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Smartmembranes智能膜Concepts所谓智能（intelligent）或灵巧或机敏（smart）材料是Perception能感知外部刺激（传感功能）、Treatment能判断并适当处理（处理功能）Functionalization且本身可执行（执行功能）的材料。它的特点—其本身特性可随环境和空间而变化。Concepts智能膜材(Smartmembranes)是智能材料的一种，即以膜的形式对环境进行感知、响应、且具有功能发现能力的膜用材料。Classification1．ByMaterial:naturalmaterialmembranes;syntheticmaterialmembranes(inorganicandpolymermembranes)2．Byapplicationpurpose:可分为用于分离的分离膜、用于识别的传感器膜、用于药物释放的微胶囊膜等。Classification3．Byrespondtoenvironment:ThermosensitivemembranespHsensitivemembranesElectricfieldsensitivemembranesLight-sensitivemembranes………………………..温度敏感膜是指当高分子膜所处的环境温度发生变化时，膜的形状、渗透速率等随之发生敏锐响应，即突跃性变化的分离膜。表现在膜的吸水量或吸溶剂量在某一温度有突发性变化，膜的溶胀比，即吸水量与干膜质量的比在这一温度会突然变化。此温度称为:最低临界溶解温度（LCST）。1.Thermosensitivemembranes1.Thermosensitivemembranes聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAAm）是最常用的温敏高分子。PNIPAm在32℃显示LCST，当低于32℃时，它在水中溶解，32℃附近则急剧凝聚而析出。也就是说，在32℃附近它可以响应很小的温度变化而迅速产生亲水性和疏水性结构的转变，表现为分子链的伸展与折叠。利用这一特性，PNIPAm及其共聚、接枝聚合物等可被广泛用于温度敏感分离膜材。pH敏感膜是指膜的体积以及膜的渗透速率能随环境pH、离子强度变化的分离膜。由于pH敏感膜材中含有大量易水解或质子化的酸碱基团〔如羧基、氨基〕，因此，膜的形状会随溶液的pH值变化而改变，从而影响介质的渗透能力。目前，许多物质可用来制备pH敏感膜，如聚丙烯酸、壳聚糖、聚乙烯基吡啶等。2.pHsensitivemembranesForexample:在中性pH值环境下，聚丙烯酸接枝链上的羧基离解并带负电荷，电荷之间的静电斥力使聚合链伸展而关闭膜孔，相反地，在葡萄糖存在的情况下，GOD催化葡萄糖氧化为葡萄糖酸，膜周围pH值下降、使接枝链上羧基质子化，聚丙烯酸侧链间静电斥力下降，接枝链变成卷曲状而使膜孔开启。电场敏感膜是指膜的特性受电场影响而改变的高分子分离膜。如交联的聚电解质，分子链上带有可离子化基团的凝胶。3.Electricfieldsensitivemembranes光敏感膜是由于光辐射（光刺激）使膜材发生体积相转变从而改变膜的通透性能的高分子分离膜。紫外光辐射时，膜材中的光敏感基团发生光异构化、光解离，因基团构象和偶极距变化而使膜材形状改变。4.LightsensitivemembranesMembranepreparation智能膜的制备方法表面改性基体聚合等离子体臭氧处理光引发辐射电引发热引发辐射ATRP表面改性是采用表面涂覆、表面处理、表面接枝等方法对膜改性，该技术的特点是不改变膜本体的结构和性质，只改善膜表面性质，赋予膜智能性。首先通过一定方法使膜材料基体产生自由基，然后与具有智能性的单体共聚得到共聚物，再由该共聚物的溶液通过相转移制备智能膜。相对于未改性膜，共聚智能膜的本体和表面性质均发生了变化。Membranepreparation1、SurfaceCoating表面涂覆是将具有智能性的高分子溶液通过涂覆或浸泡的方法涂覆在膜表面，使膜显示智能性。涂覆层易从表面脱落，改性效果持久性差。如在PVDF表面涂覆壳聚糖制备pH响应性复合膜。Membranepreparation2、Surfacegraftmodification表面接枝主要原理是通过等离子体、辐照、光等引发手段在膜表面形成活性中心，再从该活性中心出发引发其它单体在膜表面进行接枝聚合改性。表面接枝改性的特点是改性发生在膜表面层的几个纳米之内，不影响材料本体的性质，接枝的高分子链与膜表面之间的化学键结合使得效果更持久，也可赋予膜表面以接枝聚合物链的性质。Membranepreparation(1)Plasma利用等离子体表面接枝来改性，首先是通过辉光放电或电晕放电的方法在膜表面形成活性自由基，然后由所形成活性自由基引发不饱和烃类单体的聚合。褚良银等用等离子体接枝聚合法将PNIPAAm接枝到PVDF膜的膜孔表面上，研究了接枝PNIPAAm温度敏感智能膜的制备方法，并且通过水通量实验、扩散实验等对其进行了温度敏感性能测试。Membranepreparation(2)Electroinitiated电引发法制备智能膜是在氮气保护下将微孔膜用电子加速器处理，在膜表面产生活化的中心，再将微孔膜浸没在所要接枝的单体溶液中进行聚合反应。Satu等利用这种方法制备了阳离子交换膜，并讨论了接枝率和环境对带有阳离子基团的药物进行分离的影响。Membranepreparation(3)Irradiation辐射接枝改性的特点是接枝反应的温度较低，可在常温下反应，对环境无污染，后处理简单等。高能射线可以有着与催化剂相同的作用，使引发剂在膜表面的分子链上形成自由基活性中心，此活性中心就能引发不饱和的烯烃等聚合单体在膜表面上进行接枝聚合。刘崎等用γ辐射接枝的方法，将PNIPAAm接枝到PVDF微孔膜上。通过接触角、电导和水通量等测试研究发现接枝后膜表面的亲水性得到明显的改善，同时接枝膜具有明显的温敏性能。Membranepreparation(4)Photo-initiation光引发接枝尤其是紫外光引发接枝是除等离子体，高能射线外的又一种可在聚合物表面形成有机活性中心，从而引发聚合物表面接枝聚合改性的技术。其特点是易测量控制，产物纯净，能在较低温度下进行，是一种广泛应用的表面改性基本方法。Membranepreparation(5)Alkalitreatment(6)Thermalinitiation(7)ATRP---原子转移自由基聚合法AtomTransferRadicalPolymerization，ATRP是以简单的有机卤化物为引发剂、过渡金属配合物为卤原子载体，通过氧化还原反应，在活性种与休眠种之间建立可逆的动态平衡，从而实现了对聚合反应的控制。常用的基膜膜材料有，聚酯（PET）、聚丙烯（PP）、聚乙烯醇（PVA）、聚偏氟乙烯（PVDF）等。其中，PVDF是作为智能膜基膜最常见的一种材料。聚偏氟乙烯（PVDF）具有良好的化学稳定性、热稳定性和机械强度，是一种综合性能良好的分离膜材料，可通过相转变法制备成不同结构的微孔膜，在众多有机高分子膜材料中成为佼佼者，已经形成了一系列的PVDF分离膜。ApplicationSeparation智能释放系统，可以对诸如pH值，基质，二价离子，温度、光及电场作出响应。这种响应系统是将丙烯酸、N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAAm）及多官能团单体直接进行均聚或共聚形成高分子膜或者将单体以浸渍或喷雾的方法涂敷至微孔PET薄膜上，然后以γ-射线或紫外光辐照引发单体混合物在膜孔壁上接枝成一水凝胶层。这一水凝胶层可以响应外界环境的变化，成为微孔内“传感-促动”阀门，控制微孔的开闭。因此，当待分离混合物通过凝胶膜时，借助外界环境的改变来调节孔径大小，从而达到分离不同物质的目的。ApplicationSeparation硅/弹性蛋白多肽(ELPs)混合膜也是一种温度敏感膜。ELPs在水溶液中具有较低临界溶解温度，将其掺杂到含水硅胶中仍然保留LCST特性，可以利用这种LCST转变来控制硅/ELPs混合膜的渗透性。若选用两种分子量不同，LCST不同的ELPs(60和13kDa)进行比较，发现ELPs在离心和超滤膜中充当了分子开关，当温度低于ELPs的LCST时，所有聚乙二醇(PEG)样品水溶液，无论其分子量为多大，都无法透过这种复合膜；而当温度高于ELPs的LCST时，分子量低于5000Da的PEG样品水溶液能够透过复合膜，分子量高的PEG仍无法透过。所以这种含有ELPs的复合膜可以通过改变其渗透性的“开”“关”状态实现对不同分子量物质的选择过滤.ApplicationSensor感应元件广泛应用于生产工艺控制、环境监测等方面。传感器是将外界的某种物理量或化学量转换为电信号进行检测的仪器或装置。它通常由敏感元件、转换元件及相应的机械结构和电子线路所组成。传感器按检测对象划分，可分为物理传感器和化学传感器。以光、声、力等物理量为检测对象的称为物理传感器，而将各种化学物质的浓度转化为电信号的称为化学传感器。从20世纪60年代起，化学传感器领域又增加了一个新的分支—生物传感器，它是用固定化的生物体成分如酶、抗原、抗体、激素或生物体本身如细胞、组织作为敏感元件的传感器。ApplicationGasSensor利用一种类型的气敏传感器可以检测某一类特定性质的气体。如利用丙烯—丁烯共聚物敏感膜元件，就是利用其与有害气体如甲苯、二甲苯、乙二醚、氯仿等有相似溶解参数的性质，将其浇注在石英振片表面制的气体传感器的。用CA和钌联吡啶（一种荧光指示剂）配合物作敏膜，将其溶液滴于光纤传感器感端面，可以制备光纤氧气传感器。利用荧光物质的荧光强度或寿命与氧气浓度的关系可以实现对氧气浓度的检测ApplicationHumiditySensor利用环境中水蒸气量的多少引起膜内吸水量增减，从而使离子电导率随之变化。如聚苯乙烯磺酸铵吸水后会电离而使膜内可移动H+数量增加，并参与导电。湿度越高、电阻越小，由此可测定环境湿度。如一种聚电解质凝胶湿度敏感膜，主要成分VBC和DAEMA。将其涂敷在梳状电极上制成的湿度传感器具有以下性质：当湿度从30%RH——90%RH变化时，其阻抗从560KΩ变至3.4KΩ；温度从5℃——45℃时，其温度系数从-0.94%RH/℃变为-0.86%RH/℃；当湿度从33%RH——94%RH变化时，响应时间为59s。ApplicationTasteSensor味觉由酸味、咸味、甜味、苦味、鲜味等五种基本物质组成。酸味由氢离子引起，如盐酸、氨基酸、柠檬酸等等；咸味主要是由NaCl引起的；甜味主要是由蔗糖、葡萄糖等引起；苦味是由奎宁-咖啡因等引起的；鲜味是由海藻中的谷氨酸单钠、鱼和肉中的肌苷酸二钠、蘑菇中的钨苷酸二钠等引起的。在味觉系统中，舌头表面味蕾上的味觉细胞的生物膜可以感受味觉。味觉物质被转换为信号，经神经纤维传至大脑，这样我们就感受到了味觉。Application味觉传感器的一种有效的方法是使用类似于生物系统的材料作传感器的敏感膜。当类脂薄膜的一侧与味觉物质接触时，膜两侧的电势将发生变化，从而对味觉物质产生响应，且可检测出各种味觉物质之间的相互关系，并具有类似于生物味觉感受的相同方式，即具有仿生性。ApplicationTasteSensor味觉传感器可以对许多化学物质有敏感性，可以检测出水的软硬度及其中是否含有有害物质。目前，味觉传感器主要用于对食物味道的量化和对水质量的评定，以及将其和电子鼻的集成化应用于更广泛的领域。不久的将来，味觉传感器可能会应用于水质环境检测，及对工厂排水污染物的检测。ApplicationDrugcontrolrelease长期以来，医药界一直希望能找到一种方法，可以在需要的时候将需要的药物量投入至需要的人体器官。利用智能型高分子可以实现对病灶周围的温度、化学环境等异常变化自动感知，自动释放所需量的药物。当身体正常时，药物控释系统恢复原来的状态，重新抑制释放。微囊膜因其