，按自由基共 聚合、离子共聚合、配位共聚合、基团转移共聚合或逐步共聚合机理进行。 第一章绪论 1 7 2 偶合接枝法 偶合接枝法主要是通过聚合物末端反应基团与另一聚合物链中的“反应场所” 反应。通过偶合接枝，将现成的高分子接枝到材料表面上。要求材料表面及要偶 合接枝上去的高分子两者都有发生偶合的官能团，如氨基或羟基。否则要设法引 入活性官能团。例如mt o m o ie 3 7 】等人利用酯交换反应合成t p m m a g - p e o 接枝共 聚物，反应过程如下所示： h 3 c 珏3 - 0 一恤九l i d h - ( c h l + c h3 - 0 一姗兀h 门) 一 。弋 0 c a - is p 3 一c h 门一勰2 弋h d ) 广蜘1 卫 0 气 l o c 龌s 反应式l - 3 酯交换反应合成p m m a - g - p e o s c h e m e l - 3s y n t h e s i so fp m m a - g p e o p 髑2 t ) 尸 0 一( c h c h 】o ) - c h 3 又如，c a n d a u t 3 8 1 等合成了p s g p e o 接枝共聚物，p i i r i l l 例等合成了( 甲基苯乙 烯环氧乙烷) 接枝共聚物。 1 7 3 引发接枝法 引发接枝法是在聚合物主链上形成的聚合反应活性中心引发另一单体聚合从 而生成接枝共聚物。k i m u r a 和i n a k i l 删等利用引发接枝法合成了许多接枝共聚物， 如乙烯醇丙烯酰胺接枝共聚物。 比起大分子单体技术，偶合接枝和引发接枝适用体系有限，且接枝效率低， 接枝链长短不一，接枝点及接枝共聚物组成难以控制。 1 8 两亲聚合物 膜材料( 包括天然膜材料和合成膜材料) 是构成基膜的材料，分离膜的性能不 但与基膜材料有关，还与膜的表面特性密切相关。采用表面接枝技术可以对基膜 进行修饰，改善膜的分离性能，或得到新的分离膜。表面接枝聚合物的选择是分 9 北京化工大学硕上学位论文 离膜改性的关键。 两亲聚合物是既亲水又亲油的聚合物，对水相与油相皆有亲和力，可以用于 分离膜表面改性。 1 8 1 两亲聚合物的分类 根据两亲聚合物的来源，两亲聚合物可分为天然两亲聚合物、改性两亲聚合 物和合成两亲聚合物三大类。 ( 1 ) 天然两亲聚合物 天然两亲聚合物包括各种淀粉、树胶、微生物发酵多糖等等。 ( 2 ) 改性两亲聚合物 一直以来，大家都把开发合成兼具高表面活性和高分子量的两亲聚合物作为 研究目标，对现有的天然两亲聚合物进行化学改性以获得新型的两亲聚合物就是 方法之一。 ( 3 ) 合成两亲聚合物 两亲聚合物的合成方法一般可分为三类：使用两亲单体均聚；由亲油亲水单 体共聚；在水溶性较好的大分子物质上引入两亲单体。在合成两亲性高聚物的研 究中，一般根据需要选择不同性质的单体、起始剂和改性反应条件能合成不同分 子量、不同活性基团、不同高分子结构的聚合物。h o u r d e t 等1 4 1 - 4 5 1 设计并合成了侧 链具有低临界相溶温度l c s t 的温敏两亲性接枝聚合物，这类聚合物在水溶液中表 现出热缔合行为，在高于l c s t 时，侧链聚合物呈疏水性) 接枝聚合物成为两亲性聚 合物。与温敏无规共聚物不同，其温度敏感特性主要取决于侧链结构及介质条件。 1 8 2 两亲聚合物的溶液性质 两亲聚合物从结构上看可分为无规型、嵌段型、接枝型和网络型四类。由于 分子中存在性能完全不同的链段( 亲水和疏水) ，溶液中大分子与溶剂中分子的作用 更为复杂，分子结构特点、双亲性链段长度比、组分组成以及溶剂的性质均对它 的溶液形态有较大的影响。对两亲聚合物溶液性质的研究多集中在表界面活性、 胶束形态等方面。最近几年，人们对两亲聚合物胶束的形成及性质愈来愈重视， 当今研究的热点是胶束形成的动力学与热力学研究，同时也注重研究两亲聚合物 在水溶液中的性质。曹亚【4 s 】等对化学合成和超声波辐照分别合成的丙烯酰胺类 和纤维素类水溶性高分子表面活性剂进行研究，表明不同两亲聚合物在水溶液状 态中的胶束形态不同，由于疏水性不同表现出球形、椭球形、棒状等不同形态， 并证明稀溶液中单分子胶束的存在。z h a n g 4 9 】等合成了接枝聚( n - 异丙基丙烯酰胺) 1 0 第一章绪论 ( p n i p a a m ) 的聚磷氰( p p p - g - p n i p a a m ) 两亲性共聚物，该共聚物在水中能形 成以p p p 为核、p n i p a a m 为壳的胶束，胶束壳在加热和冷却时分别发生收缩和 溶胀【4 9 1 。含p n i p a m 的两亲共聚物受到了人们的广泛关注。 1 8 。3n 异丙基丙烯酰胺( n i p a m ) 类聚合物的特性 n 异丙基丙烯酰胺单体及其聚合物结构式如图所示： 明t 。 l n h l c h r c h c h ， - c h 广辛h 七 c 墨0 i l i l 卅 图1 1n 口a m 及p n 口a m 结构式 f i g 1 - 1s t r u c t i l r eo f n i p a ma n dp n i p a m 作为一种重要的两亲聚合物，聚n 一异丙基丙烯酰胺( p n i p a m ) 线型聚合物在水 溶液中具有独特的热行为1 5 0 】。由于其大分子侧链上同时具有亲水性的酰胺基 ( c o n h ) 和疏水性的异丙基 c h ( c h 3 ) 2 ，使线型的p n i p a m 溶液呈现出明显的温度 敏感性。具体表现在：常温下线型p n i p a m 溶于水形成均匀透明的溶液，当温度上 升至3 l 左右时，溶液发生相分离，呈浑浊状态，此相转变温度称为低临界溶解 温度( 1 0 w e rc r i t i c a ls o l u t i o nt e m p e r a t u r e ，简称l c s t ) 5 h 。在水溶液中，聚n 一异丙基 丙烯酰胺分子中存在两种作用力：羰基和亚胺基与周围水分子的氢键作用力 ( 亲水作用力) ；聚n 一异丙基丙烯酰胺分子中的异丙基问的疏水缔合作用( 疏水 作用力) 。低温时氢键起主要作用，表现为聚n 一异丙基丙烯酰胺溶于水；温度升高 时，氢键被破坏，疏水力逐渐起主要作用，当达至i l c s t 以上时，聚合物分子链 与水发生相分离，导致聚合物的析出。当在聚n 一异丙基丙烯酰胺分子链中引入其 它单体结构单元时，亲水作用力与疏水作用力的相对大小会发生变化，l c s t 也会 发生变化 5 2 - 5 5 】。对p n i p a m 的研究始于1 9 5 6 年。s c a r p a 等人于1 9 6 7 【5 2 】年首次观察到 了线型的p n i p a m 水溶液具有低相转变温度的温敏现象，此后对p n i p a m 的研究从 理论上、特别是应用方面引起了人们的极大兴趣，上世纪9 0 年代以来，这方面的 研究越来越多。由于突变温度在人体生理温度( 3 7 ) 附近，略高于环境温度， 因而易于控制，近1 0 年来得研究已显示出此类材料具有广阔的应用前景，特别是 北京化工大学硕： ：学位论文 在物质的浓缩与分离方面具有很高的工业应用价值。 丙烯酸酯很容易在光和热及引发剂的作用下与其他单体共聚，来改变聚合物 的性能。共聚物中随着丙烯酸酯组分的增加，其l c s t 值都逐渐下降。共聚物l c s t 的下降是由于在p n i p a m 大分子链上引入了不同疏水链节的结果。随着这些疏水性 单体配比量的增加，共聚物中疏水基团的含量相应增加。大分子内及分子间疏水 基团相互作用加强，大分子与水分子间形成的氢键数目减少，从而在较低温度下 水分子就能从溶剂化水层被排出，出现相变，使共聚物的l c s t 下降【5 3 1 。 1 8 4n 一异丙基丙烯酰胺类聚合物的应用 通过将n 与其它单体共聚物或将p n i p a m 接枝到其它基材上，可以改变相 转变温度和机械力学性能，制备具有温敏性的智能化材料，拓展了p n i p ：a m 的应用。 根据不同的用途，p n 口a m 有多种形式，包括线型、凝胶、基材接枝聚合物三大类。 近年来，对p n i p ! a m 应用研究主要集中在流变学、絮凝剂、金属离子的浓集， 生物材料等几个方面。其中p n i p ：a m 作为生物材料应用显示出广阔前景。 d i n d 5 5 】等制备了热敏性磁性f e 3 0 4 p ( s t - n i p a m ) 微球，并用于人血清白蛋白 ( h s a ) 的吸附解吸研究。当t l c s t ，微球可以吸附大量的h s a 蛋白质；而当t l c s t 时，通过磁分离作用，将 吸附的h a s 蛋白质解吸。通过如此反复操作，可以使h s a 蛋白质分子分离、纯化。 f l a u d ) ，【5 6 l 等通过链转移聚合制得p n i p a m ，与亚氨基生物素偶合，制得亲合性较高 的配体。这种亲合配体可以在含有大量溶菌酶的溶液中，分离纯化抗生物素蛋白， 且产率可在9 0 以上。回收的抗生物素蛋白可以保持高的生物活性。f o n 毋，7 】等利 用p n i p a m 与免疫球蛋白f ，片段偶合的共轭聚合物，对鸡蛋白溶菌酶( h e l ) 做了亲 合分离研究。 纤维素膜上有大量的羟基，具有良好的亲水性，生物相容性以及生物降解性， 且易于衍生化，被广泛应用于生物医学材料领域。近年来，基于纤维素衍生物的 环境敏感性共聚物受到了极大关注1 5 8 】通过铈引发将异丙基丙烯酰胺接枝到纤维素 上得到了具有温敏性的接枝共聚物；s t m k o s 等唧】将异丙基丙烯酰胺接枝到羧甲基 纤维素上得到了具有很强的热增稠性质的接枝共聚物。 1 8 5n 一异丙基丙烯酰胺类聚合物表面膜接枝率的控制 王晓琳6 1 】的实验表明，利用等离子体技术不仅可以在微滤膜的表面，而且能 在微滤膜的膜孔中接枝上p n i p a a m 聚合物。利用显微红外等技术，发现膜剖面 上的( 膜孑l 中) 接枝物主要分布在距膜的外表面向内约2 0 0 l m a 的区域内。这样，膜 1 2 第一章绪论 孔中p n i p a m 分子链的伸展与卷曲对膜孔起到了开关或控制膜孔孔径的作用，可 以根据溶质的分子尺寸大小进行分离；同时利用膜孔中p n i p a m 分子链亲水性疏 水性的变化，对分子尺寸相当但亲水性有差别的溶质进行吸附脱附分离。 1 w a t a 6 2 】用等离子体技术将p n i p a m 接枝在聚偏氟乙烯( p v d f ) 微滤膜的表面。 1 w a t a 认为p n i p a m 接枝聚合物主要分布在p v d f 膜的表面。接枝率不同将导致接 枝膜的通透机理发生变化。接枝率较高时属扩散渗透机理：t l c s t 时，p n i p a m 接枝层脱水并且变得致密化，溶质不易以扩散的方式透过。接枝率较低时属压力 渗透机理：t l c s t 时，p n i p a m 分子链卷曲，膜孔暴露，膜的通透 性对压力变化变得非常敏感。 o k a h a t a t 6 3 】报道了在n a c i 、萘磺酸水溶液中p n i p a m 接枝尼龙微滤膜的变温透 过性能，结果与上述高接枝率情况相符。 1 9 膜与蛋白吸附 蛋白质吸附的程度取决于蛋白质分子与膜表面作用强弱。导致蛋白质从水溶 液中吸附到固体表面的作用力一般可分为四类，即：静电作用力( 库仑力) 、氢键 作用力、疏水作用力( 熵效应) 、范德华力。在水溶液中，水是易形成氢键的浓度 最高的物质，因此无论是蛋白质还是膜上的某些基团都会优先与水分子形成氢键， 因而氢键对吸附的影响可以忽略。鉴于不同的高分子材料的范德华力相差并不大， 因此造成蛋白质在不同类型高分子膜上吸附的主要驱动力