一次性輸液/注器具用PVDF 空氣過濾膜材料（一）：疏水性能研究

王建華 浙江紡織服裝職業(yè)技術學院 寧波市先進紡織技術與服裝CAD 重點實驗室 （寧波 315211）

空氣過濾器是一次性輸液/注器具不可或缺的重要配件[1～3]，一方面負責阻斷空氣中的各類顆粒性物質以及可能攜帶的細菌病毒等進入藥液威脅人體安全；另一方面保持輸液器內的壓力，維持輸液的順利進行。多種因素（如空氣環(huán)境、人流量、醫(yī)院管理、室外急救等）共同作用的輸液空氣環(huán)境對輸液的安全性有著重要的影響[4～7]。已有報道證實，空氣中的顆粒物，可通過進氣管進入藥液，不同的空氣環(huán)境，藥液中的不溶液性顆粒物相差20 多倍[8]。同時，輸液過程需要醫(yī)護人員進行護理，尤其是在流行性疾病高發(fā)季節(jié)，護理工作極其繁重[9]。綜合以上多方面因素，醫(yī)護過程對空氣過濾器的核心部件——膜提出了更高的要求，需要具有：良好的透氣性、截留性、高阻水壓、表面強疏水[10]和不粘水等特征。一片高性能的空氣過濾膜對減輕護理工作、保障輸液過程順利進行和患者安全方面起著至關重要的作用。本研究擬從材料學角度對一種新型聚偏氟乙烯（PVDF）空氣過濾膜的疏水性能進行研究，考察不同測試條件對其疏水性能的影響。PVDF 為線形結晶性聚合物，高鍵能的氟碳鏈使其具有優(yōu)良的化學穩(wěn)定性、力學性能、耐熱性能和高疏水性等特征[11～14]，是一種理想的醫(yī)用材料。

1.材料與方法

1.1 材料

聚偏氟乙烯（PVDF）空氣過濾膜，寧波聿豐新材料科技有限公司；生理鹽水；10%葡萄糖注射液；雙蒸水（自制）。

1.2 測試儀器與表征方法

1.2.1 阻水壓力測試：參照YY0770.2—2009。浸泡實驗：用不銹鋼夾將膜片垂直放入15～20cm（膜片上端靜水壓15cm 水柱，下端靜水壓20cm 水柱）的溶液中進行浸泡，一段時間后取出測量膜片增重并計算增重百分比，計算公式為(W1–W0)/W0×100%，其中W0和W1分別為浸泡前和后膜片的重量。

1.2.3 膜表面的疏水性能由接觸角儀(OCA20，Dataphysics，Germany)測定。水滴體積為7μL，每個樣品測量五次后取平均值。

1.2.4 通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡對過濾膜的表面微觀形貌進行觀察。用導電雙面膠將干燥的膜樣品固定在SEM 樣品臺上，在ETD-2000 鍍金儀中進行噴金80s，隨后在Hitachi S-4800 型場發(fā)射掃描電子顯微鏡下觀察膜的表面形貌。

2.結果與討論

2.1 PVDF 過濾膜的表面接觸角

材料表面的疏水性一般采用表面接觸角進行表征，所測接觸角越大則表明此材料表面疏水性越強。當采用6μl 及以下水滴時，由于膜表面極地的低表面能，水滴無法脫離出水針頭，最后只能選用7μl 水滴對PVDF 過濾膜表面的接觸角進行表征，結果如圖1 所示。7μl 水滴存在較為明顯的變形，但膜的兩個表面接觸角仍能接近150?，表現出很強的疏水性能。

2.2 PVDF 過濾膜的疏水性能

圖1. PVDF 過濾膜表面的接觸角（20?C）

圖2. 水溫對阻水壓力的影響關系圖

圖3. 溶液對最大阻液壓力的影響關系圖（30?C）

根據標準，疏水性能是評價過濾膜材料的重要指標之一，并以阻水壓進行表示。對此，我們首先對PVDF 過濾膜的阻水壓進行考察。一方面，考慮到在醫(yī)療護理和救助過程中，其環(huán)境溫度一般是不固定的，會受多種因素影響，如季節(jié)、溫度調節(jié)設備和室內外等因素。另一方面，溫度變化也會對水的表面張力、粘度和密度等物理性能產生重大影響，尤其是表面張力會明顯影響到過濾材料的疏水性能。我們在不同水溫、15KPa 水壓和15mins 的作用時間對過濾膜進行檢測，未見液體滲漏跡象，可以判斷過濾膜的疏水性能能夠達到標準要求。膜的兩個表面略有差異，約在1KPa 以內。另外，我們將水溫作為變量，考察過濾膜的最大阻水壓與溫度的關系，結果如圖2 所示。從圖2 中可以得出：過濾膜具有優(yōu)異的疏水性能，最大阻水壓最低約為28KPa，且隨著水溫的升高，過濾膜的阻水壓逐漸降低。由10?C 時的30KPa 以上降低到28KPa 左右，下降幅度約為3KPa。其原因可歸結為：隨著溫度的升高水的表面張力降低，導致膜的阻水壓降低。

2.3 溶液組成對PVDF 過濾膜疏水性能的影響

在實際輸液過程中，大多使用生理鹽水、葡萄糖水和兩種混合溶液進行藥物輸注，因此考察不同溶液對過濾材料的疏水性影響是十分必要的，結果如圖3 所示。鹽和糖的加入使膜的阻液壓力提升，并且隨著鹽和糖濃度的提高而增加，其中以NaCl 最為明顯。由于鹽糖1:1 混合溶液中鹽和糖的濃度均低于各自混合前濃度，其阻液壓力介于兩者之間，但仍高于純水。所用的過濾膜未改變，只是改變了液體組成就能夠明顯影響到膜的疏水性能，其原因可歸結為：鹽和糖的加入能夠提高水的表面張力，使得膜的阻液壓力提升。由此推測：加入可以提高水表面張力的藥物，有利于膜的阻液性能；相反，會使膜的阻液性能表現不佳，尤其是加入使水表面張力降低過多的藥物和溫度較高季節(jié)時，易出現“合格產品”的“漏液不合格”現象。

2.4 PVDF 過濾膜的耐液浸泡性能

輸液過程往往需要較長時間才能結束，過濾膜的長久長效的阻液性能尤為重要。本文采用將過濾膜在20cm 深的液體中浸泡數小時后膜的增重情況來考察過濾膜的長時間耐液浸泡性能。浸泡后將膜取出發(fā)現：膜表面會有分散的小液珠粘附，并且浸泡溫度越低、時間越短，粘附的水珠越少。相同溫度、時間和壓力下，從膜的增重情況可以得到：（1）浸泡4h 后，過濾膜表面幾乎無粘附情況，其增重比例接近于0，基本在稱量誤差左右；（2）浸泡17h 后，鹽糖混合溶液的增重比例較單獨是鹽和糖溶液時高；（3）過濾膜表面拭干后，即使浸泡19h 膜幾乎無增重；（4）在使用水作為測試液體時，由于水的表面張力比其他鹽糖及其混合液表面張力低，浸泡17h 后會有少量水進入膜基體內部，其增重比例約為8%。而短時浸泡4h 時，性能表現與鹽和糖溶液相當，并未有水進入膜基體內部。由此可見，以上分析結果與圖1 和2 所示結果相一致?？梢耘袛噙^濾膜具有優(yōu)異的超疏水和低粘附性能，受氣層的保護液體很難進入膜基體內部或將膜表面潤濕。取出后，由于表面張力的作用使液體成單獨的小球狀分散并少量粘附在膜表面，不會對過濾膜孔造成嚴重堵塞而影響透氣性能。

2.5 PVDF 過濾膜的表面形貌

超疏水性，一方面依賴于材料表面的化學組成—疏水性基團；另一方面依賴于材料表面的仿生結構——微納米結構。我們對膜進行SEM 表征，如圖4 所示，可以清晰的看到：支撐纖維表面具有納米尺度的小凸起，且其余部分為PVDF 所填充并具有同樣的微納米結構。這兩方面共同作用賦予了過濾膜優(yōu)良的超疏水性能。而其表面的豐富的多孔結構，必將提供良好的透氣性能和截留性能，這些性能將在后續(xù)的工作中進行研究。

圖4. PVDF 過濾膜的表面形貌

3.結論

通過測試表明，由于膜表面的低表面能和特殊的微納米結構賦予PVDF 過濾膜優(yōu)異的疏水性能和長久耐液浸泡性能，40?C 時最低阻水壓力約為28KPa，遠遠高于標準YY0770.2—2009 最低15KPa 的要求。這些性能大大提高了過濾膜的環(huán)境適應性，為安全、順利、高效輸液提供了保障。

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