[发明专利]一种具有纳米有序孔径的温度敏感分离膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及智能型高分子材料制备技术，具体为一种合成聚苯乙烯(PS)与聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)的嵌段共聚物，通过嵌段共聚物基材料选择性溶胀成孔的方法，制备出高度有序、温度敏感的纳米多孔薄膜。通过旋涂或者浸涂，在商用分离基膜表面制备纳米多孔薄膜，制得具有快速响应速度和精确的分离性能的温度敏感复合膜。属于膜技术领域。

背景技术

环境响应性智能膜是基于仿生材料而发展起来的一类新型功能膜，是膜材料今后发展的方向。所谓智能型分离膜，就是在外界环境刺激如温度、光、电、pH、化学物质等发生改变的情况下，其结构和性能(如孔径大小、亲疏水性等)也随之发生变化的分离膜。智能膜在物质的分离提纯、药物控制释放、水处理、化学传感器和仿生科学等领域均具有潜在的应用前景，被认为将是21世纪膜科学与技术领域的重要发展方向之一。

由于温度的变化在自然界广泛存在，容易人工实现，可方便应用于分离提纯、生物和水处理等领域，因此，在众多类型的智能膜材料中，温度敏感膜在开发新的应用领域方面得到了广泛的研究。

PNIPAAm(聚N-异丙基丙烯酰胺)是温度敏感型高分子材料中的“明星分子”，是科研工作者的研究热点。PNIPAAm分子上既有亲水性的酰胺基团，也有疏水性的异丙基基团，正是这种特殊的分子结构使得其在32℃附近，在水溶液中存在亲水和疏水之间的转变，这个转变温度叫做最低临界溶解温度(LCST)。如果将PNIPAAm以表面改性或者本体改性的方式，与基膜或者基膜材料相结合，所得的膜在不同的温度下操作时，其表面的亲疏水性、膜孔结构及相关性能就会体现温度敏感性。这种温度敏感膜在药物控制释放、生物分离、化学分离、化学传感器、组织工程支架等领域均显示出诱人的应用前景。因此，国内外很多膜领域的专家对温度敏感膜的制备和响应性能及应用探索等方面做了大量的研究。

智能化膜材料和膜技术目前国际上大多处于基础研究阶段，还不能真正实现工业或临床上的应用。最关键的一个原因是温度敏感膜的响应性能(响应速度和响应幅度)还不能达到应用的要求。

温度敏感膜的响应性能与膜的温度响应机理有关。前人研究表明，温度敏感膜的响应机理可以分为两种，一种是所谓的阀门机理，即当环境温度T＜LCST时，PNIPAAm链伸展，膜孔的有效孔径减小，透过率(通量)减小；当T＞LCST时，PNIPAAm链收缩，膜孔的有效孔径增大，透过率(通量)增大。另外一种机理被称为扩散机理，当T＞LCST时，PNIPAAm分子之间变得紧密，将膜孔压实，并且呈现疏水性，水分子不容易通过，扩散速度(通量)比较低。当T＜LCST时，PNIPAAm分子变得疏松，呈现亲水性，水分子很容易扩散通过膜孔，扩散速度(通量)增加。可以看到，温度敏感膜的响应性能跟膜的结构和膜孔表面PNIPAAm的含量有密切的关系。不同的膜孔结构，不同的PNIPAAm含量，可能会具有完全相反的响应机理。因此，要提高温敏膜的响应速度，就应当使膜中能够体现响应功能的部分具有相同的膜孔结构，膜孔表面PNIPAAm含量(包括接枝长度和接枝密度)也应当一致。如果膜孔分布不均，或者膜孔表面PNIPAAm的含量不一致，可能会导致功能层在响应过程中出现相反的响应机理，两种响应过程互相抵消，使温敏膜的响应性能和响应速度下降。

就目前制备温度敏感膜主要方法来说，表面改性法不仅受到基膜膜孔尺寸的影响，而且在膜表面吸附和接枝功能层的过程中，膜表面和膜内部所处的化学物理环境不同，不能保证膜孔表面PNIPAAm的含量完全一致。对于本体改性法来说，PNIPAAm的引入在赋予膜温度响应性的同时，也改变了成膜的过程，加之PNIPAAm在成膜过程中的致孔作用，所得到的膜孔结构更不规则，膜表面孔PNIPAAm和膜内部孔表面的PNIPAAm的含量也不一致。这就导致了该类温度敏感膜的响应性能不明显。因此，设计一种膜孔规则有序、膜孔表面温度敏感分子链的含量完全一致的温度敏感薄膜，将会有效提高温度敏感膜的响应性能。