CN112403289B

CN112403289B - 一种具有梯度孔结构的聚(4-甲基-1-戊烯)中空纤维膜及其制备方法

Info

Publication number: CN112403289B
Application number: CN202011130843.5A
Authority: CN
Inventors: 林亚凯; 汪林; 王晓琳
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2020-10-21
Filing date: 2020-10-21
Publication date: 2021-09-07
Anticipated expiration: 2040-10-21
Also published as: WO2022083067A1; CN112403289A

Abstract

本发明提供了利用热致相分离与非溶剂致相分离法耦合以制备出具有梯度孔结构的聚(4‑甲基‑1‑戊烯)中空纤维膜的方法，包括：首先将聚(4‑甲基‑1‑戊烯)与稀释剂高温混匀，通过挤出一次成型，经空气段后进入冷却浴冷却发生热致相分离与非溶剂相分离，最后萃取出稀释剂得到中空纤维膜。本发明方法制备的中空纤维膜具有提高的安全性，并且易于调控聚(4‑甲基‑1‑戊烯)‑稀释剂体系中热致相分离与非溶剂致相分离过程，从而获得具有更好力学强度、气体渗透性及耐血浆浸润性的聚(4‑甲基‑1‑戊烯)膜。本发明还提供聚(4‑甲基‑1‑戊烯)中空纤维膜及其用于人工膜肺领域的用途。

Description

一种具有梯度孔结构的聚(4-甲基-1-戊烯)中空纤维膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种具有梯度孔结构的聚(4-甲基-1-戊烯)中空纤维膜及制备方法，具体涉及采用热致相分离法与非溶剂相分离集成工艺制备具有梯度孔结构的聚(4-甲基-1-戊烯)中空纤维膜的方法及通过该方法制备的中空纤维膜。

背景技术

体外膜肺氧合(Extracorporeal Membrane Oxygenation，ECMO)系统，具有替代人体肺脏调节血液内氧气与二氧化碳含量的功能，现已成为治疗急性呼吸疾病、等待肺移植阶段及心血管手术等过程中的重要医疗设备。ECMO由膜式氧合器、血泵、气体混合器及各种管路及监视器构成。膜式氧合器是气血交换的关键场所，是ECMO系统的核心部件，其在工作中要求膜需具有良好的气体渗透性能及抗血液浸润性。

目前ECMO用膜主要是聚烯烃中空纤维膜，包括聚丙烯(Polypropene,PP)与聚(4-甲基-1-戊烯)(Polymethylpentene，PMP)，其主要加工方法为热致相分离(Thermallyinduced phase separation,TIPS)法。TIPS法首先由Castro在美国专利US4247498(1981)中提出，可通过调节聚合物浓度、稀释剂体系及配比以实现高强度、高孔隙率的海绵体微孔结构，现已成为聚合物微孔膜的重要制备手段。专利CN1301149C、CN1121896C、CN1136035C、CN1141169C、CN110538582A及CN110548411A中详细地描述了采用聚烯烃高温良溶剂与非溶剂作为稀释剂，通过TIPS法制备具有非对称结构的聚烯烃中空纤维膜的方法。但由于聚(4-甲基-1-戊烯)的熔融温度与结晶温度相近，导致聚(4-甲基-1-戊烯)在TIPS过程中的相分离与结晶行为调控难度大，以至于很难实现高性能聚(4-甲基-1-戊烯)中空纤维膜的连续化稳定生产，目前仅有3M一家能够提供满足ECMO用的聚(4-甲基-1-戊烯)中空纤维膜产品。此外，在上述部分专利描述中，涉及多种对环境或人体有毒性的有机溶剂，这将极大影响聚(4-甲基-1-戊烯)中空纤维膜的安全性。

发明内容

针对以上问题，本发明提供一种聚(4-甲基-1-戊烯)中空纤维梯度孔膜的制备方法，所述方法可避免使用有毒的有机溶剂并可获得具有更好性能的聚(4-甲基-1-戊烯)中空纤维梯度孔膜。

本发明的聚(4-甲基-1-戊烯)中空纤维梯度孔膜的制备方法包括如下步骤：

1)制备铸膜液：将质量分数为20％-40％的聚(4-甲基-1-戊烯)、质量分数为60％-80％的稀释剂混合均匀作为铸膜液；

2)挤出成型：将步骤1)所述铸膜液通过200-270℃的挤出机以20-100m/min的速度挤出成中空纤维状；

3)相分离与固化：将步骤2)所述中空纤维在经过1-300ms的空气段后进入温度为0-50℃的冷却浴中，继而固化成膜；

4)萃取除稀释剂：将步骤3)中的膜浸入萃取剂中，脱除膜中的稀释剂；

5)将步骤4)中脱除稀释剂后的膜置于烘箱中烘干获得所述的聚(4-甲基-1-戊烯)中空纤维梯度孔膜。

上述方法首先将聚(4-甲基-1-戊烯)与稀释剂高温混匀，通过挤出一次成型，经空气段后冷却浴冷却发生热致相分离与非溶剂相分离，最后萃取出稀释剂得到中空纤维膜。通过选用水溶性的稀释剂，在冷却固化过程中诱使聚(4-甲基-1-戊烯)中空纤维表层与主体层分别发生NIPS(非溶剂致相分离，Nonsolvent induced phase separation)与TIPS过程，继而形成梯度孔结构。

在本发明的方法中，通过调节稀释剂中聚(4-甲基-1-戊烯)高温溶剂与高温非溶剂的种类与配比、挤出温度、空气段时间、冷却浴温度及冷却时间等条件，能够进一步实现对固化过程中TIPS与NIPS行为的调控，从而实现对聚(4-甲基-1-戊烯)中空纤维膜梯度孔结构的调控与优化。

本发明还提供可通过上述方法制得的聚(4-甲基-1-戊烯)中空纤维梯度孔膜，其中的梯度孔由致密皮层和孔径在由膜中心到膜表面逐渐变小的通透多孔支撑层组成；致密皮层厚度为0.05-5μm，平均孔径小于0.02μm；多孔支撑层厚度为0.05-0.2mm，平均孔径为0.02-5μm。

本发明还提供所述聚(4-甲基-1-戊烯)中空纤维梯度孔膜用于体外膜肺氧合过程的用途。

本发明采用TIPS法与NIPS法集成工艺制备具有梯度孔结构的聚(4-甲基-1-戊烯)中空纤维膜，与现有技术相比，有以下优势：

通过选用聚(4-甲基-1-戊烯)高温溶剂与非溶剂的混合体系，扩大了TIPS法制备聚(4-甲基-1-戊烯)的稀释剂筛选范围；

通过选用水溶性的非溶剂，诱使聚(4-甲基-1-戊烯)在固化成膜过程中同时发生TIPS与NIPS过程，增加膜结构与性能的可控因素，改善成膜过程中的工艺稳定性及可控性；

通过表层NIPS成膜与主体TIPS成膜相结合的方式，形成由致密皮层和孔径由膜中心到膜表面逐渐变小的通透海绵状多孔支撑层构成的复合结构，获得兼具高孔隙率与薄致密皮层的梯度孔结构，增强聚(4-甲基-1-戊烯)中空纤维膜的气体渗透率、力学强度与耐血液浸润性；

通过选用无毒或低毒性的稀释剂体系，提高了通过本方法制备的聚(4-甲基-1-戊烯)中空纤维膜产品的安全性。

附图说明

图1为实施例1中聚(4-甲基-1-戊烯)中空纤维膜的断面中支撑层主体的微孔结构；

图2为实施例1中聚(4-甲基-1-戊烯)中空纤维膜的致密表面；

图3为实施例1中聚(4-甲基-1-戊烯)中空纤维膜的整体断面梯度孔结构。

具体实施方式

本发明方法的步骤1)中，将质量分数为20％-40％的聚(4-甲基-1-戊烯)、质量分数为60％-80％的稀释剂混合均匀作为铸膜液。通过调节聚合物与稀释剂的比例，可调节所制备膜的结构、实现对膜主体孔隙率的调控。聚(4-甲基-1-戊烯)的质量分数优选为25％-32％，稀释剂的质量分数优选为68％-75％。

所述的稀释剂优选由聚(4-甲基-1-戊烯)的高温溶剂与高温非溶剂组成，其中高温溶剂指在200℃-270℃的温度范围内可与聚(4-甲基-1-戊烯)形成均匀溶液且该均匀溶液在0-60℃的温度范围内发生分相的沸点大于200℃的溶剂，优选其无毒或低毒性，优选其质量分数为40％-99％，更优选60％-99％，进一步优选80％-97％；高温非溶剂指在200℃-270℃的温度范围内与聚(4-甲基-1-戊烯)不能形成均匀溶液的沸点大于200℃的具有水溶性的溶剂，优选其无毒或低毒性，优选其质量分数为1％-60％，更优选1％-40％，进一步优选3％-20％。所述质量分数基于稀释剂整体计。通过调节高温溶剂与非溶剂的组成，可影响到相分离成膜过程中铸膜液体系成核、聚结、分相与结晶过程，继而实现对膜孔径及形貌的调控。

所述聚(4-甲基-1-戊烯)高温溶剂优选为十四酸、十六酸、油酸、十八酸、二十酸、十八酸甲酯、三乙酸甘油酯、己二酸二丁酯、己二酸二辛酯、柠檬酸三乙酯、磷酸三丁酯、苯甲醇、1-十二醇、1-十四醇、1-十六醇、1-十八醇、1-二十醇、1-二十二醇、1-二十四醇、1-二十六醇、1-二十八醇、1-三十醇或其异构体中的一种或一种以上的混合物。

所述的聚(4-甲基-1-戊烯)高温非溶剂优选1,2-丙二醇、乙二醇、一缩二乙二醇、二缩三乙二醇、三缩四乙二醇、分子量为200-1000的聚乙二醇、丙三醇中的一种或一种以上的混合物。

本发明方法的步骤2)中，将步骤1)所述铸膜液通过200-270℃的挤出机以20-100m/min的速度挤出成中空纤维状。所述挤出机例如可为双螺杆挤出机。挤出温度可进一步优选为230-265℃。挤出速度可进一步优选为60-80m/min。挤出温度需要保证聚合物与稀释剂体系能够完全熔融并混合均匀，挤出速度影响膜成型后厚度与外径，挤出速度越快，膜外径越小、厚度越薄。

本发明方法的步骤3)中，将步骤2)所述中空纤维在经过室温空气段1-300ms后进入温度为0-50℃的冷却浴中，继而固化成膜。空气段温度优选15-25℃，例如25℃。在空气段停留的时间进一步优选为5-60ms。空气段的温度与时间影响其表面致密皮层的形成，空气段越长，致密皮层越厚。

冷却浴优选为水，或者乙醇或聚(4-甲基-1-戊烯)的高温非溶剂与水的混合物。冷却浴温度进一步优选为0-30℃。在冷却浴中停留的时间通常为0.1-10s，优选为1-5s。冷却温度与时间影响热致相分离过程，温度越低，冷却速度越快，相分离速度越快，聚合物结晶度越低，继而力学强度下降，但韧性提高。调节冷却浴组成可调控非溶剂致相分离过程，继而影响到膜中梯度孔结构的分布，其中聚(4-甲基-1-戊烯)高温非溶剂的比例越高，非溶剂致相分离过程越剧烈，膜致密皮层越厚。

本发明方法的步骤4)中，将步骤3)中的膜浸入萃取剂中，脱除膜中的稀释剂。所述的萃取剂优选选自水或甲醇、乙醇、丙醇、正丁醇或异丁醇或水与甲醇、乙醇、丙醇、正丁醇、异丁醇的一种或几种的混合物。

本发明方法的步骤5)中，将步骤4)中脱除稀释剂后的膜置于烘箱中烘干获得所述的聚(4-甲基-1-戊烯)中空纤维梯度孔膜。烘干温度可为30-70℃，进一步优选为50-70℃。

本发明的聚(4-甲基-1-戊烯)中空纤维梯度孔膜的致密皮层厚度为0.05-5μm，优选为0.1-0.5μm，平均孔径小于0.02μm，优选为0.0005-0.005μm；多孔支撑层厚度为0.05-0.2mm，优选为0.05-0.15mm，平均孔径为0.02-5μm，优选为0.05-1μm。

下面结合具体实施例对本发明作详细的说明，但本发明并不限于以下实施例所作的描述。

实施例1

聚(4-甲基-1-戊烯)中空纤维梯度孔膜的制备方法通过如下步骤进行：

1)制备铸膜液：将质量分数为25％的聚(4-甲基-1-戊烯)、质量分数为70％的己二酸二丁酯及质量分数为5％的丙二醇混合均匀作为铸膜液；

2)挤出成型：将步骤1)所述铸膜液通过250℃的双螺杆挤出机以80m/min的速度挤出成中空纤维状；

3)相分离与固化：将步骤2)所述中空纤维在经过10ms的25℃的空气段后进入温度为30℃的水浴中冷却2s，聚(4-甲基-1-戊烯)/稀释剂体系同时发生热致相分离与非溶剂致相分离过程，继而固化成膜；

4)萃取除稀释剂：将步骤3)中的膜浸入乙醇中，脱除膜中的稀释剂；

5)烘干：将步骤4)中脱除稀释剂后的膜置于50℃烘箱中烘干获得聚(4-甲基-1-戊烯)中空纤维梯度孔膜。

实施例2

将实施例1步骤1)制备铸膜液中聚(4-甲基-1-戊烯)质量分数提高至30％，己二酸二丁酯与丙二醇的质量分数分别降低至65.3％与4.7％，其他条件不变。

实施例3

将实施例1步骤1)制备铸膜液中己二酸二丁酯替换为磷酸三丁酯，质量分数降低至45％，丙二醇质量分数增加至30％，其他条件不变。

实施例4

将实施例1步骤2)挤出成型中双螺杆挤出机温度降低至230℃，其他条件不变。

实施例5

将实施例1步骤2)挤出成型中膜丝挤出速度降低至40m/min，其他条件不变。

实施例6

将实施例1步骤3)相分离与固化中经过空气段时间增加至50ms，其他条件不变。

实施例7

将实施例1步骤3)相分离与固化中水浴温度降低至0℃，其他条件不变。

实施例8

将实施例1步骤3)相分离与固化中冷却浴改变为质量分数50％的乙醇水溶液，冷却浴温度设置为0℃，其他条件不变。

实施例9

将实施例1步骤5)烘干中，温度提高至70℃，其他条件不变。

实施例10

将实施例1步骤3)相分离与固化中冷却浴冷却时间增加至6s，其他条件不变。

实施例11

将实施例1步骤1)制备铸膜液中己二酸二丁酯替换为质量分数68％的二十二醇，丙二醇更换为质量分数7％的二缩三乙二醇，其他条件不变。

实施例12

将实施例1步骤1)制备铸膜液中己二酸二丁酯替换为质量分数72％的棕榈酸，丙二醇更换为质量分数3％的聚乙二醇600，其他条件不变。

对比例1

对比例与实施例1的方法基本相同，区别在于：在步骤1)制备铸膜液中将配方更改为质量分数为25％的聚(4-甲基-1-戊烯)与质量分数为75％的邻苯二甲酸二辛酯混合均匀作为铸膜液，其他条件不变。

图1示出了实施例1中聚(4-甲基-1-戊烯)中空纤维膜的断面中支撑层主体的微孔结构。图2示出了实施例1中聚(4-甲基-1-戊烯)中空纤维膜的致密表面。图3示出了实施例1中聚(4-甲基-1-戊烯)中空纤维膜的整体断面，由图3可以清楚地看出所述膜具有梯度孔结构，并且在致密皮层和多孔支撑层之间有清晰的边界。

效果评价

对上述各实施例和对比例所制备的中空纤维膜进行结构性质及性能的表征，所得结果见表1。其中膜的微观结构、致密皮层厚度与支撑层的厚度利用扫描电子显微镜多次取样直接观察测得，并且致密皮层厚度与支撑层的厚度分别是通过多次取样测得厚度值的算术平均值，本文的实验中取样次数为5。

膜支撑层平均孔径是在25℃，通过孔径分析仪(贝士德BSD-PBL)对膜支撑层孔径进行分析而获得。

膜致密皮层孔径通过正电子湮灭寿命谱仪(PALS EG&G)进行了分析，以22Na放射源作为正电子源，以BaF2闪烁体探测器探测正电子湮没释放的γ射线。将膜固定在正电子源与探测器中，通过测定正电子在致密皮层中的湮灭寿命计算出致密皮层的自由体积半径，即为致密皮层的平均孔径大小。

膜的断裂拉伸强度及断裂伸长率利用材料万能试验机(SHIMADZU AGS-J)在25℃左右以250mm/min的速度均速拉伸膜直至断裂测得。

膜的氧气及二氧化碳通量(F)测量：将制备的膜封装在膜组件中，在25℃左右，将氧气或二氧化碳气源与膜内侧相连并施加0.5bar压力(P)，在膜外侧连接气体流量计，检测单位时间(t)透过的气体体积(V)，根据膜的有效面积(A)，通过如下公式计算气体渗透率：

膜的血浆渗漏时间测定：该测试参考美国专利US6497752 B1中建议的方法进行，将制备的膜封装在膜组件中并在组件的壳程中灌满磷酸缓冲盐(PBS)溶液并恒温37℃，在膜组件的管程中通入氮气进行吹扫，吹扫气出口接入装有无水硫酸铜的干燥管。将干燥管中无水硫酸铜开始变色经过的时间定义为血浆渗漏时间。

表1示出各实施例所得聚(4-甲基-1-戊烯)中空纤维梯度孔膜的结构、性质及性能表征结果

通过表1中实施例1-12与对比例1的数据对比，可发现采用本发明方法制备的聚(4-甲基-1-戊烯)中空纤维膜拥有更优的力学性能与耐血浆渗漏性；且可通过调节成膜配方与制膜工艺实现对膜结构与性能的调控。

Claims

1.一种聚(4-甲基-1-戊烯)中空纤维梯度孔膜，其特征在于，所述膜中的梯度孔由致密皮层和孔径在由膜中心到膜表面的方向上逐渐变小的通透多孔支撑层组成；致密皮层厚度为0.05-5μm，平均孔径小于0.02μm；多孔支撑层厚度为0.05-0.2mm，平均孔径为0.02-5μm。

2.一种聚(4-甲基-1-戊烯)中空纤维梯度孔膜的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

3)相分离与固化：将步骤2)所述中空纤维在经过室温空气段1-300ms后进入温度为0-50℃的冷却浴中，继而固化成膜；

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述的稀释剂由聚(4-甲基-1-戊烯)的高温溶剂与高温非溶剂组成，其中高温溶剂质量分数为40％-99％，高温非溶剂质量分数为1％-60％，高温溶剂为在200℃-270℃的温度范围内可与聚(4-甲基-1-戊烯)形成均匀溶液且该均匀溶液在0-60℃的温度范围内发生分相的沸点大于200℃的溶剂，高温非溶剂为在200℃-270℃的温度范围内与聚(4-甲基-1-戊烯)不能形成均匀溶液的沸点大于200℃的具有水溶性的溶剂，所述质量分数基于稀释剂整体计。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述聚(4-甲基-1-戊烯)高温溶剂为十四酸、十六酸、油酸、十八酸、二十酸、十八酸甲酯、三乙酸甘油酯、己二酸二丁酯、己二酸二辛酯、柠檬酸三乙酯、磷酸三丁酯、苯甲醇、1-十二醇、1-十四醇、1-十六醇、1-十八醇、1-二十醇、1-二十二醇、1-二十四醇、1-二十六醇、1-二十八醇、1-三十醇或其异构体中的一种或一种以上的混合物。

5.其中根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述的聚(4-甲基-1-戊烯)高温非溶剂为1,2-丙二醇、乙二醇、一缩二乙二醇、二缩三乙二醇、三缩四乙二醇、聚乙二醇200、聚乙二醇400、聚乙二醇600、聚乙二醇800、聚乙二醇1000、丙三醇中的一种或一种以上的混合物。

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述的冷却浴为水或者聚(4-甲基-1-戊烯)的高温非溶剂或乙醇与水的混合物。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的萃取剂选自水或甲醇、乙醇、丙醇、正丁醇或异丁醇或水与甲醇、乙醇、丙醇、正丁醇、异丁醇的一种或几种的混合物。

8.根据权利要求2-7中任一项所述的方法所制备的聚(4-甲基-1-戊烯)中空纤维梯度孔膜。

9.体外膜肺氧合系统，其包含根据权利要求1所述的聚(4-甲基-1-戊烯)中空纤维梯度孔膜或根据权利要求2-7中任一项所述的方法所制备的聚(4-甲基-1-戊烯)中空纤维梯度孔膜。