一次性输液/注器具用PVDF 空气过滤膜材料（一）：疏水性能研究

王建华 浙江纺织服装职业技术学院 宁波市先进纺织技术与服装CAD 重点实验室 （宁波 315211）

空气过滤器是一次性输液/注器具不可或缺的重要配件[1～3]，一方面负责阻断空气中的各类颗粒性物质以及可能携带的细菌病毒等进入药液威胁人体安全；另一方面保持输液器内的压力，维持输液的顺利进行。多种因素（如空气环境、人流量、医院管理、室外急救等）共同作用的输液空气环境对输液的安全性有着重要的影响[4～7]。已有报道证实，空气中的颗粒物，可通过进气管进入药液，不同的空气环境，药液中的不溶液性颗粒物相差20 多倍[8]。同时，输液过程需要医护人员进行护理，尤其是在流行性疾病高发季节，护理工作极其繁重[9]。综合以上多方面因素，医护过程对空气过滤器的核心部件——膜提出了更高的要求，需要具有：良好的透气性、截留性、高阻水压、表面强疏水[10]和不粘水等特征。一片高性能的空气过滤膜对减轻护理工作、保障输液过程顺利进行和患者安全方面起着至关重要的作用。本研究拟从材料学角度对一种新型聚偏氟乙烯（PVDF）空气过滤膜的疏水性能进行研究，考察不同测试条件对其疏水性能的影响。PVDF 为线形结晶性聚合物，高键能的氟碳链使其具有优良的化学稳定性、力学性能、耐热性能和高疏水性等特征[11～14]，是一种理想的医用材料。

1.材料与方法

1.1 材料

聚偏氟乙烯（PVDF）空气过滤膜，宁波聿丰新材料科技有限公司；生理盐水；10%葡萄糖注射液；双蒸水（自制）。

1.2 测试仪器与表征方法

1.2.1 阻水压力测试：参照YY0770.2—2009。浸泡实验：用不锈钢夹将膜片垂直放入15～20cm（膜片上端静水压15cm 水柱，下端静水压20cm 水柱）的溶液中进行浸泡，一段时间后取出测量膜片增重并计算增重百分比，计算公式为(W1–W0)/W0×100%，其中W0和W1分别为浸泡前和后膜片的重量。

1.2.3 膜表面的疏水性能由接触角仪(OCA20，Dataphysics，Germany)测定。水滴体积为7μL，每个样品测量五次后取平均值。

1.2.4 通过场发射扫描电子显微镜对过滤膜的表面微观形貌进行观察。用导电双面胶将干燥的膜样品固定在SEM 样品台上，在ETD-2000 镀金仪中进行喷金80s，随后在Hitachi S-4800 型场发射扫描电子显微镜下观察膜的表面形貌。

2.结果与讨论

2.1 PVDF 过滤膜的表面接触角

材料表面的疏水性一般采用表面接触角进行表征，所测接触角越大则表明此材料表面疏水性越强。当采用6μl 及以下水滴时，由于膜表面极地的低表面能，水滴无法脱离出水针头，最后只能选用7μl 水滴对PVDF 过滤膜表面的接触角进行表征，结果如图1 所示。7μl 水滴存在较为明显的变形，但膜的两个表面接触角仍能接近150˚，表现出很强的疏水性能。

2.2 PVDF 过滤膜的疏水性能

图1. PVDF 过滤膜表面的接触角（20˚C）

图2. 水温对阻水压力的影响关系图

图3. 溶液对最大阻液压力的影响关系图（30˚C）

根据标准，疏水性能是评价过滤膜材料的重要指标之一，并以阻水压进行表示。对此，我们首先对PVDF 过滤膜的阻水压进行考察。一方面，考虑到在医疗护理和救助过程中，其环境温度一般是不固定的，会受多种因素影响，如季节、温度调节设备和室内外等因素。另一方面，温度变化也会对水的表面张力、粘度和密度等物理性能产生重大影响，尤其是表面张力会明显影响到过滤材料的疏水性能。我们在不同水温、15KPa 水压和15mins 的作用时间对过滤膜进行检测，未见液体渗漏迹象，可以判断过滤膜的疏水性能能够达到标准要求。膜的两个表面略有差异，约在1KPa 以内。另外，我们将水温作为变量，考察过滤膜的最大阻水压与温度的关系，结果如图2 所示。从图2 中可以得出：过滤膜具有优异的疏水性能，最大阻水压最低约为28KPa，且随着水温的升高，过滤膜的阻水压逐渐降低。由10˚C 时的30KPa 以上降低到28KPa 左右，下降幅度约为3KPa。其原因可归结为：随着温度的升高水的表面张力降低，导致膜的阻水压降低。

2.3 溶液组成对PVDF 过滤膜疏水性能的影响

在实际输液过程中，大多使用生理盐水、葡萄糖水和两种混合溶液进行药物输注，因此考察不同溶液对过滤材料的疏水性影响是十分必要的，结果如图3 所示。盐和糖的加入使膜的阻液压力提升，并且随着盐和糖浓度的提高而增加，其中以NaCl 最为明显。由于盐糖1:1 混合溶液中盐和糖的浓度均低于各自混合前浓度，其阻液压力介于两者之间，但仍高于纯水。所用的过滤膜未改变，只是改变了液体组成就能够明显影响到膜的疏水性能，其原因可归结为：盐和糖的加入能够提高水的表面张力，使得膜的阻液压力提升。由此推测：加入可以提高水表面张力的药物，有利于膜的阻液性能；相反，会使膜的阻液性能表现不佳，尤其是加入使水表面张力降低过多的药物和温度较高季节时，易出现“合格产品”的“漏液不合格”现象。

2.4 PVDF 过滤膜的耐液浸泡性能

输液过程往往需要较长时间才能结束，过滤膜的长久长效的阻液性能尤为重要。本文采用将过滤膜在20cm 深的液体中浸泡数小时后膜的增重情况来考察过滤膜的长时间耐液浸泡性能。浸泡后将膜取出发现：膜表面会有分散的小液珠粘附，并且浸泡温度越低、时间越短，粘附的水珠越少。相同温度、时间和压力下，从膜的增重情况可以得到：（1）浸泡4h 后，过滤膜表面几乎无粘附情况，其增重比例接近于0，基本在称量误差左右；（2）浸泡17h 后，盐糖混合溶液的增重比例较单独是盐和糖溶液时高；（3）过滤膜表面拭干后，即使浸泡19h 膜几乎无增重；（4）在使用水作为测试液体时，由于水的表面张力比其他盐糖及其混合液表面张力低，浸泡17h 后会有少量水进入膜基体内部，其增重比例约为8%。而短时浸泡4h 时，性能表现与盐和糖溶液相当，并未有水进入膜基体内部。由此可见，以上分析结果与图1 和2 所示结果相一致。可以判断过滤膜具有优异的超疏水和低粘附性能，受气层的保护液体很难进入膜基体内部或将膜表面润湿。取出后，由于表面张力的作用使液体成单独的小球状分散并少量粘附在膜表面，不会对过滤膜孔造成严重堵塞而影响透气性能。

2.5 PVDF 过滤膜的表面形貌

超疏水性，一方面依赖于材料表面的化学组成—疏水性基团；另一方面依赖于材料表面的仿生结构——微纳米结构。我们对膜进行SEM 表征，如图4 所示，可以清晰的看到：支撑纤维表面具有纳米尺度的小凸起，且其余部分为PVDF 所填充并具有同样的微纳米结构。这两方面共同作用赋予了过滤膜优良的超疏水性能。而其表面的丰富的多孔结构，必将提供良好的透气性能和截留性能，这些性能将在后续的工作中进行研究。

图4. PVDF 过滤膜的表面形貌

3.结论

通过测试表明，由于膜表面的低表面能和特殊的微纳米结构赋予PVDF 过滤膜优异的疏水性能和长久耐液浸泡性能，40˚C 时最低阻水压力约为28KPa，远远高于标准YY0770.2—2009 最低15KPa 的要求。这些性能大大提高了过滤膜的环境适应性，为安全、顺利、高效输液提供了保障。

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