CN115569521A - 一种纤维素类复合超滤膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种纤维素类复合超滤膜及其制备方法，该超滤膜包含主体，一侧表面为第一外表面，另一侧表面为第二外表面；沿流体流经方向上，主体依次为超滤层、过渡层、结合层和基材层，第一外表面的SEM平均孔径为1‑80nm；用于高效截留1K‑750K的生物分子；超滤层和过渡层由纤维素类聚合物形成，亲水性很强，确保产物收率；在结合层内，纤维素类聚合物形成第一纤维，非天然聚合物形成第二纤维，相邻所述第一纤维与所述第二纤维之间相互分离以形成供流体通过的间隙；非天然聚合物为砜类聚合物、尼龙和聚偏二氟乙烯中的任意一种；间隙的存在，大大提高了滤膜的流速，保证滤膜能够快速分离纯化各种生物分子流体；本发明提供的制备方法，方便、快速、有效。

Description

一种纤维素类复合超滤膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及膜材料技术领域，更具体的说是涉及一种纤维素类复合超滤膜及其制备方法。

背景技术

近年来，生物类医药品(特别是免疫球蛋白等抗体)由于其治疗效果高且副作用少而被广泛利用。而抗体或病毒等生物分子主要是由动物细胞等生物产生，因此为了作为医药品使用，需要对含有抗体、病毒等生物分子的流体进行分离纯化；目前最常用的分离纯化生物分子的方式就是通过膜分离，这是因为膜分离技术分离效率高，能耗低，能够在常温下进行，不会对有效成分-生物分子造成破坏，生物分子的回收率高，经济效益高。

膜分离技术的核心就是分离膜，分离膜主要包括聚合物滤膜，它是一类以有机高分子聚合物为原材料，根据一定工艺制成的分离膜；根据高分子聚合物种类的不同，聚合物滤膜可以细分为纤维素类聚合物滤膜，聚酰胺类聚合物滤膜，砜类聚合物滤膜，聚四氟乙烯类聚合物滤膜等；而根据膜的孔径大小可以分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜及反渗透膜。此外，也可以根据膜几何形态分为板式膜(平板膜)和中空纤维膜等；其中平板膜由于结构简单，耐压强度高，适宜进行各种加工处理，因此备受市场的偏爱。

例如专利权人EMD密理博公司申请的专利申请号为EP0596411A3的欧洲专利-复合超滤膜，该膜具有基于微孔聚烯烃或砜聚合物的抗性基材和由砜聚合物形成的超滤层，其具有不错的机械强度，同时还有具有30至50gfd/psi的通量，过滤速度较快；但该膜也存在一定的缺点，该超滤膜层由砜聚合物制得，虽然经过亲水处理之后，亲水性有一定改善，但相较于纤维素膜，其亲水性依然较差，从而吸附一定量的蛋白质，导致蛋白质收率过低，经济效益偏低。

进一步，市面上也出现了以无纺布作为基材同时复合由纤维素类材料制得的超滤层，其复合工艺简单，制备相对容易；同时由于该膜的超滤层由纤维素类材料制得，因此该膜具有优异的亲水性，蛋白吸附极低，利于获得高产物收率；但这样的超滤膜也存在一定的缺点，即无纺布的平整度有限，容易存在一些毛刺等纤维结构，这些纤维有可能戳至超滤层，继而破坏超滤层的结构；一旦出现这样的情况，超滤层上的过滤孔就会变大，使得超滤层能够允许比要求所规定的截留极限大的粒子通过，影响其超滤效果。

此外，专利权人密理博公司申请的专利申请号为CN95194260.3的中国专利-纤维素超滤膜，它具有微孔耐碱基底和一层由聚合物纤维素酯或纤维素形成的超滤膜层，其中超滤膜层的厚度为约1-20微米，并且聚合物延伸进入所述微孔耐碱基底距离在5-30微米之间，还具有500道尔顿-1500K道尔顿的截留标准分子量；通过选择合适的基底，如聚烯烃膜，从而保证基材层的表面纤维不会过于突出，以保证成品膜的超滤层不会被纤维戳破，影响产品质量；并且通过纤维素类聚合物制得超滤膜层，使得超滤膜具有较高的蛋白收率；同时通过SEM图观察到部分纤维素类聚合物会渗入到聚烯烃微孔膜中，继而使得纤维素类聚合物形成的纤维和聚烯烃形成的纤维之间相互粘连，保证膜整体复合强度；但这样的膜结构也存在一个问题，流体在经过该区间时，两种相互粘连的纤维会对流体的流动起到较强的阻碍作用，这种阻碍作用使得流体无法快速流动，从而导致超滤膜整体的流速明显较低，过滤时间较长。

综上所述，上述问题的存在也一定程度上限制了用于纯化生物分子的超滤膜的发展。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种用于分离纯化生物分子的纤维素类复合超滤膜及其制备方法，该超滤膜具有以纤维素类聚合物制得的超滤层，从而易获得高蛋白收率；同时对分子量为1-750K的物质具有高效截留，同时还具有较快的流速，过滤时间短。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种纤维素类复合超滤膜，包含主体，所述主体内具有非定向曲折通路，所述主体的一侧表面为第一外表面，另一侧表面为第二外表面，沿流体流经方向上所述主体依次为超滤层、过渡层、结合层和基材层，所述超滤层包括第一外表面，所述基材层包括第二外表面；所述第一外表面的SEM平均孔径为1-80nm；且所述第一外表面的SEM平均孔径小于第二外表面的SEM平均孔径；所述超滤层和过渡层由纤维素类聚合物形成，所述基材层由非天然聚合物微孔膜形成；所述结合层包括纤维素类聚合物和非天然聚合物；在结合层内，所述纤维素类聚合物形成第一纤维，所述非天然聚合物形成第二纤维，所述第一纤维与所述第二纤维相互缠绕形成多孔结构，且相邻所述第一纤维与所述第二纤维之间相互分离以形成供流体通过的间隙；

所述非天然聚合物为砜类聚合物、尼龙和聚偏二氟乙烯中的任意一种。

本发明所提供的超滤膜是一种复合膜，该膜是由多种聚合物材料制得，同时通过用分开的步骤制得所需要的各层结构；相较于一体成型膜，复合膜最大的优势就是可以优选不同的膜材料制备各层结构，从而使得各层的功能分别达到最佳化，从而使得膜整体具有理想的性能参数；

在沿着流体流动方向上，本发明的膜主体结构依次为超滤层、过渡层、结合层和基材层，其中超滤层主要起着对物质的截留作用，超滤层的一侧为第一外表面(即进液面)，在第一外表面上存在着一些孔径较小的孔洞；众所周知，孔径的大小是能够截留物质的关键因素，不同的孔径能够截留不同粒径的物质；经过研究发现，当第一外表面的SEM平均孔径为1-80nm，这样的孔径大小，适合截流分子量为1K-750K的各种生物分子物质(如抗体等物质)，利于获得较高的截留效率；同时通过以切向流的形式纯化各种生物分子，其剪切力较小，避免了生物分子变性失活；而过渡层的存在是对超滤层起到一个保护作用，防止结合层上的毛刺等纤维结构对超滤层的膜孔结构造成影响甚至破坏，继而影响膜整体的截留效率，进一步保证超滤层能高效截留相应物质；

本发明中超滤层和过渡层均是由纤维素类聚合物经过相转化制备得到，因此超滤层具有很强的亲水性，不容易吸附抗体等生物分子，确保产物具有较高的收率；且在超滤层和过渡层仅存在一种成膜聚合物(即纤维素类聚合物)，不存在其他成膜聚合物，当然也不排除存在极少量的溶剂和成孔剂等物质；

而在结合层内，存在着两种成膜聚合物，一种是纤维素类聚合物，另一种非天然聚合物，非天然聚合物为砜类聚合物、尼龙和聚偏二氟乙烯中的任意一种；其中纤维素类聚合物形成了第一纤维，非天然聚合物形成了第二纤维；令人惊讶的是，第一纤维与第二纤维之间并没有相互粘连，两种纤维之间相互缠绕形成多孔结构，且相邻第一纤维与第二纤维之间相互分离以形成供流体通过的间隙，即类似“环环相扣”的结构，而间隙的存在并且两种纤维之间是相互分离的，这样的结构使得流体在经过结合层时，其阻力会较小更容易透过，压损会降低，从而大大提高了膜整体的通量(流速较快)，过滤速度快，经济效益高；此外，我们也发现其他种类聚合物形成的第二纤维无法与第一纤维(纤维素类材料制成)形成类似结构，猜想这种结构的产生除了与制备方法有关外，与相应材料自身性质之间的关系也较大，即并不是任何材料的微孔膜都可以形成本发明所需要的膜结构，例如聚烯烃微孔膜就无法形成。

此外，我们还发现超滤膜在长期过滤过程，容易变脆，使得膜整体的弹性很差，甚至容易出现破裂的现象，从而导致对生物流体极大的浪费，而当结合层内第一纤维与第二纤维不再粘连，而是存在“环环相扣”的关系时，我们惊喜得发现滤膜整体的弹性模量和弹性形变量均有明显的提升，这样就不容易出现滤膜过脆的现象，从而保证滤膜具有较长的使用寿命，即使经过较长时间的过滤，依然能够高效截留各种物质，超滤膜也不容易出现破裂；

与此同时，基材层是由非天然聚合物微孔膜形成(本发明中微孔膜是标称孔径大于0.1μm的多孔膜)，基材层用于对超滤层起到一个支撑作用，保证了膜整体具有不错的机械强度，耐压强度较高，适合在较高压力作用下进行长时间稳定的过滤；基材层包括第二外表面，第二外表面上存在着一定数量较大孔径的孔洞，进一步保证了膜整体具有较快的流速，过滤速度快。

本发明中非定向曲折通路是指无规取向的沟槽结构和/或离散分布的孔洞结构，且各非定向曲折通路相互贯通；第一外表面的SEM平均孔径的测量方式可以通过使用扫描电子显微镜对膜结构进行形貌表征后，再利用计算机软件(如Matlab、NIS-Elements等)或手工进行测量，并进行相应计算；在膜的制备过程中，在垂直于膜厚度方向上(如果膜是平板膜形态，则该方向是平面方向；如果膜是中空纤维膜形态，则该方向是垂直于半径方向)，其各项特征如孔径分布是大致均匀的，基本保持一致；所以可以通过在相应平面上部分区域的平均孔径大小，来反映该平面上整体的平均孔径大小。在实际进行测量时，可以先用电子显微镜对膜表面进行表征，获得相应的SEM图，而由于膜表面孔洞大致是均匀的，因此可以选取一定的面积，例如1μm²(1μm乘以1μm)或者25μm²(5μm乘以5μm)，具体面积大小视实际情况而定，再用相应计算机软件或者手工测出该面积上所有孔洞的孔径，然后进行计算，获得该表面的平均孔径；内表面的孔洞面积率即为该表面上所有孔洞面积之和与该表面的面积之比；当然本领域技术人员也可以通过其他测量手段获得上述参数，上述测量手段仅供参考。

作为本发明的进一步改进，所述结合层的厚度不低于5μm；所述第二纤维的SEM平均直径小于所述第一纤维的SEM平均直径，且不低于第一纤维SEM平均直径的10％；所述第一纤维的SEM平均直径不低于所述结合层SEM平均孔径的20％。

目前复合膜最大的问题就是复合强度(剥离强度)不高，层与层之间容易分离，特别是本发明中结合层与过渡层之间容易分离，那么就容易导致使用寿命大大降低，无法长时间过滤，并且耐压强度不够高，无法在高压下过滤(在条件允许的情况，滤膜过滤时的压力越大，过滤速度越快，单位时间经济效益越高)；并且复合膜存在打褶期间出现分层/层分离的风险，加工实用性偏低；而本发明中由于在结合层内第一纤维和第二纤维之间存在空隙(不粘连)的情况下，进一步提高了分层的风险；那么如何降低这一风险那？本发明中一方面通过控制结合层的厚度，由于结合层中第一纤维和第二纤维同时存在，结合层越厚，那么复合膜的复合强度越高，越耐压；本发明中结合层的厚度不低于5μm,从而使得复合膜的复合强度较高，不容易分离，保证超滤膜能够长时间在高压下进行过滤；进一步得，通过控制第一纤维和第二纤维的粗细，当第一纤维或者第二纤维过细时，那么就容易存在分离的风险，而到第一纤维和第二纤维均具有合适的粗细；经过研究发现，第一纤维和第二纤维并不是需要相同粗细，在结合层内，第一纤维需要相对粗一点，其第一纤维的SEM平均直径不低于所述结合层SEM平均孔径的20％；而第一纤维可以相对细一点，但也不能过细，其SEM平均直径不低于第一纤维SEM平均直径的10％，这样粗细的第一纤维和第二纤维能够进一步提高膜整体的复合强度；即在较厚的结合层和合适粗细的第一纤维和第二纤维的协同作用下，保证了滤膜整体具有较高的复合强度，层与层之间不容易分离，同时还具有较高的拉伸强度和耐压强度，在大压力的流体冲击时，复合膜不会分离，复合膜依然能够起到高效截留作用。

本发明中结合层的SEM平均孔径可以理解为是由第一纤维环绕形成的孔洞孔径；也可以理解为在进行复合膜制备时，作为基材的非天然聚合物微孔膜中除了基材层外其余区域孔洞的平均孔径。

作为本发明的进一步改进，所述结合层的厚度为15-150μm；所述结合层厚度为膜整体厚度的10％-80％。

在结合层内，同时存在着两种成膜聚合物；而在超滤层、过渡层和基材层中均只存在一种成膜聚合物；因此结合层的厚度大小会影响着膜复合强度的高低，为了确保膜具有很高的复合强度和拉伸强度，所述结合层的厚度优选为15-150μm；同时由于在结合层虽然第一纤维和第二纤维之间存在间隙，间隙的存在能够大大提高膜的通量，但相较于基材层，流体在结合层内流动时，还是容易受到第一纤维和第二纤维的影响，从而也会一定程度上影响膜的流速；因此作为优选，所述结合层厚度占膜整体厚度的10％-80％(结合层厚度占膜整体厚度之比不会过高)，在保证膜整体具有较高复合强度和拉伸强度的同时，进一步保证膜整体具有较快的流速。

结合层的厚度以及膜整体的厚度可以通过使用扫描电子显微镜对膜结构进行形貌表征后，再利用计算机软件(如Matlab、NIS-Elements等)或手工进行测量后计算测得；当然本领域技术人员也可以通过其他测量手段获得上述参数(如膜整体厚度可以通过将滤膜冷冻干燥，在用测量工具测量获得)，上述测量手段仅供参考。

作为本发明的进一步改进，所述第一纤维的SEM平均直径为0.5-10μm，所述第二纤维SEM平均直径与所述第一纤维SEM平均直径之比为0.15-0.45；所述第一纤维SEM平均直径与所述结合层SEM平均孔径之比为0.25-0.7。

除了结合层厚度大小外，第一纤维与第二纤维的粗细也会影响着膜的复合强度等性能；当第一纤维或者第二纤维过细时，复合膜存在着分层的风险，或者耐压强度过低，无法承压；但当第一纤维或第二纤维过粗时，复合膜虽然不存在分层的风险，但此时机械强度基本也不再会提高，同时还发现膜整体流速会存在一定的降低，这是由于在结合层内，过粗的第一纤维和第二纤维均会对流体的运动起到一定阻碍作用，从而导致了膜流速有一定程度的降低，因此第一纤维和第二纤维均不能过粗；同时经过进一步研究发现，所谓的粗细并不仅仅只考虑第一纤维与第二纤维的绝对值，更是需要考虑相应的比值；例如第一纤维SEM平均直径与结合层SEM平均孔径之比过高(例如达到0.9甚至更高)的情况下，即使第一纤维SEM平均直径不是很粗，那么此时这样的膜结构也对流体的运动造成一定的阻碍作用，继而影响膜流速；经过不断的实验研究，我们发现，通过将第二纤维SEM平均直径与第一纤维SEM平均直径之比为0.15-0.45，并且第一纤维SEM平均直径与结合层SEM平均孔径之比为0.25-0.7这两个特征的共同作用下，能够进一步保证滤膜具有较快的流速，还具有较高的复合强度，不容易分层，能够长时间在高压下高效截留相应分子量的物质；此外合适粗细的第一纤维和第二纤维，还能保证膜整体具有较高的弹性模量，弹性较高，即使出现一定的溶胀，也不会破裂；因为在一些特殊应用中(如分离纯化胰岛素时)，高分子聚合物在溶剂中体积会发生膨胀，继而导致滤膜的破裂，使用寿命大大降低，经济效益较差，本发明的滤膜由于弹性较好，耐溶胀，应用范围更广。

第一纤维和第二纤维的SEM平均直径的测量方式可以通过使用扫描电子显微镜对膜结构进行形貌表征后，再利用计算机软件(如Matlab、NIS-Elements等)或手工进行测量，并进行相应计算；例如先用电子显微镜对膜结合层区域内进行表征，获得相应的SEM图，具体面积大小视实际情况而定，再用相应计算机软件或者手工测出该面积上所有第一纤维和第二纤维的直径，然后进行计算，获得该区域内的第一纤维和第二纤维的SEM平均直径；当然本领域技术人员也可以通过其他测量手段获得上述参数，上述测量手段仅供参考；

作为本发明的进一步改进，所述第一纤维与所述第二纤维之间的间隙的SEM平均距离为0.1-4μm；且所述间隙的平均距离与所述第二纤维的SEM平均直径之比不低于0.4。

间隙的存在，有利于流体快速通过，间隙的SEM平均距离越大，那么流体在结合层内的流动速度越快，继而使得膜整体的流速越快，即膜整体具有较快的过滤速度；因此间隙距离大小不能过低，经过研究发现，间隙距离不低于0.1μm,同时间隙距离与第二纤维直径之比应该不低于0.4，这样的膜结构作用下，更有利于保证膜整体具有快流速；但当间隙过大时，会大大降低膜整体的拉伸强度和复合强度，在高压过滤时，滤膜会出现分层乃至破裂的现象，继而导致含生物分子的流体洒落一地，造成极大的浪费；因此本发明中间隙的SEM平均距离不大于4μm,确保了膜整体还是具有较高的拉伸强度和复合强度。

作为本发明的进一步改进，所述间隙的SEM平均距离与所述结合层的SEM平均孔径之比为0.1-0.6；所述间隙的SEM平均距离与所述第二纤维SEM平均直径为0.5-5。

除了控制间隙的绝对距离大小，经过研究，优选将间隙距离与结合层平均孔径之比控制在合理范围内，从而进一步提高膜各项性能；进一步的，惊喜发现当将间隙的SEM平均距离与结合层的SEM平均孔径之比为0.1-0.6，既有利于保证膜整体的流速较快，同时还有利于保证膜整体的机械强度；此外该比值还有利于进一步保证膜具有不错的弹性，耐溶胀。当间隙过大时，会影响结合层内部孔洞的稳定，容易发生收缩甚至是坍塌，而第二纤维粗细是维持结合层内孔洞稳定的关键因为，因此通过控制间隙的SEM平均距离与所述第二纤维SEM平均直径为0.5-5，即保证了结合层内膜孔的稳定性，同时又保证膜整体流速，使得流体能够快速稳定通过结合层。

作为本发明的进一步改进，所述超滤层厚度和所述过渡层厚度之和为1-30μm；所述第一外表面的第一水接触角比第二外表面的第一水接触角小15°-60°。

相较于结合层和基材层，超滤层和过渡层内孔洞的孔径相对较小，那么当超滤层和过渡层之和的厚度过大时，也容易导致滤膜整体的流速较慢；本发明超滤层厚度和所述过渡层厚度之和为1-30μm，作为优选厚度之和为1-20μm,更优选，厚度之和为1.5-15μm，从而确保膜整体具有较快的流速，同时也有不错的机械强度。在现有技术，总希望超滤层和基材层两种材料的相容性(本发明中主要是指亲水性)越高越好，因为相容性过低，复合膜很容易分离，复合(剥离)强度低；但本发明人惊讶的发现，两种材料的亲水性并不是越高越好；当两种材料的亲水性(相容性)存在一定的差距时，有利于使得在结合层内的两种纤维之间不会相互粘连，从而提高复合膜的弹性模量；并且发现，当基材层(微孔膜)过于亲水时，在制备滤膜时会出现“双皮层”现象，导致膜流速较慢；本发明中通过第一水接触角来反映材料的亲水性，通过复合膜两个外表面之间的第一水接触角之差来反映两个材料之间的亲水性之差；经过研究发现，当第一外表面的第一水接触角与第二外表面的第一水接触角小15°-60°，既保证了膜整体具有较高的复合强度，层与层之间不容易分离；同时又能进一步提高膜整体的弹性(弹性模量和弹性伸长率)，更加耐溶胀；同时膜整体还具有较快的流速，能够长时间快速过滤纯化相应含各种生物分子的流体。

作为本发明的进一步改进，所述第一外表面的第一水接触角为15°-45°，粗糙度为0.1-3μm；所述第一外表面的孔洞面积率为1％-10％。

本发明中通过第一外表面上一定孔径的孔洞分离纯化各种含生物分子的流体；由于目前大多数生物分子为蛋白质类物质，为了确保产物(蛋白质)收率，我们希望第一外表面足够的亲水，因此第一外表面是由纤维素类聚合物形成，同时用第一水接触角大小表征材料表面的亲水性强弱，第一水接触角是指以水作为测试液，用接触角测试仪进行测试，当10-100微升水滴均匀到材料表面一瞬间时(0.4s内)形成规则的接触角；一般情况下，第一水接触角越小，材料表面的亲水性越强；当材料表面的第一水接触角小于90°时，可视为该材料表面亲水，更进一步即该材料为亲水材料；通过测试，发现第一外表面的第一水接触角为15°-45°，从而进一步更加具体的说明第一外表面足够的亲水，不容易吸附蛋白质，确保滤膜具有较高产物收率；

此外发现第一外表面的孔洞面积率为1％-10％(优选3％-8％)，即第一外表面上的孔洞数量相对较少，较致密，这样的孔洞面积率与第一外表面的SEM平均孔径共同作用下，进一步保证了截留效率，确保超滤膜能够对分子量为1-750K的物质进行充分有效的截留；此外经过研究发现，第一外表面不能过于光滑，因为当第一外表面过于光滑时，浓差极化现象非常容易发生，这使得仅仅过滤较短时间后，第一外表面上的孔洞就被堵住，从而导致膜流速快速的下降；同时第一外表面不能过于粗糙，因为生物分子十分脆弱，当表面过于粗糙时，会使生物分子(蛋白质)破碎，产物收率大大降低；用粗糙度测试仪对第一外表面进行粗糙度测试，发现第一外表面的粗糙度为0.1-3μm，相对光滑，既保证了产物收率，同时第一外表面上浓差极化现象不会很明显，能够长时间快速过滤各种流体。

作为本发明的进一步改进，所述超滤层厚度为0.1-5μm；所述超滤层内具有形成多孔结构的超滤纤维，所述超滤纤维的SEM平均直径为25-65nm。

超滤层是膜主体中用于截留各种生物分子的关键区域，为了保证截留效率，超滤层会相对致密，其内部孔隙率相对较低，流体流动较慢；但当超滤层厚度过厚时，不仅无法进一步提高截留效率，同时还会导致膜整体流速较慢，无法满足实际应用的需求，因此超滤层厚度不能过大；本发明中超滤层厚度为0.1-5μm，优选0.5-4um，既保证了对相应分子量的生物分子进行高效充分的截留，同时又能保证膜整体具有较快的流速；

在超滤层内存在着若干的超滤纤维，这些超滤纤维的存在，确保了超滤层内部孔洞的稳定性，孔洞不容易坍塌或者收缩，从而保证滤膜能够长时间能够在高压下过滤流体；并且使得膜整体具有较高的机械强度。

超滤层的厚度，超滤纤维的SEM平均直径(纤维截面的粗细程度可以被认为是其纤维的直径)均可以通过使用扫描电子显微镜对膜结构相应区域进行形貌表征后，再利用计算机软件(如Matlab、NIS-Elements等)或手工进行测量后计算测得；当然本领域技术人员也可以通过其他测量手段获得上述参数，上述测量手段仅供参考；

作为本发明的进一步改进，所述过渡层厚度为0.5-28μm，所述过渡层厚度为超滤层厚度的1.5-10倍；且所述过渡层厚度为结合层厚度的0.05-0.5倍。

过渡层的存在主要是起到对超滤层的一个保护作用，防止本发明所使用的微孔膜表面不够平整，还是存在少量的毛刺等纤维结构；其次过渡层可以对超滤层起到进一步的支撑作用，进一步保证超滤层内孔洞的稳定性；因此过渡层需要有一定的厚度；但过渡层也不能过厚，因为过渡层的平均孔径一般小于结合层和基材层(微孔膜)的平均孔径，当过渡层过厚，会到使得膜整体的流速有一定的降低；本发明中通过控制过渡层厚度为0.5-28μm，优选为1-20μm，不仅对超滤层起到了支撑和保护作用，同时有利于滤膜整体具有不错的流速；此外，进一步控制过渡层厚度为超滤层厚度的1.5-10倍，同时控制过渡层厚度为结合层厚度的0.05-0.5倍，在这几个特征共同作用下，进一步保证了滤膜具有较高的机械强度和较快的流速。

作为本发明的进一步改进，所述过渡层内具有形成多孔结构的支撑纤维，所述支撑纤维的SEM平均直径为30-95nm；

所述支撑纤维的SEM平均直径与所述超滤纤维的SEM平均直径之比为1.1-2；

所述超滤纤维SEM平均直径与第二纤维SEM平均直径之比为8％-30％。

为了保证过渡层内孔洞的稳定性，同时又使过渡层对超滤层起到足够的支撑作用作用；支撑纤维需要有合适的粗细，经过研究，支撑纤维的SEM平均直径为30-95nm，既能保证过渡层内部自身孔洞稳定性，同时又能对超滤层起到有效的保护和支撑作用，保障了流体流速的稳定；进一步研究发现，超滤纤维不能过粗，因为过粗的超滤纤维会对流体运动造成影响，影响膜流速；因此控制支撑纤维的SEM平均直径与超滤纤维的SEM平均直径之比为1.1-2、超滤纤维SEM平均直径与第二纤维SEM平均直径之比为8％-30％，在这两个特征的共同作用下，进一步保证膜整体具有较高的机械强度和过滤稳定性，能够长时间高效过滤；因此该滤膜特别适合应用于超滤领域。

作为本发明的进一步改进，所述过渡层的SEM平均孔径为100-1000nm；所述过渡层的SEM平均孔径与结合层的SEM平均孔径之比为0.04-0.4。

当过渡层内的孔洞孔径过大时，一方面无法保证膜整体的机械性能，同时也无法对超滤层起到很好的支撑和保护作用；而过渡层内的孔洞孔径很小时，会影响膜整体的流速，因此需要进一步控制过渡层的平均孔径，同时将过渡层平均孔径与结合层平均孔径之比控制在一个合理的范围内；经过研究，通过使过渡层的SEM平均孔径为100-1000nm(优选200-800nm)；同时使过渡层的SEM平均孔径与结合层的SEM平均孔径之比为0.04-0.4，从而进一步保证膜整体具有不错的流速，还能长时间对超滤层起到支撑和保护作用，确保能够长时间稳定地进行过滤。

作为本发明的进一步改进，在过渡层内，膜孔洞SEM平均孔径从靠近第一外表面一侧区域向靠近结合层一侧区域连续梯度变大；所述过渡层内SEM平均孔径变化梯度为50-500nm/1μm。

当滤膜具有高效截留和不错的机械强度后，人们总希望膜的流速尽可能快一点，因为这样能够快速过滤各种生物分子流体；而为了实现这一需求，我们发现可以使过渡层内孔洞孔径梯度变化，即过渡层靠近超滤层一侧的孔洞孔径较小，例如维持超滤层内孔洞的稳定性；而过渡层靠近结合层一侧的孔洞孔径相对较大，就能进一步使得膜整体不仅具有较高的机械性能，还具有较快的流速；同时在一定粗细的过渡纤维协同作用下，确保膜整体的强度，确保流体在膜体内部长时间稳定的平稳流动；同时还能使流体以较快速度在膜体内部流道。

作为本发明的进一步改进，所述第二外表面的SEM平均孔径为0.5-20μm；所述第二外表面的第一水接触角为40°-85°，粗糙度为6-12μm。

因为本发明超滤膜大部分区域为基材层，基材层内部的孔洞孔径会对膜流速产生较大的影响，因此基材层内部的孔洞孔径不能过小；本发明中通过第二外表面的平均孔径可以一定程度上表征基材层的孔洞孔径大小，经过研究第二外表面的SEM平均孔径为0.5-20μm，利于膜具有较快的流速；进一步为了保证复合膜的复合强度，两种复合材料之间的相容性也较好，本发明中通过第二外表面的第一水接触角大小来表征非天然聚合物微孔膜的亲水性，其第一水接触角为40-85°，相对亲水，利于保证膜整体的复合强度，层与层之间不容易分离；同时第二外表面的粗糙度为6-12um，没有那么光滑，那么就容易触碰，和进行相应的加工处理，不容易对滤膜的过滤性能造成影响，加工处理相对容易。

作为本发明的进一步改进，所述超滤膜的厚度为150-300μm；所述超滤膜具有1K-750K的截留标准分子量；所述超滤膜的拉伸强度不低于10MPa；

在压力为0.68bar,温度为25℃的条件下，50ml水通过直径为47mm的100K滤膜所需要的时间为不大于400秒。

当膜的厚度过小时，其膜的机械强度就会较低；当膜的厚度过大时，其过滤时间就会过长，时间成本过大；本发明的滤膜由于是复合膜，其大部分区域孔径相对较大，为了保证机械性能，膜整体的厚度相对较厚，经过研究，其厚度适合为150-300μm，保证了滤膜不仅具有较高的机械强度，而且过滤时间较短，时间成本较低；本发明中超滤膜对于分子量为1kD-750kD的物质的截留效率大于90％，截留效率高，说明了膜特别适合应用于生物纯化，满足实际应用的需求；与此膜的蛋白质收率不低于90％，说明了流体中的有效物质蛋白质不容易吸附在膜上，一方面不会将膜孔堵住，保证滤膜依然具有较高的使用寿命，另一方面保证流体中的有效物质各种蛋白质的含量变化很小，蛋白质基本不会损失，经济效益有保证。评价滤膜机械强度大小的重要指标就是滤膜的拉伸强度；在一定条件下，滤膜的拉伸强度越大，也就说明了该滤膜的机械强度越好；本发明滤膜的湿拉伸强度不低于10MPa(在膜湿润条件下测得)，具有较大的拉伸强度，其机械性能较好，工业实用价值较高，完全能够满足市场需求；同时通过对滤膜进行流速测试，说明了滤膜的流速较大，过滤时间短，时间成本较低。

另一方面，本发明还提供了一种纤维素类复合超滤膜的制备方法，包括以下步骤：

S1：制备铸膜液，所述铸膜液包括下列重量份物质组成：纤维素类聚合物10-30份；极性溶剂40-60份；成孔剂20-40份；所述纤维素类聚合物为硝酸纤维素、醋酸纤维素和再生纤维素中的至少一种；所述铸膜液粘度为6000-30000cps；

S2:流延，将铸膜液流延到非天然聚合物微孔膜上形成液膜；所述非天然聚合物为砜类聚合物、尼龙和聚偏二氟乙烯中的任意一种；所述非天然聚合物微孔膜外表面的第一水接触角小于90°；

S3：分相凝固，将涂覆有液膜的微孔膜浸入凝固浴中分相固化，分相凝固持续时间为5-60s，制得成膜；所述凝固浴为水；

S4：将成膜置于氢氧化钠水溶液中进行水解，水解后清洗形成固态膜。

作为本发明的进一步改进，所述醋酸纤维素选自二醋酸纤维素、三醋酸纤维素、醋酸丁酸纤维素和醋酸丙酸纤维素中的至少一种；

所述极性溶剂为丙酮、二氧六环、二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、乙酸、丙酸、丁酸和戊酸中的至少一种

所述成孔剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇和聚乙烯醇中的至少一种。

作为本发明的进一步改进，所述微孔膜的PMI平均孔径为0.22μm-10μm；孔隙率为40-80％,厚度为80-300μm。

作为本发明的进一步改进，所述S4中氢氧化钠水溶液浓度为0.01mol/L-1mol/L之间；水解时间为40min-200min，水解温度为30℃-80℃之间。

作为本发明的进一步改进，将固态膜在碱性环境下和水溶性交联剂进行交联，交联结束后用水清洗，制得超滤膜；其中交联剂为卤代环氧化物、双卤代烷烃和双卤代醇中的至少一种；交联时间为20-400min，温度为30℃-60℃。

在制备本发明的复合膜时，先配置铸膜液，铸膜液包括成膜物质纤维素类聚合物，极性溶剂和亲水添加剂；其中纤维素类聚合物为硝酸纤维素、醋酸纤维素和再生纤维素中的至少一种，进一步的醋酸纤维素选自二醋酸纤维素、三醋酸纤维素、醋酸丁酸纤维素和醋酸丙酸纤维素中的至少一种，纤维素类聚合物由于其自身特性，其制得的滤膜亲水很强，几乎不容易吸附蛋白质，确保产物收率，因此特别适合用于生物分子的纯化；而极性溶剂为丙酮、二氧六环、二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、乙酸、丙酸、丁酸和戊酸中的至少一种，用于充分溶解纤维素类聚合物，形成均一稳定的铸膜液；成孔剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇和聚乙烯醇中的至少一种，成孔剂的加入能够有效控制体系的粘度，抑制膜在分相过程中形成大孔，还能有效提高膜流速的稳定性；此外能够大大改善成膜的亲水性，使得滤膜具有较高的亲水性，具有低蛋白吸附；通过调节纤维素类聚合物、极性溶剂和成孔剂的种类和比例，使得铸膜液具有合适的粘度，6000-30000cps，铸膜液粘度会对最终形成的滤膜的结构以及性能产生较大的影响，例如影响滤膜的孔径，厚度，流速等；从而保证了最终制得的滤膜具有合适的厚度以及理想的膜孔结构和孔径大小，继而应用于纯化生物分子；此外为了保证复合强度，部分铸膜液需要渗入基膜-非天然聚合物微孔膜中；如果铸膜液的粘度过高，那么铸膜液流动性很差，就很难渗入微孔膜中，这样复合强度就会很低，无法很难满足实际使用的需求；本发明铸膜液这样的粘度，能够确保铸膜液充分的渗入微孔膜，保证滤膜的复合强度，使得滤膜具有很强的机械性能，能够长时间高效稳定过滤流体；

配好铸膜液后，接着将铸膜液流延到非天然聚合物微孔膜上形成液膜；铸膜液可以手动流延(例如，通过手倾倒、流延或铺展在流延用表面上)或自动流延(例如倾倒或另外流延在移动床上)；多种在本领域已知的设备可以用于流延。流延设备包括，例如机械涂布器，其包括涂刀、刮刀或喷涂/增压体系。在本领域已知的，多种流延速度都是合适的，例如流延速度为约2-6英尺/分钟(fpm)等，具体流延速度视情况而定；

作为本发明的关键点之一，基材的选择是十分重要的，为了要使滤膜结合层内形成互不粘连的两种纤维，首先是要选择基材(微孔膜)的种类，因为不同种类聚合物形成的微孔膜的性质差别很大，没有任何的可比性，并且与纤维素类聚合物的相容性也存在较大的差异，经过研究发现，砜聚合物(聚醚砜、聚砜和聚芳砜中的至少一种)微孔膜，尼龙微孔膜，PVDF微孔膜这些膜作为基膜时较为合适；进一步得，需要控制基材(微孔膜)的亲水性，微孔膜需要相对亲水(外表面的第一水接触角小于90°)，这样特性的微孔膜使得铸膜液相对容易侵入微孔膜中，从而后续形成较厚的结合层，保证复合强度(本发明中由于铸膜液具有合适的粘度，当铸膜液流延到微孔膜上后，铸膜液会通过微孔膜中的孔洞，进入到微孔膜内部的部分区域内，铸膜液进入的区域我们称之为结合层，铸膜液没进入微孔膜的区域我们称之为基材层)；另一方微孔膜具有不错的亲水性，能够使得凝固浴也能较快速的进入微孔膜，从另一侧(背离空气的一侧)使得铸膜液快速分相，从而形成理想的超滤层、过渡层和结合层；即这样特性的基膜与合适的铸膜液，同时在一定的分相条件共同作用下，易于获得快流速和高机械强度的超滤膜；作为优选，我们还会控制微孔膜的PMI平均孔径、孔隙率和厚度；其中PMI平均孔径为0.22μm-10μm；孔隙率为40-80％,厚度为80-300μm，通过选择更加优异的微孔膜，进一步保证了铸膜液能够进入微孔膜内合适足够的厚度，保证成膜的复合强度，层与层之间不容易分离；同时还利于提高滤膜的流速和拉伸强度；

接着分相凝固，将涂覆有液膜的微孔膜浸入水中分相固化，分相凝固持续时间为5-60s，通过选择合适的铸膜液和合适的分相时间，使得铸膜液进行合适的分相，确保获得理想膜孔径大小的成膜

将成膜置于氢氧化钠水溶液中进行水解，水解后清洗形成固态膜；其中氢氧化钠水溶液的浓度为0.01-0.1mol/L，水解温度为30-80℃，水解时间为40-200min；水解后清洗制得固态膜；该固态膜的亲水性更好，对蛋白质的非特异性吸附更低，从而进一步提高蛋白质收率，提高经济效益；

作为优选，将水解后的固态膜放置在碱性环境下(pH为9-12)和水溶性交联剂(交联剂的浓度为5％-15％)进行交联处理，其中交联剂为卤代环氧化物、双卤代烷烃和双卤代醇中的至少一种；交联时间为20-400min，温度为30℃-60℃；在交联改性的过程中，固态膜中的羟基会与环氧、卤素等官能团发生反应，从而使膜结构机械强度更高，不容易发生溶胀，同时还使得膜的耐碱性得到提高，使用寿命更长。同时更有利于高效截留那些小分子量的生物分子(如3K，5K的生物分子)。

本发明的有益效果：本发明提供了一种纤维素类复合超滤膜，包含主体，主体的一侧表面为第一外表面，另一侧表面为第二外表面；沿流体流经方向上主体依次为超滤层、过渡层、结合层和基材层，超滤层包括第一外表面，基材层包括第二外表面，第一外表面的SEM平均孔径为1-80nm；用于高效截留1K-750K的生物分子；超滤层和过渡层由纤维素类聚合物形成，亲水性很强，不容易吸附蛋白质，保证膜孔不容易堵塞，确保产物收率；所述基材层由非天然聚合物微孔膜形成，用于起到支撑作用；在结合层内，所述纤维素类聚合物形成第一纤维，所述非天然聚合物形成第二纤维，第一纤维与所述第二纤维相互缠绕形成多孔结构，且相邻所述第一纤维与所述第二纤维之间相互分离以形成供流体通过的间隙；所述非天然聚合物为砜类聚合物、尼龙和聚偏二氟乙烯中的任意一种；间隙的存在，大大提高了滤膜的流速，保证滤膜能够快速分离纯化各种生物分子流体，经济效益高；本发明提供的制备方法，可以方便、快速、有效地制备获得上述纤维素类复合超滤膜。

附图说明

图1为实施例3制备获得的超滤膜第一外表面的扫描电镜(SEM)图，其中放大倍率为20K×；

图2为实施例3制备获得的超滤膜截面中结合层的扫描电镜(SEM)图，其中放大倍率为5K×；(其中1为第一纤维，2为第二纤维，3为结合层孔洞)

图3为实施例3制备获得的超滤膜截面中超滤层和过渡层的扫描电镜(SEM)图，其中放大倍率为20K×；

图4为实施例4制备获得的超滤膜截面中结合层的扫描电镜(SEM)图，其中放大倍率为2K×；(其中1为第一纤维，4为间隙)

图5为实施例9制备获得的超滤膜第一外表面的扫描电镜(SEM)图，其中放大倍率为50K×；

图6为对比例1制备获得的超滤膜第一外表面的扫描电镜(SEM)图，其中放大倍率为50K×；

图7为对比例1制备获得的超滤膜整体截面中结合层的扫描电镜(SEM)图，其中放大倍率为500×；

图8为实施例1制备获得的超滤膜截面中结合层的扫描电镜(SEM)图，其中放大倍率为5K×。

具体实施方式

为了更清楚的阐释本申请的整体构思，下面以实施例的方式进行详细说明。如未特殊说明，在下述实施例中，制备滤膜所用的原料及设备均可通过商业途径购得。其中，采用日立公司提供的型号为S-5500的扫描电镜对滤膜的结构形貌进行表征。

实施例1

一种纤维素类复合超滤膜的制备方法，包括以下步骤：

S1：制备铸膜液，铸膜液包括下列重量份物质组成：二醋酸纤维素18份；极性溶剂丙酮48份；成孔剂聚乙烯醇30份；铸膜液粘度为18000cps；

S2:流延，将铸膜液流延到非天然聚合物微孔膜上形成液膜；非天然聚合物为PES；微孔膜的PMI平均孔径为2μm，厚度为220μm；

S3：分相凝固，将涂覆有液膜的微孔膜浸入凝固浴水中分相固化，分相凝固持续时间为30s，制得成膜；

S4：将成膜置于浓度为0.1mol/L的氢氧化钠水溶液中进行水解，水解时间为120min，水解温度为60℃，水解后清洗形成固态膜。

实施例2

一种纤维素类复合超滤膜的制备方法，包括以下步骤：

S1：制备铸膜液，铸膜液包括下列重量份物质组成：三醋酸纤维素20份；极性溶剂二氧六环50份；成孔剂聚乙烯吡咯烷酮32份；铸膜液粘度为22000cps；

S2:流延，将铸膜液流延到非天然聚合物微孔膜上形成液膜；非天然聚合物为PVDF；微孔膜的PMI平均孔径为4μm，厚度为220μm；

S3：分相凝固，将涂覆有液膜的微孔膜浸入凝固浴水中分相固化，分相凝固持续时间为32s，制得成膜；

S4：将成膜置于浓度为0.1mol/L的氢氧化钠水溶液中进行水解，水解时间为140min，水解温度为60℃，水解后清洗形成固态膜。

实施例3

一种纤维素类复合超滤膜的制备方法，包括以下步骤：

S1：制备铸膜液，铸膜液包括下列重量份物质组成：三醋酸纤维素22份；极性溶剂二甲基乙酰胺52份；成孔剂聚乙二醇34份；铸膜液粘度为24000cps；

S2:流延，将铸膜液流延到非天然聚合物微孔膜上形成液膜；非天然聚合物为PES；微孔膜的PMI平均孔径为2.5μm，厚度为240μm；

S3：分相凝固，将涂覆有液膜的微孔膜浸入凝固浴水中分相固化，分相凝固持续时间为38s，制得成膜；

S4：将成膜置于浓度为0.2mol/L的氢氧化钠水溶液中进行水解，水解时间为160min，水解温度为65℃，水解后清洗形成固态膜。

由附图2可知，在结合层内，第一纤维与所述第二纤维相互缠绕形成多孔结构，且相邻所述第一纤维与所述第二纤维之间相互分离以形成供流体通过的间隙，保证了滤膜具有较快的流速，快速纯化相应流体，并且使滤膜具有较高的弹性模量，弹性较好；同时第一纤维和第二纤维具有合适的粗细，保证了滤膜的复合强度和拉伸强度；保证滤膜能够长时间高效过滤流体。

实施例4

一种纤维素类复合超滤膜的制备方法，包括以下步骤：

S1：制备铸膜液，铸膜液包括下列重量份物质组成：二醋酸纤维素24份；极性溶剂N-甲基吡咯烷酮54份；成孔剂聚乙烯醇36份；铸膜液粘度为26000cps；

S2:流延，将铸膜液流延到非天然聚合物微孔膜上形成液膜；非天然聚合物为尼龙；微孔膜的PMI平均孔径为5μm，厚度为240μm；

S3：分相凝固，将涂覆有液膜的微孔膜浸入凝固浴水中分相固化，分相凝固持续时间为40s，制得成膜；

S4：将成膜置于浓度为0.2mol/L的氢氧化钠水溶液中进行水解，水解时间为180min，水解温度为65℃，水解后清洗形成固态膜。

由附图4可知，在结合层内，相邻所述第一纤维与所述第二纤维之间相互分离以形成供流体通过的间隙，保证了滤膜具有较快的流速，快速纯化相应流体，并且使滤膜具有较高的弹性模量，弹性较好。

实施例5

一种纤维素类复合超滤膜的制备方法，包括以下步骤：

S1：制备铸膜液，铸膜液包括下列重量份物质组成：硝酸纤维素26份；极性溶剂乙酸56份；成孔剂聚乙烯吡咯烷酮38份；铸膜液粘度为28000cps；

S2:流延，将铸膜液流延到非天然聚合物微孔膜上形成液膜；非天然聚合物为PVDF；微孔膜的PMI平均孔径为6μm，厚度为250μm；

S3：分相凝固，将涂覆有液膜的微孔膜浸入凝固浴水中分相固化，分相凝固持续时间为48s，制得成膜；

S4：将成膜置于浓度为0.3mol/L的氢氧化钠水溶液中进行水解，水解时间为100min，水解温度为55℃，水解后清洗形成固态膜。

实施例6

一种纤维素类复合超滤膜的制备方法，包括以下步骤：

S1：制备铸膜液，铸膜液包括下列重量份物质组成：醋酸丁酸纤维素28份；极性溶剂丙酸58份；成孔剂聚乙二醇40份；铸膜液粘度为30000cps；

S2:流延，将铸膜液流延到非天然聚合物微孔膜上形成液膜；非天然聚合物为尼龙；微孔膜的PMI平均孔径为8μm，厚度为260μm；

S3：分相凝固，将涂覆有液膜的微孔膜浸入凝固浴水中分相固化，分相凝固持续时间为58s，制得成膜；

S4：将成膜置于浓度为0.5mol/L的氢氧化钠水溶液中进行水解，水解时间为80min，水解温度为45℃，水解后清洗形成固态膜。

实施例7

一种纤维素类复合超滤膜的制备方法，包括以下步骤：

S1：制备铸膜液，铸膜液包括下列重量份物质组成：硝酸纤维素16份；极性溶剂丁酸46份；成孔剂聚乙二醇28份；铸膜液粘度为15000cps；

S2:流延，将铸膜液流延到非天然聚合物微孔膜上形成液膜；非天然聚合物为PVDF；微孔膜的PMI平均孔径为1.5μm，厚度为200μm；

S3：分相凝固，将涂覆有液膜的微孔膜浸入凝固浴水中分相固化，分相凝固持续时间为25s，制得成膜；

S4：将成膜置于浓度为0.08mol/L的氢氧化钠水溶液中进行水解，水解时间为120min，水解温度为55℃，水解后清洗形成固态膜。

实施例8

一种纤维素类复合超滤膜的制备方法，包括以下步骤：

S1：制备铸膜液，铸膜液包括下列重量份物质组成：醋酸丙酸纤维素15份；极性溶剂戊酸44份；成孔剂聚乙烯醇26份；铸膜液粘度为12000cps；

S2:流延，将铸膜液流延到非天然聚合物微孔膜上形成液膜；非天然聚合物为PES；微孔膜的PMI平均孔径为1μm，厚度为200μm；

S3：分相凝固，将涂覆有液膜的微孔膜浸入凝固浴水中分相固化，分相凝固持续时间为20s，制得成膜；

S4：将成膜置于浓度为0.06mol/L的氢氧化钠水溶液中进行水解，水解时间为100min，水解温度为50℃，水解后清洗形成固态膜。

实施例9

一种纤维素类复合超滤膜的制备方法，包括以下步骤：

S1：制备铸膜液，铸膜液包括下列重量份物质组成：二醋酸纤维素14份；极性溶剂丙酮42份；成孔剂聚乙烯吡咯烷酮24份；铸膜液粘度为10000cps；

S2:流延，将铸膜液流延到非天然聚合物微孔膜上形成液膜；非天然聚合物为PES；微孔膜的PMI平均孔径为0.5μm，厚度为180μm；

S3：分相凝固，将涂覆有液膜的微孔膜浸入凝固浴水中分相固化，分相凝固持续时间为15s，制得成膜；

S4：将成膜置于浓度为0.05mol/L的氢氧化钠水溶液中进行水解，水解时间为80min，水解温度为45℃，水解后清洗形成固态膜。

实施例10一种纤维素类复合超滤膜的制备方法，包括以下步骤：

S1：制备铸膜液，铸膜液包括下列重量份物质组成：三醋酸纤维素12份；极性溶剂二氧六环40份；成孔剂聚乙烯吡咯烷酮22份；铸膜液粘度为8000cps；

S2:流延，将铸膜液流延到非天然聚合物微孔膜上形成液膜；非天然聚合物为PES；微孔膜的PMI平均孔径为0.22μm，厚度为160μm；

S3：分相凝固，将涂覆有液膜的微孔膜浸入凝固浴水中分相固化，分相凝固持续时间为8s，制得成膜；

S4：将成膜置于浓度为0.03mol/L的氢氧化钠水溶液中进行水解，水解时间为60min，水解温度为40℃，水解后清洗形成固态膜。

S5：将水解后的固态膜放置在pH＝10的碱性环境下和水溶性交联剂进行交联，交联结束后进行清洗得到超滤膜；其中交联剂为环氧氯丙烷，水溶液中交联剂浓度为10％，交联时间为150min，温度为45℃。

对比例1：将实施例1中的PES微孔膜替换成UPE微孔膜，其余条件不变，进行制备，制得相应超滤膜，通过用扫描电镜对滤膜的结构形貌进行表征，得到附图6-8；通过附图8可知，在膜截面结合层内，纤维素聚合物形成的纤维和UPE形成的纤维会相互粘连在一起，从而导致了膜通量大大降低。

对比例2：将实施例1中的亲水PES微孔膜替换成疏水PES微孔膜，即疏水PES微孔膜外表面的第一水接触角大于90°，本发明中约为100°；其余条件不变，进行制备，制得相应超滤膜；在进行制备过程中，由于微孔膜很疏水，那么水就不容易进入微孔膜中，从而帮助铸膜液进行分相；那么就导致超滤膜的过渡层内膜孔孔径过大且结合层内没有形成理想的第一纤维，继而使得膜整体机械性能过低，没有实用性。

对比例3：将实施例1铸膜液中二醋酸纤维素质量份从18份替换成35份，那么铸膜液粘度从18000cps变为35000cps，同时PES微孔膜PMI平均孔径从2um调整为0.1um,其余条件不变，进行制备，制得相应超滤膜；在进行制备过程中，由于铸膜液很粘稠，流动性很差，同时PES微孔膜的孔径很小，从而导致铸膜液无法几乎无法深入到微孔膜中，无法形成本发明所需要的结合层，更不会出现较厚的结合层，继而使得膜整体机械性能过低，没有实用性。

一：结构表征

用扫描电镜对各实施例所获得的滤膜的膜结构进行形貌表征，然后获得所需数据；具体结果如下表：

表1：第一外表面上的相应特征

表2-超滤层和过渡层的相应特征

表3-结合层的相应特征

表4-第二外表面上的相应特征和膜厚度

由表1-4可知，实施例1-10制得的纤维素类复合超滤膜，均具有理想的膜结构，其第一外表面上具有合适的孔径，适宜截留不同分子量(1-750K)的生物分子，从而进行各种生物分子的纯化；在结合层内，纤维素类聚合物形成的第一纤维和非天然聚合物形成的第二纤维相互缠绕形成多孔结构，且相邻第一纤维与第二纤维之间相互分离以形成供流体通过的间隙，大大提高了膜整体的过滤速度(流速较快)，降低了传质阻力，同时使得滤膜具有不错的弹性模量；进一步通过调节结合层的厚度、第一纤维和第二纤维的粗细确保膜整体具有较高的复合强度和拉伸强度，使得滤膜能够长时间高效过滤。

性能特征

过滤精度测试：对各示例所得滤膜进行拦截效率的测试；其中：实施例1和实施例2截留的物质的分子量为100K；实施例3和实施例4截留的物质的分子量为300K；实施例5截留的物质的分子量为500K；实施例6截留的物质的分子量为750K；实施例7截留的物质的分子量为50K；实施例8截留的物质的分子量为30K；实施例9截留的物质的分子量为10K；实施例10截留的物质的分子量为3K；

流速测试：在一定压力下，在25℃温度下，50ml试验液去离子水经过直径为47mm的滤膜所需要的实际；其中实施例1-6和对比例1的压力为0.68bar；实施例7-10的压力为3.8bar；具体测试结果为下表：

本发明实施例1-10制得的纤维素类复合超滤膜以切向流过滤的方式纯化各种生物分子；其截流分子量为3K-750K，其截留效率均大于90％，确保能够高效截留各种分子量的生物分子；同时经过流速测试(实施例1与对比例1相比)，该膜具有较快的流速，即能够快速过滤含生物分子的流体，经济效益高。

进一步对实施例1制得的复合膜进行测试，让实施例1制得的复合膜对以浓度为0.2％BSA溶液进行分离纯化，经过连续1小时的纯化后；再以去离子水作为测试进行流速测试，发现所需时间250s,其流速基本无变化，依然较快；

此外经过拉伸测试，本发明实施例1-10制得的纤维素类复合超滤膜的湿拉伸强度均不低于10MPa，机械性能高，加工实用性强；以此同时对实施例1-4和实施例10进行弹性模量测试(用万能拉力试验机进行测试)，发现其弹性模量均大于200MPa,具有较强的弹性，耐溶胀，即使经过较长的时间的过滤，膜片依然完好，依然能高效过滤各种流体；实施例10可用于纯化含有胰岛素的流体，从而获得高浓度胰岛素；

此外经过蛋白质收率测试(可以根据中国CN201010154974.7-超多孔膜及其制备方法中所使用的蛋白质收率测试方法进行测试，也可以用其他方法进行测试)，滤膜的蛋白质收率均大于90％，同时能够得到较高的蛋白质收率，经济效益高。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (20)

1.一种纤维素类复合超滤膜，包含主体，所述主体内具有非定向曲折通路，所述主体的一侧表面为第一外表面，另一侧表面为第二外表面，其特征在于：

沿流体流经方向上所述主体依次为超滤层、过渡层、结合层和基材层，所述超滤层包括第一外表面，所述基材层包括第二外表面；所述第一外表面的SEM平均孔径为1-80nm；且所述第一外表面的SEM平均孔径小于第二外表面的SEM平均孔径；

所述超滤层和过渡层由纤维素类聚合物形成，所述基材层由非天然聚合物微孔膜形成；所述结合层包括纤维素类聚合物和非天然聚合物；

在结合层内，所述纤维素类聚合物形成第一纤维，所述非天然聚合物形成第二纤维，所述第一纤维与所述第二纤维相互缠绕形成多孔结构，且相邻所述第一纤维与所述第二纤维之间相互分离以形成供流体通过的间隙；

所述非天然聚合物为砜类聚合物、尼龙和聚偏二氟乙烯中的任意一种。

2.根据权利要求1所述的一种纤维素类复合超滤膜，其特征在于：所述结合层的厚度不低于5μm；所述第二纤维的SEM平均直径小于所述第一纤维的SEM平均直径，且不低于第一纤维SEM平均直径的10％；所述第一纤维的SEM平均直径不低于所述结合层SEM平均孔径的20％。

3.根据权利要求1所述的一种纤维素类复合超滤膜，其特征在于：所述结合层的厚度为15-150μm；所述结合层厚度为膜整体厚度的10％-80％。

4.根据权利要求1所述的一种纤维素类复合超滤膜，其特征在于：所述第一纤维的SEM平均直径为0.5-10μm，所述第二纤维SEM平均直径与所述第一纤维SEM平均直径之比为0.15-0.45；所述第一纤维SEM平均直径与所述结合层SEM平均孔径之比为0.25-0.7。

5.根据权利要求1所述的一种纤维素类复合超滤膜，其特征在于：所述第一纤维与所述第二纤维之间的间隙的SEM平均距离为0.1-4μm；且所述间隙的平均距离与所述第二纤维的SEM平均直径之比不低于0.4。

6.根据权利要求1所述的一种纤维素类复合超滤膜，其特征在于：

所述间隙的SEM平均距离与所述结合层的SEM平均孔径之比为0.1-0.6；

所述间隙的SEM平均距离与所述第二纤维SEM平均直径为0.5-5。

7.根据权利要求1所述的一种纤维素类复合超滤膜，其特征在于：

所述超滤层厚度和所述过渡层厚度之和为1-30μm；所述第一外表面的第一水接触角比第二外表面的第一水接触角小20°-60°。

8.根据权利要求1所述的一种纤维素类复合超滤膜，其特征在于：所述第一外表面的第一水接触角为15°-40°，粗糙度为0.1-3μm；所述第一外表面的孔洞面积率为1％-10％。

9.根据权利要求1所述的一种纤维素类复合超滤膜，其特征在于：

所述超滤层厚度为0.1-5μm；所述超滤层内具有形成多孔结构的超滤纤维，所述超滤纤维的SEM平均直径为25-65nm。

10.根据权利要求1所述的一种纤维素类复合超滤膜，其特征在于：所述过渡层厚度为0.5-28μm，所述过渡层厚度为超滤层厚度的1.5-10倍；且所述过渡层厚度为结合层厚度的0.05-0.5倍。

11.根据权利要求9所述的一种纤维素类复合超滤膜，其特征在于：所述过渡层内具有形成多孔结构的支撑纤维，所述支撑纤维的SEM平均直径为30-95nm；所述支撑纤维的SEM平均直径与所述超滤纤维的SEM平均直径之比为1.1-2；所述超滤纤维SEM平均直径与第二纤维SEM平均直径之比为8％-30％。

12.根据权利要求1所述的一种纤维素类复合超滤膜，其特征在于：所述过渡层的SEM平均孔径为100-1000nm；所述过渡层的SEM平均孔径与结合层的SEM平均孔径之比为0.04-0.4。

13.根据权利要求1所述的一种纤维素类复合超滤膜，其特征在于：在过渡层内，膜孔洞SEM平均孔径从靠近第一外表面一侧区域向靠近结合层一侧区域连续梯度变大；所述过渡层内SEM平均孔径变化梯度为50-500nm/1μm。

14.根据权利要求1所述的一种纤维素类复合超滤膜，其特征在于：所述第二外表面的SEM平均孔径为0.5-20μm；所述第二外表面的第一水接触角为40°-85°，粗糙度为6-12μm。

15.根据权利要求1所述的一种纤维素类复合超滤膜，其特征在于：

所述超滤膜的厚度为150-300μm；所述超滤膜具有1K-750K的截留标准分子量；所述超滤膜的拉伸强度不低于10MPa；

在压力为0.68bar,温度为25℃的条件下，50ml水通过直径为47mm的100K滤膜所需要的时间为不大于400秒。

16.如权利要求1-15所述的一种纤维素类复合超滤膜的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：制备铸膜液，所述铸膜液包括下列重量份物质组成：纤维素类聚合物10-30份；极性溶剂40-60份；成孔剂20-40份；所述纤维素类聚合物为硝酸纤维素、醋酸纤维素和再生纤维素中的至少一种；所述铸膜液粘度为6000-30000cps；

S2:流延，将铸膜液流延到非天然聚合物微孔膜上形成液膜；所述非天然聚合物为砜类聚合物、尼龙和聚偏二氟乙烯中的任意一种；所述非天然聚合物微孔膜外表面的第一水接触角小于90°；

S3：分相凝固，将涂覆有液膜的微孔膜浸入凝固浴中分相固化，分相凝固持续时间为5-60s，制得成膜；所述凝固浴为水；

S4：将成膜置于氢氧化钠水溶液中进行水解，水解后清洗形成固态膜。

17.根据权利要求16所述的一种纤维素类复合超滤膜的制备方法，其特征在于：

所述醋酸纤维素选自二醋酸纤维素、三醋酸纤维素、醋酸丁酸纤维素和醋酸丙酸纤维素中的至少一种；

所述极性溶剂为丙酮、二氧六环、二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、乙酸、丙酸、丁酸和戊酸中的至少一种；

所述成孔剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇和聚乙烯醇中的至少一种。

18.根据权利要求16所述的一种纤维素类复合超滤膜的制备方法，其特征在于：

所述微孔膜的PMI平均孔径为0.22μm-10μm；孔隙率为40-80％,厚度为80-300μm。

19.根据权利要求16所述的一种纤维素类复合超滤膜的制备方法，其特征在于：

所述S4中氢氧化钠水溶液浓度为0.01mol/L-1mol/L之间；水解时间为40min-200min，水解温度为30℃-80℃之间。

20.根据权利要求16所述的一种纤维素类复合超滤膜的制备方法，其特征在于：

将固态膜在碱性环境下和水溶性交联剂进行交联，交联结束后用水清洗，制得超滤膜；其中交联剂为卤代环氧化物、双卤代烷烃和双卤代醇中的至少一种；交联时间为2-40min，温度为30℃-80℃。

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