2. 中山朗清膜业有限公司,广东 中山 528436
2. Zhongshan Lonkee Membrane Industry Co.,Ltd.,Zhongshan 528436,China
聚偏氟乙烯膜(PVDF)表面能低和不具备抗菌能力，在使用过程中极易受到水中细菌的侵害而造成膜生物污染，导致膜的渗透性能降低，严重影响膜的使用效率和寿命[1~3]。膜生物污染是膜表面与处理原料液中微生物相互作用的结果，通过改变外部条件的方法并不能从根本上消除膜生物污染。众多研究表明[4~7]，制备具有抑菌性能的膜，使细菌等微生物不能在膜表面吸附，同时赋予膜一定的抗菌性，能杀死细菌，达到从根本上抑制膜生物污染的目的。目前，抗菌膜制备的方法主要有化学反应法、等离子体改性法、辐射改性法、光引发接枝法等[1, 6~9]。其中光引发接枝法可聚合单体多，反应条件温和，单体上可带各种官能团，不损坏材料的本体性能，且紫外光源及设备成本低廉，易于连续化操作，极具工业前景[10, 11]。目前采用紫外光接枝法制备抗菌膜的研究大都是需要光引发剂，同时接枝过程中需要除氧，直接在PVDF上接枝抗菌单体难度较大，且合成难以控制。
本文采用两步法，首先，利用化学反应法将乙胺添加到PVDF铸膜液中，在均相不破坏膜的情况下使其脱氢氟生成活性碳碳双键[12~14]；其次，通过紫外光辐照将甲基丙烯酸二甲胺乙酯(DMAEMA)抗菌单体接枝到含碳碳双键的聚偏氟乙烯膜上，再通过季铵化改性，制备聚偏氟乙烯抗菌膜，技术路线如图 1所示。采用FT-Raman、FT-IR、XPS、SEM等对接枝前后的膜结构和性能进行表征，通过抗菌实验测试了接枝改性后膜的抗菌性能。
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图 1 抗菌膜制备反应机理 Fig.1 Process of anti-bacterial PVDF membrane preparation |
聚偏氟乙烯(PVDF)：FR-904，Mn= 380 000，上海三爱富公司；聚乙二醇-1500：PEG-1500，Mn = 1350、乙胺、甲基丙烯酸二甲胺乙酯(DMAEMA)、氯化苄，国药集团化学试剂有限公司；N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)、无水乙醇、甲醇，西陇化工股份有限公司；琼脂粉，上海三爱思试剂有限公司；牛肉浸膏，上海盛思生化科技有限公司；蛋白胨，杭州微生物试剂有限公司；大肠杆菌菌种，中国菌种储藏库。实验用水均为去离子水。
2.2 膜制备 2.2.1 含碳碳双键PVDF基膜的制备将9 g聚偏氟乙烯(PVDF)、2.7 g致孔剂聚乙二醇-1500 (PEG-1500) 溶解于41 g N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)中，混合均匀后加入0.45 g乙胺，置于50℃电热恒温鼓风干燥箱中熟化反应3天。静置脱泡后，将铸膜液流涎在抛光玻璃板上，用特制刮刀使之铺展成具有一定厚度的均匀薄层，20 s后将其放入纯水凝胶浴中，凝胶、固化，成型的薄膜用流动水冲洗24 h以上，去除残留的溶剂和添加剂，制备出膜含碳碳双键的PVDF膜，保存在去离子水中备用。
2.2.2 紫外光接枝DMAEMA及其季铵化制备抗菌膜将含碳碳双键的PVDF膜用无水乙醇脱水，烘干至恒重，烘干后的膜放入自制光反应器(光源为1000 W的高压汞灯，最大吸收波长365 nm，光照距离20 cm)中，加入1 mL不同浓度的DMAEMA甲醇溶液使膜浸润，不除氧，于35℃ 恒定温度下，光照至预定反应时间。反应结束后取出用甲醇漂洗，至漂洗后的水为中性，烘干备用。采用不同浓度的单体和不同的光照时间得到接枝率(DG)为8.5% 和17.2%的膜。洗净干燥后的膜放入装有30 mL氯化苄的反应瓶，50℃下反应30 h，最后经甲醇反复洗涤，得到季铵化PVDF抗菌膜。
2.3 膜表征与性能测试 2.3.1 膜表征用扫描电镜(JSM-6301F，日本岛津)观察膜的表面及断面的形貌和结构；采用傅里叶红外光谱仪(Nicolet Avatar 360，美国Nicolet公司)分析膜的红外光谱图，测量范围为 500~4000 cm-1；采用傅立叶变换拉曼光谱对碳碳双键膜进行表征，光源为514.53 nm绿光，激光强度为2~200 mW，测定波数范围为500~3000 cm-1。采用AXIS Ultra 型X 射线光电子能谱仪(XPS，Kratos Co)，在室温(25℃)下，以Al Kα X-ray (1486.7 eV)为激发源对样品表面成分进行测量，为消除电荷积累产生的峰位移动，测量结果相对F ls 峰(688.7 eV)进行修正。
2.3.2 接枝率的计算采用乙醇对膜进行脱水，烘干至恒重，测定膜接枝前后的重量。根据接枝前后PVDF膜的重量差，按照下式计算DMAEMA的接枝率：
| $DG=\frac{{{m}_{1}}-{{m}_{{}}}}{m}\times 100\%$ |
式中：DG为接枝率(%)，m和m1分别为接枝前、接枝后膜的重量(g)。
2.4 抗菌实验 2.4.1 抑菌圈取季铵化后的PVDF抗菌膜紧贴在牛肉膏蛋白胨固体营养培养基上，然后取0.1 mL经活化连续培养过的大肠杆菌菌液滴到固体培养基上，用无菌玻璃涂布棒把菌液均匀涂在固体培养基平板上，放入恒温培养箱中，于37℃下培养24 h，观察菌落生长分布情况。
2.4.2 原菌液的菌液浓度测定取活化连续培养后的大肠杆菌菌液，接种于牛肉膏蛋白胨液体营养培养基中，放入恒温培养箱中，在37℃下培养24 h。稀释瓶中加9 mL高压灭菌蒸馏水和1 mL大肠杆菌菌悬液(将此菌悬液浓度梯度记为100)，采用逐级稀释法制成不同梯度菌液，各梯度分别取0.1 mL菌液用无菌玻璃涂布棒均匀涂在固体培养基平板上，放入恒温培养箱中，于37℃下培养24 h。对菌落数在25~250左右的平板做活菌记数，根据稀释的倍数得到原大肠杆菌菌悬液的活菌浓度，即菌落形成数(CFU×mL-1，与原菌数成正比)。
2.4.3 抗菌效果测试将相同质量接枝率不同的季铵化膜分别放入装有若干经活化连续培养后相同浓度大肠杆菌菌液的稀释瓶中，使其充分接触，每隔15 min取1 mL接触菌液采用逐级稀释法进行稀释，取0.1 mL不同梯度的接触菌液涂平板，放入恒温培养箱中，于37℃下培养24 h。对菌落数在25~250的平板做活菌记数，得到大肠杆菌菌液的菌液浓度，根据稀释的倍数计算出不同接枝率膜的抗菌率，抗菌率按下式计算：
R = (A0-AX)/B×100%
其中，R：抗菌率，%；A0：原大肠杆菌菌落浓度，CFU×mL-1；AX：不同接触时间大肠杆菌菌落浓度，CFU×mL-1；B：空白试验大肠杆菌菌落浓度，CFU×mL-1。
2.4.4 酸洗后的抗菌效果用稀盐酸水溶液将1.4.3中与菌液接触后的抗菌膜洗涤干净，放入烘箱烘干后，按2.4.3节的方法进行二次抗菌实验。
3 结果与讨论 3.1 拉曼光谱分析(FT-Raman)图 2为纯PVDF膜(a)和乙胺改性后含碳碳双键PVDF膜(b)的拉曼光谱图，从图谱中可以发现乙胺改性后的PVDF膜(b)出现两个新的特征峰，1136 cm-1处为碳碳单键伸缩振动峰，1535 cm-1处为碳碳双键伸缩振动特征峰[13, 14]。表明将乙胺直接加到聚偏氟乙烯铸膜液中可制备含碳碳双键的聚偏氟乙烯膜。
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图 2 纯PVDF膜(a)和乙胺改性后的PVDF膜(b)的拉曼光谱图 Fig.2 FT-Raman spectra of PVDF membranes (a) and carbon-carbon double bond PVDF membranes (b) |
图 3为含碳碳双键PVDF膜(a)和接枝膜(接枝率为8.5%) (b)的红外光谱图，膜接枝DMAEMA后在1720 cm-1处出现了一个新的尖峰，为C=O的特征吸收峰；1442和2966 cm-1处的吸收峰明显增强，分别为 -CH3的变形振动和伸缩振动吸收峰。红外光谱结果显示，通过紫外光辐照将DMAEMA成功地接到含碳碳双键的PVDF膜上。
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图 3 接枝DMAEMA前后PVDF膜的红外光谱图 Fig.3 FT-IR spectra of (a) DMAEMA grafted PVDF membranes and (b) anti-bacterial membranes |
图 4为接枝率8.5% 膜季铵化前后的XPS图，其中(a)和(c)为C1s图，(b)和(d)为N1s图。图(a)和(c)中在284.80、287.92、288.68和290.73 eV分别对应CH、C-O/C-N、C=O和CF2四个基团，结合表 1和2可知，DMAEMA成功接枝到PVDF膜表面上。图(b)中N元素只有一种存在形式，结合能为399.52 eV，图(d)中N有两种存在形式，结合能分别为401.57 eV和399.52 Ev。根据分析，在401.57 eV处的N以R4N+形式存在，而399.52 eV处的N 元素以R3N 形式存在，结果表明接枝在膜表面的DMAEMA已部分被季铵化。
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表 1 膜表面的XPS元素成分(at.%) Table 1 Element analysis of the membrane surfaces (at.%) |
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表 2 膜表面C元素不同存在状态时的含量(at.%) Table 2 Contents of carbon bonds of the membrane surfaces (at.%) |
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图 4 抗菌膜季铵化前后的XPS图 Fig.4 XPS spectra of membranes before and after grafting |
图 5中A、B和C依次为接枝率0%、8.5% 和17.2% 膜的表面SEM图，D、E和F为对应截面SEM图。对比图A、B和C可以看出，接枝后膜表面孔分布密度减小，部分膜孔堵塞，形成较明显的纹路，主要是DMAEMA接枝后在膜表面引起结构变化；对比截面SEM图可知，接枝后膜的截面并未产生明显变化，说明接枝发生在膜表面，并未对膜内部孔隙结构产生影响。PVDF膜接枝前的纯水通量为628 L×m2×h-1，对牛血清白蛋白截留率为32%；接枝改性后通量为289 L×m 2×h-1，截留率达到94.5%。
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图 5 不同接枝率0% (A/D)、8.5% (B/E) 17.2% (C/F)膜的SEM图 Fig.5 SEM images of membranes with different grafting densities |
图 6为抑菌圈实验结果，从培养皿表面菌落分布可以看出，菌落均匀的分布在抗菌膜周围，并没有产生抑菌圈，说明所制备的抗菌膜抗菌机理不是释放杀菌，而是接触杀菌。
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图 6 抑菌圈 Fig.6 Zone of inhibition |
表 3为接枝率分别0%、8.5% 和17.2% 抗菌膜的抗菌效果。未接枝膜季铵化后的最高抗菌效果为45 min时的34.3%，之后抗菌效果无明显提高；接枝率为17.2% 膜季铵化后的抗菌效果最强，且随时间推移而增强，60 min可以达到99.9%，高于接枝率为8.5% 抗菌膜的99.2%。实验表明原膜具有一定抗菌性，这是膜本身具有微生物吸附作用引起的；接枝后季铵化使膜的抗菌效果得到明显增强，抗菌效果随着时间推移增强；膜的接枝率越大，抗菌效果越明显。
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表 3 不同接枝率膜季铵化后的抗菌效果 Table 3 Antibacterial performance of membranes with different grafting degrees (at.%) |
表 4为表 3中对应膜酸洗后的抗菌效果，对比表 3和表 4可知，酸洗后膜的抗菌效果与酸洗前相当，说明稀酸不会对膜表面的结构产生破坏，也不会影响附着在膜表面的季铵盐，膜具有较为稳定的抗菌性。
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表 4 膜酸洗后的抗菌效果 Table 4 Antibacterial performance of membranes after acid washing (at.%) |
铸膜液中添加乙胺制备含碳碳双键的PVDF膜，利用紫外光辐照在含碳碳双键PVDF膜的表面上接枝DMAEMA抗菌单体，接枝后的膜经过氯化苄处理，表面生成季铵盐，制备抗菌膜。接枝和季铵化发生在膜表面，不会对膜内部孔隙结构产生影响。接枝率越高，膜的抗菌效果越好，且抗菌效果随时间的增加而增强。经过稀盐酸酸洗后，PVDF抗菌膜的抗菌效果并未发生明显改变，说明酸洗不会影响PVDF抗菌膜的抗菌效果，PVDF膜抗菌性能稳定。
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