综述：中空纤维膜内通过非溶剂诱导相分离的持续相分离过程

本综述深入探讨了非溶剂诱导相分离（NIPS）技术制备中空纤维膜过程中，残余溶剂（如Polarclean）对膜结构稳定性与性能演化的关键影响。研究揭示了残余溶剂如何驱动膜孔持续相分离与结构演变，并提出了通过优化清洗策略（如使用CaCl2/甲醇混合溶液）有效抑制孔塌陷、提升水通量（达290 LMH/bar）和维持截留率（BSA rejection >99.9%）的创新方法。

　　

1. 引言

在众多制备多孔结构的技术中，非溶剂诱导相分离（NIPS）因其简单、成本低、可扩展性强且能灵活调控多孔形态，始终是最广泛应用的方法。其核心优势在于能够形成具有致密表层和高孔隙亚层的不对称结构，从而为超滤、纳滤及气体分离等过程提供可调节的选择性与渗透性。在NIPS过程中，基础聚合物溶解于绿色溶剂Polarclean中，该溶剂源自可再生资源，对聚合物溶解度高且环境友好。随后，溶液被铸成薄膜或纤维并浸入非溶剂（通常是水）浴中，相分离随即发生，溶剂与非溶剂分子交换导致聚合物沉淀并形成固化的多孔基质。传统热力学理论认为，膜形态由三元体系（聚合物/溶剂/非溶剂）的相行为及溶剂/非溶剂交换过程中的传质动力学共同决定。近年来，人工智能与分子模拟程序的结合显示出预测膜孔结构及解决残余溶剂挑战（尤其在气体分离膜中）的潜力。

然而，尽管这一理论框架被广泛接受，预测与实测膜结构之间仍存在显著差距。许多基于NIPS的研究假定膜形态在浸入非溶剂凝固浴的初始相分离后即被“锁定”，但这一假设忽略了初始混合阶段后可能持续发生的结构演化，特别是当体系穿越三元相图中的旋节分解区时。实际上，溶剂与非溶剂的组成梯度常沿膜厚度方向持续存在，并伴随孔径、孔隙率和厚度等几何参数的变化。这些梯度可驱动持续的相分离、孔重排甚至随时间推移的致密化。当残余溶剂被困于聚合物基质内时，该效应尤为显著，从而促进长期的形态转变。

因此，这种时间依赖现象对形态稳定性的传统假设提出了挑战，表明膜结构可能在初始相转化阶段后继续演化。这种演化可受后处理过程（如干燥或热退火）以及储存或操作条件的影响。例如，已有研究探讨了残余溶剂对用于气体分离的致密膜的影响，强调溶剂残留如何增加链迁移率、改变自由体积和传输特性。尽管这些研究聚焦于非多孔体系，但它们通过证明溶剂残留可根本改变聚合物堆叠和长期稳定性，突出了其广泛影响。相比之下，我们前期的研究表明，多孔膜的热暴露可导致表面孔扩张或塌陷，这是由残余溶剂诱导的聚合物链迁移率、自由体积及相分离动力学在后处理甚至整个使用过程中的变化所驱动。值得注意的是，当残余溶剂含量超过通过玻璃化转变温度变化可检测的500 ppm阈值时，这些结构变化变得明显。

这引出了一个根本性问题：实现形态稳定性所需的最佳清洗时间是多少，以确保无残余溶剂引起的进一步结构变化？为解决这一科学问题，本研究旨在通过影响形态稳定性和机械性能，阐明残余溶剂保留与膜性能之间的动态关系。通过一系列针对性实验，我们试图验证这一假说，并提出通过更精确控制或完全消除残余溶剂含量来增强膜功能的有效策略。

2. 材料与方法

2.1. 材料

聚醚砜（PES, 6020级）购自巴斯夫（德国）。Polarclean（甲基-5-二甲基氨基-2-甲基-D-氧代戊酸酯）取自索尔维公司（比利时）。牛血清白蛋白（BSA, 68 kDa）购自西格玛奥德里奇（美国）。分子量为3、10和70 kDa的荧光标记葡聚糖取自默克（美国）。磷酸盐缓冲盐水（PBS）溶液购自赛默飞（美国）。实验所用水均为双蒸水。甲醇、乙醇、异丙醇、甘油和氯化钙由杜山化学（韩国）提供。

2.2. 中空纤维膜的制备

中空纤维膜采用干-湿纺丝技术制备。PES颗粒最初在80°C对流烘箱中干燥7天以去除残留水分。然后将干燥的聚合物溶解于Polarclean中，并在80°C下于密封的纺丝液罐中剧烈搅拌48小时。为确保彻底脱气，在混合过程中采用真空泵，维持约7 Torr的真空压力。溶解后，纺丝液通过90 μm孔径的在线过滤器以去除灰尘和其他颗粒。

在纺丝过程中，纺丝液通过齿轮泵输送至喷丝头（内径：600 μm；外径：1200 μm），同时使用HPLC泵（UI-22系列，日本）供应芯液。纺丝在5 cm空气隙下以干-湿条件进行。所有管道和喷丝头均使用数字温控器在50°C下进行热调节。为控制孔径分布，第一凝固浴使用冷却系统（Hyundai-R407C，韩国）精确管理。随后，第二和第三清洗浴使用数字加热系统加热。最后，膜使用定制自动清洗机进行清洗。为调节膜，制备的纤维在各种时间和温度条件下在对流烘箱中干燥。

2.3. 表征

使用傅里叶变换红外（FT-IR）光谱仪（PerkinElmer Spectrum Two，美国）配备通用ATR附件（Parker，美国）分析中空纤维膜中残留溶剂的存在。为量化残留溶剂量，将各种条件下制备的膜样品（1 g，切成3 mm长度）浸入蒸馏水（1 g）中，并在80°C下储存24小时。随后，使用紫外-可见分光光度计（VC Science Ubi-490，韩国）测量释放到水中的残留溶剂浓度。对于浓度低于0.5 wt%的样品，在220 nm记录吸光度，而对于高于0.5 wt%的样品，在280 nm进行测量。收缩率（%收缩率 = (1 – L₁/L₀) × 100）通过测量膜在90°C干燥3小时前后的长度（L₀和L₁）来确定，使用激光扫描仪（Gogetor 3D Smart Sensor，德国）和分辨率为0.01 mm的游标卡尺（Mitutoyo，日本）。干燥膜的机械性能，包括拉伸强度和断裂伸长率，使用万能拉伸试验机（Model LT-500，韩国）进行评估。测试在室温下以5 mm·min^?1的十字头速度进行，标距（夹距）为30 mm。

此外，使用定制系统测量水接触角，该系统由30号喷嘴和高精度微量注射泵（KD Scientific，美国）组成。将直径约0.5 mm的水滴分配并沉积在中空纤维膜表面。使用ImageJ软件基于数字显微镜图像确定静态接触角。接触角测量在五个不同位置重复进行，并报告平均值。另外，使用场发射扫描电子显微镜（Hitachi 4400，日本）在5 kV下进行形态分析。截面样品用液氮制备以保持结构完整性，随后溅射涂覆5 nm厚的铂层（Q300T，美国）以诱导充电用于电子散射成像。为观察孔径分布，我们开发了一种新方法，即使用荧光技术（Leica, Stellaris 5）与荧光标记的10 kDa葡聚糖。此外，孔隙率通过重量法使用以下方程确定：孔隙率 = [ (m_w - m_d) / ρ_w ] / [ (m_w - m_d) / ρ_w + m_d / ρ_p ] × 100%，其中m_w和m_d分别为湿膜和干膜的重量，ρ_w和ρ_p分别为水（1 g/cm³）和聚合物（1.37 g/cm³）的密度。每个样品进行三次测量取平均值。

2.4. 膜性能

膜在70%相对湿度和22°C温度的室中受控条件下干燥3天。为比较干燥条件，某些样品在90°C对流烘箱中干燥3小时。将中空纤维膜（有效长度：30 cm）用环氧树脂封装到管式模块（1/4英寸管）中。在性能评估之前，每个膜使用由外向内流动配置用去离子水清洗一小时。固有水渗透性（J_w, L·m^?2·h^?1·bar^?1）使用以下方程计算：J_w = V_f / (A_s · Δt · P)，其中V_f表示渗透溶液的体积，A_s代表膜的有效表面积，P是压力，Δt表示时间间隔。为计算膜的有效表面积（A_s, m²），使用以下方程：A_s = L × D × π，其中L表示有效长度，D代表纤维的外径。在相同操作条件（20°C, 1 bar, 50 mL/min进料流速）下使用不同分子量的模型溶质进行截留实验：荧光标记葡聚糖（3、10和70 kDa）和牛血清白蛋白（BSA, 68 kDa）。每种溶质在磷酸盐缓冲盐水（PBS, pH 7.4）中制备为0.2 wt%浓度。测试期间，进料溶液在渗透取样前循环通过模块30分钟以确保稳态操作。使用紫外-可见分光光度计（Ubi-490，韩国）定量进料（C_f）和渗透物（C_p）中的溶质浓度。对于BSA，在280 nm测量吸光度，而葡聚糖浓度使用各自的荧光信号确定。

截留率（R, %）计算为：R = (1 - C_p/C_f) × 100。截留测量从最低分子量溶质开始顺序进行至较高分子量，每次测试持续一小时。截留实验完成后，膜在环境条件下干燥，并进一步使用共聚焦显微镜分析孔结构。

3. 结果与讨论

3.1. 残留溶剂的表征

残留溶剂长期以来一直是制药、半导体和医疗行业的关键问题。为实现完全去除，已探索了多种策略，包括溶剂交换和汽化技术。本研究中，使用了备受关注的绿色溶剂Polarclean。然而，由于其高沸点（~280°C），热蒸发不切实际，使得与水或其他有机溶剂的溶剂交换成为首选方法。尽管气相色谱广泛用于检测残留溶剂，但在本研究特定条件下显示出局限性。

FT-IR光谱突出了关键官能团。Polarclean在1670 cm^?1处有强烈的C=O基团峰。这些峰被观察到直至链迁移率，对应残留Polarclean浓度低于FT-IR检测限约1000 ppm，使得进一步检测不可行。据报道，使用紫外光谱检测甲醛的检测限（LOD）约为1 ppm。为验证紫外检测对Polarclean的适用性，在水中构建了校准曲线。尽管分辨率在浓度低于0.01 wt%（100 ppm）时开始偏差，但仍可在更低水平检测到Polarclean的存在。因此，从这一点开始，使用紫外光谱法进行残留溶剂定量。

水在PES膜表面的接触角逐渐减小，与残留的Polarclean（一种高度水混溶溶剂）的存在相关。这一趋势反映了Polarclean的极性特征促进了与水的界面相容性，降低了固-液界面张力，从而促进了更好的润湿行为。PES膜的机械性能受残留Polarclean溶剂的显著影响。随着清洗时间的增加，杨氏模量急剧上升，表明聚合物基质的刚性和刚性增强。此行为归因于Polarclean赋予的增塑效应的逐渐消除。在早期阶段，残留溶剂分子充当内部增塑剂，破坏聚合物链堆叠并增加链段迁移率。这些效应增加链迁移率，增强灵活性但通过破坏链堆叠减少内聚力。这导致较低刚度（杨氏模量）并增加灵活性。随着溶剂被去除，链更紧密地堆叠，恢复内聚力并增加刚性。相比之下，断裂伸长率随清洗时间持续下降，表明延展性和灵活性降低。Polarclean的缺失限制了链迁移率和弹性变形，使膜在拉伸应力下更易脆性失效。

溶剂交换速率本质上与膜的微观结构相关，由孔隙率、曲折度和扩散收缩因子等关键参数控制。因此，残留溶剂含量高度依赖于膜的结构属性，特别是其渗透路径。为进一步验证这些几何约束的影响，我们设计了一系列具有不同孔径的中空纤维膜，利用制造过程中的动力学相分离效应。插图显示了使用分子量截留（MWCO）方法获得的孔径分布。在该方法中，MWCO指被膜以至少90%效率保留的葡聚糖溶质的分子量，如插图中的水平线所示。基于葡聚糖的流体动力学半径——对于3、10和70 kDa分别约为1.13 nm、1.8 nm和3.8 nm。数据表明，平均孔径随第一凝固浴温度升高而增加。比较分析显示，在相同清洗持续时间下，具有较小平均孔径的膜保留较高浓度的Polarclean，暗示孔径与溶剂保留效率之间存在相关性。因此，该数据验证了这些几何约束对残留溶剂的影响。

揭示了一个超出经典相分离动力学的关键影响。传统上，聚合物膜中的孔隙率由热力学和动力学相分离的组合控制，由浸入过程中良溶剂和非溶剂之间的交换引发。随着聚合物固化形成的空位空间转化为永久孔，其尺寸和分布由初始纺丝液组成决定。然而，我们的数据揭示了一个与这种传统理解有趣的偏差：即使在低残留Polarclean浓度下，计算玻璃化转变温度超过环境条件，膜的孔隙率继续演化。这表明相分离的表观完成不足以实现结构稳定。这一发现具有显著意义：它挑战了膜形成在浸入和固化时最终确定的假设，强调了严格溶剂去除对确保孔隙率可靠性和可重复性的关键需求。此外，结构稳定的最小有效残留溶剂浓度可能因表面和内部孔几何形状及固有聚合物性质而异。

膜收缩特别是在长度和直径上，由与残留溶剂含量相关的微观变化驱动。虽然直径变化最小，这归因于中空纤维膜固有的拱形结构增强，有效抵抗沿径向轴的内塌陷。相比之下，纵向收缩更为明显，并与孔隙率减少的趋势平行，突出了沿纤维纵向的显著结构敏感性。此外，干燥温度起着关键作用，因为快速溶剂蒸发增强毛细管诱导塌陷。较高温度加速水去除，放大纳米级孔内的毛细管压力，进而促进孔变形和结构收缩。然而，在受控实验条件下，收缩率随干燥时间增加并最终达到稳定状态平台， beyond which further shrinkage is minimal。这种稳态行为与残留溶剂浓度强烈相关，强调了溶剂在维持结构开放性的关键作用。

重要的是，这些结果表明孔塌陷甚至可以在非常低的残留Polarclean水平（< 0.05 wt%）下发生，挑战了结构完整性仅通过完成相分离过程即可确保的传统假设。塌陷的阈值进一步受孔几何形状、聚合物分子特性和干燥动力学的影响，表明在膜工程中需要更细微地控制后处理过程。

3.2. 残留溶剂对膜性能的影响

在清洗过程中，当存在过量水时，它渗透多孔结构并替换残留溶剂直至达到平衡。之后，为防止孔变形或结构改变，快速固化是有利的。根据菲克第一扩散定律，水扩散速率随温度指数增加。因此，升高的浴温促进更快扩散并促进固化过程。说明了三个浴温下水通量随清洗时间的变化。水通量随温度和持续时间显著变化。如前所述，孔隙率在整个清洗过程中演化，表明水通量应随延长清洗而增加。这一期望与在25°C的观察一致。然而，在60°C，水通量最初上升，然后下降，最终达到稳态。在90°C，整个过程观察到水通量减少，表明复杂的热驱动动力学。

提出了多孔介质中溶剂扩散的两个主导模型。对于较大孔，扩散由粘性流模型控制，这取决于溶剂的粘度和温度。在小于2 nm的孔中（与如水（0.275 nm）和Polarclean（1.1 nm）等分子大小相当），分子解吸和吸附主导扩散过程。在这种小孔 regime中，传输由表面相互作用而非体流驱动，附加因素如弯月面曲率和孔限制影响过程。

Polarclean显示出280°C的高沸点，显著高于水（100°C）。这种显著差异表明，在小孔内，水可能蒸发而不被Polarclean替换，基于开尔文方程。该方程预测，由于表面曲率，小孔内液体的蒸气压低于体液中的蒸气压，使得溶剂难以重新进入孔。结果，在溶剂交换过程中，水可以更容易地从孔空间蒸发，而残留的Polarclean保持被困。这种现象因降低的表面润湿性而加剧，这阻碍了小孔中液相溶剂的交换。此外，接触角测量表明，在去除残留溶剂后表面变得 increasingly hydrophobic。 thereby, 荧光成像进一步揭示了与初始状态相比孔尺寸的减少。这种多孔结构的 tightening 意味着，在高温条件和存在残留溶剂的情况下，孔可能塌陷或变得堵塞。这种形态变化可能 critically 影响扩散路径和整体清洗效率。

在60°C，观察到的水通量超过在25°C测量的。这种增强可能归因于微观区域内发生的相分离，这可能诱导孔径增加。然而，如果残留溶剂在此过程中被困在孔内，它可能 destabilize 孔结构，导致部分塌陷。这种结构妥协随后导致水通量减少，尽管最初增加。

3.3. 膜的性能增强

为防止介孔材料在清洗过程中结构塌陷，必须在残留溶剂完全去除之前保持表面润湿性。一种增强润湿性的策略是降低所用非溶剂的表面张力。在本研究中，使用了四种醇。强调相互作用半径是有效去除残留溶剂的关键因素。在测试的醇中，甘油表现出最大的相互作用半径（R_a）。然而，用甘油清洗的膜显示出最低的水通量和最高的残留溶剂含量。这可归因于甘油的高粘度，限制了扩散速率，从而阻碍了溶剂交换效率。相比之下，较低粘度的醇如甲醇（MeOH）、乙醇（EtOH）和异丙醇（IPA）具有相似的表面张力，但MeOH具有最大的相互作用半径和其中最低的粘度。这允许更有效地去除Polarclean。然而，甲醇的低沸点可能在清洗初始阶段当残留溶剂浓度仍高时导致孔塌陷。

基于理解，我们提出了一种 practical 方法来通过减轻孔塌陷和增强孔连通性来提高膜性能。一种有效策略是在溶剂交换步骤期间提高清洗温度。较高温度不仅降低溶剂和非溶剂体系的粘度，而且增强分子迁移率，从而加速扩散速率并促进更有效地去除残留溶剂。这种更快的交换速率同时有助于提高生产吞吐量。在清洗早期阶段，当残留溶剂含量高时，膜表面表现出较低的接触角，表明较高的润湿性。这种有利的润湿条件允许非溶剂完全渗透并与整个内部孔表面相互作用，支持孔结构的开放和稳定。然而，随着残留溶剂逐渐被提取，表面能平衡发生变化，接触角开始增加。换句话说，润湿性降低，并且去湿区可能出现，特别是在较小孔或具有疏水聚合物表面时。这些去湿区可能产生不利的毛细管力，将孔壁拉在一起，最终导致孔塌陷并显著降低水通量。为防止清洗过程中孔塌陷，我们在非溶剂体系中引入了氯化钙（CaCl₂）。CaCl₂提高溶液的沸点，延迟蒸发并维持孔润湿。它增强非溶剂与聚合物基质之间的相互作用，其吸湿性 retain 水 within the pores，防止快速干燥和毛细管驱动的孔塌陷。与甘油和其他盐如NaCl或KCl相比，CaCl₂更有效 due to its higher hygroscopic capacity，确保干燥过程中更好的膜稳定性而无从浸出到渗透物的污染风险。CaCl₂，高度水溶性，可在用去离子水后冲洗期间轻松去除，减少保留在聚合物基质中的风险。（在特定时间点测量渗透水的电导率并确认无CaCl₂残留。）相比之下，润湿剂如甘油更难消除并可能增加废水的化学需氧量。用含CaCl₂的非溶剂清洗的膜的水通量与单独使用甲醇实现的水通量相当。将CaCl₂浓度增加至20 wt%导致水通量 substantial 增强，达到 up to 290 LMH/bar。重要的是，BSA截留率在所有测试条件下 consistently 高 at 99.9%，表明膜选择性在清洗过程中得以保留。

这些结果验证了我们的假设，即控制清洗溶液的物理化学性质如沸点、粘度、润湿性和相互作用半径可以有效减轻结构塌陷并增强膜性能。因此，通过仔细调整溶剂交换速率并确保整个清洗过程中足够的润湿性，可以在不损害膜分离能力的情况下增加水通量和溶剂去除效率。尽管我们的调查是在有限的一组条件下进行的，但观察到的趋势清楚地表明，具有较小孔径的膜更易发生结构变形，特别是在存在残留溶剂的情况下。这种脆弱性源于较小孔中增加的毛细管压力和表面能效应的更大影响。因此，对清洗参数的精确控制对于具有细孔隙率的膜以保持结构完整性和性能尤为关键。

4. 结论

这项工作突出了微相分离对通过非溶剂诱导相分离制备的中空纤维膜中孔演化的关键影响。尽管初始固化，但由残留溶剂驱动的结构转变可能导致孔塌陷，特别是在高溶剂负载和升高温度下。我们的结果支持控制残留溶剂含量对膜稳定性和性能至关重要。通过实施由甲醇、水和CaCl₂组成的定制清洗溶液，膜的结构稳定性得以保留，同时显著增强水通量并维持截留性能。CaCl₂提供的高沸点允许热处理促进孔扩张而非塌陷。这些发现强调了在后处理过程中管理残留溶剂动力学的重要性，并通过受控孔形态工程为设计高性能膜开辟了新途径。