将聚合物聚醚砜 (PES) 微滤膜转变为高度亲水且紧密的膜结构

  在绿色功能化膜解决方案的背景下，利用植物衍生的纳米级纤维素材料（纤维素纳米纤维，CNF）定制水净化膜的用途不断受到关注。然而，大多数现有的基于可再生和生物基材料的方法都缺乏高效且可扩展的加工策略。在这里，我们介绍了一种基于薄亚微米纳米纤维素涂层（400-800 纳米）的卷对卷膜改性方法，使用与现有工业生产线兼容的单元操作来制造具有尺寸和电荷依赖性选择性的防生物污染膜。我们利用铸造或喷涂方法施加薄且耐水的纤维素纳米纤维层，将商用聚合物聚醚砜 (PES) 微滤膜转变为高度亲水且紧密的膜结构。纳米纤维素涂层膜的水渗透率为 80 – 100 LMH/MPa，对细胞色素 C 的最高截留率 90%。此外，纳米纤维素层可承受相比来说较高的 1 MPa 过滤压力，表明所选的改善机械完整性的程序（即聚乙烯亚胺锚定和酸诱导 CNF 交联）是成功的。具有最薄纳米纤维素层的涂层膜对带负电的聚苯乙烯磺酸盐的分子量截止 (MWCO) 为 2 kDa，对中性葡聚糖的分子量截止 (MWCO) 为 14 kDa，表明具有电荷选择性行为。能得出结论，我们的纳米纤维素涂层 PES 膜代表纳滤膜和超滤膜的下限，有着非常明显的抗生物污染性能，这直接通过系统的牛血清白蛋白 (BSA) 吸附研究得到证实。我们的方法为可调和可持续的水处理技术铺平了道路，同时为膜领域的新型生物基解决方案开辟了空间。

  除了作为许多合成聚合物材料的可再生和生物基替代品外，胶体纳米纤维素（纤维素纳米晶体（CNC）、纤维素纳米纤维（CNF）、纤维素微纤维（CMF））还具有一系列独特的特性，例如大表面积、纳米孔/微孔精细结构和与水的有趣相互作用（例如高吸湿性），使其与许多其他具有可比纵横比和机械性能的纳米级材料区别开来。此外，干燥后，CNF 的纳米纤维网络具有通过众多表面羟基之间的强相互作用形成紧密的纳米/微孔膜状结构的内在趋势。根据最近的文献记载，这些特性为纳米纤维素颗粒提供了多种机会，可用作膜构建块和活性成分，例如在水净化和有机溶剂过滤中。此外，最近还引入了具有高亲水性的纳米结构膜作为新兴的水处理材料。

  聚合物聚醚砜 (PES) 微滤 (MF) 和超滤 (UF) 膜大范围的使用在生物医学和生命科学应用，以去除小颗粒、蛋白质和微生物。尽管它们表现出出色的氧化和耐热性以及良好的机械性能，但它们容易因蛋白质和细菌的吸附而产生污垢。这会导致更高的能量需求、更短的膜寿命和不可预测的分离性能。最近，提出了两种利用 CNC 或 TEMPO 氧化纤维素纳米纤维 (T-CNF) 来改善 PES 膜的抗生物污染性能的方法。研究人员在实验室规模上在 PES 微滤膜上涂覆薄 T-CNF 或 CNC 层。T-CNF涂层表现出明显的抗生物污垢特性和对细菌定植的高抵抗力，而CNC涂层则通过促进细菌的粘附而表现出完全相反的行为。此外，大肠杆菌细胞能够降解 CNC 层 - 在考虑特定应用的膜改性时，这是一个高度相关的发现。研究人员将 CNCs 与 PES 混合，生产出具有改进的抗菌和抗微生物性能的纳米复合膜，并且认为抗生物污染特性是纳米复合共混物及其与聚羟基胺调理的协同结果。受我们之前在商用 PES 微滤膜上使用薄纳米纤维素涂层来提高抗生物污染性能的经验的鼓舞，我们引入了一种卷对卷膜改性策略，使用与工业生产线兼容的单元操作来生产和定制具有尺寸和电荷依赖性选择性的抗生物污染 PES 膜（图 1）。

  图 1. 用来生产纳米纤维素涂层 PES 膜的试验线和单元操作的工艺流程图。

  目前，大多数基于纳米纤维素的涂层、薄膜或膜改性策略都是基于实验室规模或材料的批量生产，尽管印刷和造纸公司第一先考虑基于纳米纤维素的涂层而不是合成涂层。将实验室规模的方法转移到连续生产线通常被认为是一项重大挑战，这反映在只有有限数量的方法尝试转化为工业上可行的单元操作。已经开发出可扩展的、无有机溶剂的纳米纤维素薄膜制备方法，并能进一步对薄膜进行表面改性，例如在水介质中，以满足诊断等领域的有关要求，并进一步定制亲水/疏水平衡和水透过薄膜的渗透性。与 CNF 涂层相关的一个主要挑战是即使在低固体含量（5%）下，悬浮液也具有高粘度和屈服应力。研究人员率先开发了一种用于纸板基材上水性 CNF 悬浮液的连续卷对卷涂布工艺。他们使用定制的槽几何形状来克服高粘度引起的问题，并利用微纤维化纤维素悬浮液（MFC）的剪切稀化行为，同时使用中试工艺涂覆各种纸基基材。我们注意到，基材的表面化学组成、表面能、粗糙度、孔隙率和吸水能力对涂层性能和最终质量有很大影响。在中试规模中采用不一样的方法，采用泡沫涂层在纤维基材上涂上一层薄薄的 CNF，以修饰表面。所有上述涂层研究都提出了亲水表面的形成，并且一般来说，由于干燥时的氢键，亲水性促进了涂层和纤维基基材之间的粘附，这似乎是主要的相互作用机制。此外，亲水表面使纳米纤维素悬浮液能够均匀铺展。在这项工作中，我们介绍了一种基于铸造或喷涂的中试规模涂层工艺。该工艺将水性 CNF 悬浮液涂覆在聚合物 PES 膜上，采用增加膜亲水性的策略，以确保底层 PES 膜和薄 CNF 涂层之间拥有非常良好的兼容性和高粘附性。

  研究人员最近的研究表明，纳米纤维素基膜材料的主要挑战在于几十微米厚的纳米纤维素层的紧密纳米级结构导致的低水渗透性。此外，对于薄的亚微米纳米纤维素涂层，要实现纳米纤维素层与基底之间的界面强度和粘附性以及 CNF 层足够的湿强度，通常无法在实际操作条件下充分的利用纳米原纤维纤维素材料。基于我们以前在界面调整方面的经验，其中利用吸引的静电相互作用通过锚定聚电解质、支链阳离子聚乙烯亚胺 (b-PEI) 将阴离子纳米纤维素紧密结合在基底上，我们采用相同的策略将薄的阴离子纳米纤维素涂层粘附在阴离子 PES 表面上。此外，为增加涂层的体积强度，个人会使用了纤维素纳米纤维、机械分解的 CNF 和含有 T-CNF 的高羧酸基团混合物，pH 值为 4。低 pH 会产生物理酸诱导的纤维间相互作用，即 CNF 和 T-CNF 之间的交联。物理交联和增强的纤维间相互作用是提高 T-CNF 薄膜湿强度的必要操作。

  按照图 1 中示意性说明的程序，对商用 PES 微滤膜进行了中试规模的表面改性，使其成为高亲水性超滤膜。主要的关键锚定策略首先使用石英晶体微天平的表面敏感办法来进行了系统证明。耗散监测 (QCM-D) 以及明确定义的模型表面。使用 SEM 和 AFM 成像分析了中试规模 CNF 涂层的形态。在每个涂层工艺单元操作中，跟踪关键表面特性（XPS 测量的表面化学组成变化、水接触角测量的表面润湿性、ζ 电位测量的表面电荷）。最后，通过用细胞色素 C 确定截留范围来研究膜过滤性能，并使用宽分子量分布的聚苯乙烯磺酸盐 (PSS) 和葡聚糖分子分析筛分曲线。通过 QCM-D 跟踪模型蛋白（牛血清白蛋白，BSA）吸附，证明了膜构建块的整体抗生物污染性能。

  从 Stendal GmbH（德国柏林）获得来自漂白软木纸浆（云杉和松树属）的从未干燥的无元素氯 (ECF) 纤维素纤维（81.3% 纤维素、12.6% 半纤维素、0% 木质素和 0.3%），并用来生产 TEMPO 氧化纤维素纳米纤维 (T-CNF)。纤维素纤维按照研究人员先前建立的方案进行氧化，并略有修改。将纸浆纤维悬浮在水中以形成浓度为 2 wt% 的悬浮液。将 TEMPO 和溴化钠 (NaBr) 分别溶解在水中至每克纤维素纸浆 0.1 和 1.0 mmol 的浓度，并与纤维悬浮液混合。用 NaOH 溶液（1 mol L-1）将悬浮液的 pH 值调节至 10。选择每克纤维素纸浆 10 mmol NaClO 的浓度。彻底清洗 TEMPO 氧化纤维素纤维，直到其电导率与蒸馏水相似。将氧化和纯化的纤维素纤维分散在水中至 2% (w/w) 的浓度，并使用超质量胶体机（MKZA10-20 J CE Masuko Sangyo，日本）分解以获得纤维素纳米纤维悬浮液。研磨过程中施加的能量为 10 kWh kg-1 纤维素。T-CNF 在微流体化器（400 µm + 100 µm 腔体，1800 bar，Microfluidics M-7125-30，Microfluidics Corp.，美国）中进一步流化一次。结果是透明而粘稠的凝胶，最终固体含量为 1.17%。在 0.8% 稠度下测量的剪切速率为 10 s−1 时的表观粘度为 1700 Pas ± 22。0.1% T-CNF 分散体在 Milli-Q 水中的光透射率为 800 nm 时的 99%。氧化纤维的 –COOH 含量（通过 NaOH 电导滴定法测定）为 1.1 mmol g−1，zeta 电位为 − 53.2 ± 2.7 mV。TEMPO 氧化产生的纳米纤维直径为 3–5 nm，长度为 µm 级，根据 AFM 图像评估，图 1。

  商用非对称聚醚砜 (PES) 微滤膜由德国 Sartorius Stedim Biotech 提供，供应商报告的标称孔径为 0.2 µm，表面孔隙率约为 50%。从美国 Polysciences Inc. 购买了一种锚定聚合物，高阳离子和支链聚乙烯亚胺 (b-PEI，等电点，iep = 11)，平均分子量为 70 kDa。根据供应商的报告，b-PEI 含有伯胺基、仲胺基和叔胺基，比例分别约为 25/50/25。

  使用 E4 QCM-D 仪器 (Biolin Scientific，瑞典哥德堡) 通过监测施加脉冲电场时传感器表面总质量增加或减少时共振频率的变化来确定固-气和固-液界面的质量变化。当电压切断时，振荡幅度会衰减，衰减率取决于与周围环境（空气或液体）接触的材料的粘弹性。因此，同时，能够最终靠跟踪耗散因数的变化来监测能量的耗散，ΔD = D − D0，其中D0是表面上任何沉积层之前的纯石英晶体的耗散因数，D是当沉积层之前的纯石英晶体的耗散因数。材料已附着在传感器晶体上。如果材料均匀分布、刚性附着且与晶体质量相比较小，则根据 Sauerbrey 方程，频率变化 Δf = f − f0 与每单位表面积的质量变化直接相关。

  其中 C 是传感器的灵敏度常数，n 是测量泛音数（n = 1、3、5、7、9、11）。通过监测耗散的变化 ΔD，可以定性地解释覆盖传感器表面的吸附层的刚性、柔软度和结合强度，耗散的变化代表层的粘弹性质的变化，如以下耗散因子方程所示：

  其中 Edissipation 是耗散的能量，Estorage 是单个振荡周期内存储的总能量。如果 ΔD ≤ 1 × 10-6，则沉积层可指定为刚性和完全弹性，并且 Δf 和 ΔD 的泛音没有显示出明显的扩散，而耗散的变化越大，则表明该层具有粘弹性，更柔软，与底层基底的结合越松散。QCM-D 数据的完整解释在另外的地方有详细描述。

  按照研究人员描述的方案估计附着的 PES、b-PEI 和 T-CNF 层的面积质量。略有修改。首先，在空气中收集空传感器晶体表面的频率响应 30 分钟，直到达到 Δf 和 ΔD 的稳定基线。然后将 PES（二氯甲烷中 0.5 wt%）旋涂在 SiO2 传感器表面，并将传感器放置在 QCM-D 测量室中，以便在空气中收集 30 分钟的频率数据。接下来，将 200 µL 1 mg mL-1b-PEI 溶液滴在传感器上 30 分钟，然后用 Milli-Q 水冲洗以去除未结合的 b-PEI。在将传感器放回 QCM-D 室以在空气中收集频率数据之前，先用氮气将其干燥。接下来，将 200 µL 0.15 wt% T-CNF 悬浮液（已用 25% 振幅超声处理（Branson Digital Sonifier，400 W，20 kHz）2 分钟）旋涂在同一个传感器晶体上（3000 rpm，2 分钟），接着进行热处理（80 ℃ 下 10 分钟）。再次收集30分钟的频率响应。最后，将晶体浸入Milli-Q水中16小时，以证明T-CNF膨胀过程中的粘附性，并收集30分钟的频率数据。最后使用QSoft软件将每一步之后产生的频率数据拼接在一起，并根据Sauerbrey方程计算面积质量的变化。第三泛音（15 MHz，f0 = 5 MHz，n = 3）用于定量计算面积质量。

  将由 75 wt% 机械分解的 CNF 和 25 wt% T-CNF 组成的两种等级的纤维素纳米纤维混合物与 Diaf 高速分散机 (Diaf Pilvad，丹麦) 以 700 rpm 的速度混合。接下来，将纳米纤维素共混物悬浮液稀释至浓度为 0.6 wt%，并用 0.1 M HCl 将 pH 值调节至 4，以确保增强纤维间相互作用。酸性 pH 值增加了纳米纤维素共混物的表观粘度和凝胶屈服值（补充图 S1），表明凝胶强度增加，并间接表明发生了物理交联。

  图1给出了膜涂层配置及其单元操作的示意图。膜涂层程序基于纳米纤维素悬浮液的铸涂或喷涂，精确控制CNF/T-CNF 混合物在支撑 PES 膜基底上的粘附、铺展和干燥，方式与研究人员描述的方式类似，使用中试规模的卷对卷转换单元（Coatema，德国）。首先对 PES 膜薄膜（宽 4900 毫米）进行等离子处理（Ar-plasma，2000 W m-2h-1，Vetaphone，丹麦）以活化和清洁膜表面并确保锚定聚合物的吸附和均匀表面分布。等离子处理后，通过将膜引导通过装有聚合物溶液的盆来施加 0.1 wt％的 b-PEI 溶液。膜在 b-PEI 浴中的停留时间约为 10 秒。随后将快速润湿的膜送入装有去离子水的洗涤盆中，使 b-PEI 的作用时间约为 60 秒。

  采用两种不同的涂覆方法，即流延涂覆或喷涂，将 0.6 wt% 的纳米纤维素分散体涂覆在 PES 膜上，目标干层厚度低于 1 µm。流延涂覆是通过将纳米纤维素手动送入配有刮刀的开放式流延槽中进行的。槽中的纳米纤维素分散液水平保持恒定，以防止涂层重量的变化，从而防止重力作用导致分散液质量的变化。计量间隙为 100 µm，等于湿涂层厚度，需要注意的是，湿纳米纤维素层厚度不能逐步降低，因为 100 µm 是最小计量间隙。喷涂法不受类似技术问题的限制，因此被选为替代涂层方法，使我们也可以实现更低的纳米纤维素层厚度。喷涂采用 Graco 512 喷嘴，喷嘴孔径为 305 µm，泵压为 0.15 MPa，喷嘴压力为 0.4 MPa。涂覆过程中的机器速度为 1 和 5 m min-1（铸造涂层）以及 5 和 7 m min-1（喷涂）。尽管由于技术原因，对涂层方法的全面比较受到一定限制，但这两种方法都被证明效果良好，而且都是工业上可用的涂层选项。

  由于干燥段长度有限，使用两个干燥段在静止状态下干燥网。首先用红外干燥机将纳米纤维素涂层膜表面干燥至含水量约为 10%，然后在表面温度为 80℃ 下对网进行热退火 10 分钟，以进一步促进 CNF 和 T-CNF 之间的物理交联并确保 PEI 诱导的锚定。

  使用蔡司 Merlin 场发射 SEM（蔡司国际），加速电压为 2 kV，探针电流为 60 pA，从涂层膜测量纳米纤维素层厚度。在 SEM 成像之前，将样品在液氮中破碎，并用 5 nm 的 Au/Pd 溅射涂层（EM ACE200，德国徕卡）。

  使用多模 NanoScope V（布鲁克）原子力显微镜对涂层膜的表明上进行成像。用双面胶带将样品固定在金属块上，并用弹簧常数 k = 40 N/m 的标准 TESPA-V2 氮化硅尖端（布鲁克，美国）进行探测。在所有情况下，高度、振幅和相位图像都是在敲击模式下记录的。使用 NanoScope Analysis 1.5（布鲁克）软件将均方根 (RMS 或 Rq) 粗糙度确定为 0.25 µm2 高度图像中十个部分的平均值。

  涂层试验期间涂层的完整性通过透气性测试仪（Lorentzen & Wettre，瑞典）采用造纸工业常用的 Bendtsen 方法测试透气性来评估。透气性值以 mL min−1 为单位报告，未使用压力校正。从每个试验点的至少六个不同位置沿横向和纵向测量透气性。

  通过用 X 射线光电子能谱 (XPS) 测量未涂层和涂层膜的表面元素组成，分析了纳米纤维素涂层的均匀性。特别是来自 PES 的硫（结合能 (BE) 为 167 eV）被用作标记，以跟踪涂层的均匀性和覆盖率。作为 b-PEI 锚定聚合物一部分的氮的量用于证明锚定聚合物的附着和纳米纤维素涂层的存在。分析使用 Nexsa XPS 系统 (Thermo-Fisher) 进行，使用辐射源枪型 Al Kα，工作功率为 72 W，通过能量为 200 eV，光斑尺寸为 400 µm，“标准镜头模式”、CAE 分析仪模式、测量光谱的能量步长为 1 eV（20 次通过）和集成泛光枪。分析之前，为了保持薄涂层的性质，表面未使用 Ar 团簇做处理。单个元素的高分辨率光谱（步长 0.1 eV）是在通过能量为 50 eV 的情况下通过 20 次通过获得的。呈现的累积数据代表在 16 个点进行的测量的平均值，覆盖面积为 8.7 mm2。

  使用基于摄像机的全计算机控制接触角计（Attension Theta 光学张力计，Biolin Scientific，芬兰）的固着滴法测量水接触角。使用 2 µL 的液滴体积（Milli-Q 水），每 0.01 秒记录一次图像。基于三次重复，在经过 0.3 秒后报告所有样品的水接触角平均值。

  使用 SurPASS 电动分析仪（Anton Paar，奥地利格拉茨）测量 ζ 电位与 pH 的关系，研究了膜的表面电荷。膜在间隙宽度为 130 µm 的可调间隙池中表征。使用 1 mmol L−1 KCl 溶液作为电解质，并通过滴定 0.05 mol L−1 HCl 以降低 pH 值或滴定 0.05 mol L−1 KOH 以增加 pH 值来控制 pH 值。根据测量的流动电流确定 ζ 电位。

  为了测试纳米纤维素涂层膜在水过滤中的机械耐久性和完整性，使用有效过滤面积为 4200 mm2 的交叉流过滤单元 (CF042P, Sterlitech, Kent, USA) 进行了具有更大样品尺寸和更高过滤压力的额外过滤测试。在 21 ℃ 的恒温下，使用去离子水，以不同的进料流速 (8.5–17.2 L min−1)、交叉流速度 (1.6–3.2 m s−1) 和过滤压力 (0.25–1 MPa) 测量水渗透率。过滤时间为 1 小时，渗透液体积从 0.1 到 1.2 L 不等。过滤测试后拍摄 SEM 图像以确保纳米纤维素涂层的存在和稳定性。

  使用 0.1% 细胞色素 C 溶液从过滤实验中确定蛋白质排斥率。细胞色素 C 是一种水溶性蛋白质，形状接近球形，等电点为 pH 9.6。通过紫外光谱法（Infinite 200 PRO，Tecan，瑞士曼内多夫）在 280 nm 波长下测定初始溶液和收集的滤液中的蛋白质浓度。

  通过将已知浓度的标准聚合物溶液（聚苯乙烯磺酸盐 (PSS) 和葡聚糖）通过膜来建立筛分曲线。PSS 是一种高电荷密度（磺化度 90%）聚合物，在 pH 7（即本研究的过滤条件）下 ζ 电位为 − 63 mV，而葡聚糖是中性多糖。收集滤液并通过高效液相色谱 - 尺寸排阻色谱法（HPLC-SEC，ThermoFisher 的 UltiMate 3000 系统）做多元化的分析。将由滤液的折射率信号产生的分子量分布标准化为信号和所施加的混合物的相应分布。该比率称为筛分曲线% 截留水平下记录的分子量截止值 (MWCO)。

  模型 PES 表面的制备方法与第 2.2 节中所述类似。阳离子 b-PEI 的模型表面通过吸附制备，方法是将传感器晶体浸入 0.1% b-PEI 溶液中 30 分钟，然后用 Milli-Q 水冲洗并用氮气干燥。T-CNF 的模型表面按照研究人员的方法制备，对其进行了轻微修改。CNF 的模型表面是通过将 200 µL 超声处理的 0.15% CNF 分散液滴以 3000 rpm 的速度旋涂在 b-PEI 处理的传感器表面上 1 分钟，然后在 80 ℃ 下退火 10 分钟来制备的。在吸附实验之前，将纳米纤维素涂层晶体在 QCM-D 测量室中在 0.9% NaCl（pH 4.63）中平衡过夜。

  图 1 显示了使用薄层纤维素纳米纤维对商用微滤 PES 膜进行高通量定制所涉及的工艺和单元操作，涉及孔径范围和选择性。新型生物基材料的工业应用通常受到缺乏可扩展制造工艺的限制，并且受到高压过滤等具有挑战性的操作条件下的机械完整性的限制。我们的策略涉及两个主要措施来改善临界强度参数。首先，利用高阳离子 b-PEI 将 CNF 有效地锚定在等离子体处理（亲水化）的 PES 膜上，改善了界面粘附。其次，使用酸诱导处理在 CNF 和 T-CNF 之间产生着迷的纤维间相互作用，实现了足够的湿强度。

  使用带耗散监测的石英晶体微天平 (QCM-D) 来展示锚定聚合物在涂层概念中的作用，通过研究 T-CNF 在具有和不具有阳离子 b-PEI 锚定层的 PES 表面上的附着情况。我们采用了两种不同的方法来跟踪（i）膜层成分的吸附，这与不同层之间的相互作用强度有关，以及（ii）在 PES 上建立 T-CNF 层后面积质量的变化。

  通过监测固液界面处频率（Δf）和耗散（ΔD）的变化，原位测定了 b-PEI 和 T-CNF 在超薄 PES 膜上的顺序吸附（图 2）。用 Milli-Q 水稳定 PES 表面后，将 b-PEI 溶液引入表面，标记为 PES-b-PEI-T-CNF。这导致频率发生中等程度的负变化（-24.0 Hz），同时耗散发生相对较大的正变化（3.1 × 10−6），这表明 b-PEI 以形成环和尾巴的构象吸附在表面上——这是一种完美的锚定构象。在随后用 Milli-Q 水冲洗的过程中，频率保持不变，而耗散变化略有下降至 2.1 × 10−6，表明结合较不紧密的 b-PEI 部分被去除。接下来，将 T-CNF 分散体引入 PES-b-PEI 层，导致频率急剧下降，耗散率上升，是因为 T-CNF 纤维在静电引力的作用下迅速吸附到 b-PEI 层上。随着可用的 b-PEI 聚合物链被覆盖，变化明显减缓，在吸附约 50 分钟并用 Milli-Q 水冲洗后，Δf 稳定在约 -78.6 Hz，ΔD 稳定在 ∼ 3.9 × 10−6。同时，还将 T-CNF 引入到迄今为止仅用 Milli-Q 水冲洗的 PES 层中，记为 PES-T-CNF。然而，这导致频率变化很小（1 Hz），耗散暂时增加至 2.5 × 10−6，用 Milli-Q 水冲洗后完全逆转，这清楚表明没有 T-CNF 吸附在 PES 表面上。

  在干燥条件下，使用 QCM-D 在固-气界面进一步研究了有和没有 b-PEI 锚的 PES 上 T-CNF 层的形成和稳定能力。图 2 显示了在 SiO2 传感器晶体上涂覆 PES、b-PEI 和 T-CNF 层之前和之后，以及在 Milli-Q 水中将最后的 T-CNF 层溶胀 16 小时之后，使用 Sauerbrey 方程从 Δf 计算出的面积质量变化（Δm）。此外，（图 2c）显示了各层的 AFM 形貌图像，表明由于纳米纤维素的成功沉积和溶胀步骤，外观和形貌发生了明显变化。首先，将 PES 旋涂在晶体上，这相当于面积质量增加 ∼ 7 µg cm−2。然后，通过滴铸法将单层 b-PEI 吸附到表示为 PES-b-PEI-T-CNF 的晶体上，但没有吸附到表示为 PES-T-CNF 的晶体上。从滴铸后 Δm 的轻微下降能够准确的看出，b-PEI 单层足够薄，在测量的误差范围内。接下来，将 T-CNF 旋涂在两个晶体上，结果 PES-b-PEI-T-CNF 的 Δm 增加约 13 µg cm−2，而 PES-T-CNF 的质量保持不变。最后，在 Milli-Q 水中将晶体溶胀 16 小时后，两个表面的 Δm 没有超出误差范围的变化。总体而言，吸附和面积质量研究都清楚地表明，虽然 T-CNF 不会自发附着在 PES 表面，但能够正常的使用 b-PEI 作为锚定聚合物获得稳定的 T-CNF 涂层。此外，即使在水性条件下溶胀后，PES-b-PEI-T-CNF 多层仍能完全稳定。

  采用两种涂覆方法，即流延涂覆和喷涂，涂覆速度各不相同，在 PES 膜上涂覆一层薄薄的纳米纤维素混合物（CNF75%/T-CNF25%）（图 1）。进行了一组涂覆实验，以研究涂覆方法和涂覆速度对纳米纤维素层最终厚度的影响。AFM 图像（图 3）显示了 PES 膜基底的微尺度孔结构，而纳米纤维素涂覆膜则呈现出紧密的 T-CNF 纳米纤维层以及一些较粗的 CNF 纳米纤维。无论采用何种涂覆方法，都可以从涂覆样品中清楚地检测到具有较低表面粗糙度的纳米纹理表面形貌（表 1）。对平行和垂直方向的图像进行了评估，以确定涂层方向上的可能取向，但未获得关于首选原纤维取向的确凿信息。从横截面 SEM 图像分析得出的涂层厚度从流延涂层膜的平均 600-800 nm 到喷涂涂层膜的 400-600 nm 不等（表 1）。之前的研究表明，实验室规模流延涂层膜的 CNC 和 T-CNF 涂层厚度在 250-350 nm 范围内。厚度差异可能归因于使用尺寸分布更广的 CNF 等级。CNF 的纤维直径为 10-50 nm，长度从几微米到十微米不等，而 CNC 和 T-CNF 纤维直径分别在 3-5 nm 和 5-8 nm 范围内。长度方面，CNC 在 150 到 200 nm 之间，T-CNF 在微米范围内。此外，在这项中试规模研究中，工艺参数和单元操作不同，可能对纳米纤维素涂层的最终干厚度有直接影响。

  图 3. a) 原始 PES 膜（大图）的 AFM 振幅图像以及使用流延和喷涂方法涂覆一层纳米纤维素后的 AFM 振幅图像。AFM 图像是在膜涂层方向平行和垂直方向上捕获的。图像尺寸为 5 µm × 5 µm。b) 喷涂 PES 膜横截面的 SEM 图像，显示局部厚度约为 300 nm 的薄纳米纤维素层 c) 纳米纤维素涂层表面的 SEM 图像，显示涂层的形态。

  表 1. 纳米纤维素涂层厚度、S 和 N 原子量、水接触角和膜样品的表面粗糙度。

  涂层均匀度通过以下两个标记物（硫和氮）用表面敏感 XPS 确定。硫存在于 PES 膜中，但不存在于锚定聚合物中，也不存在于纳米纤维素涂层中，因此能监测涂层过程。纳米纤维素中不含氮，在 PES 膜中检测到的氮很可能来自成孔剂（表 1）。氮在锚定聚合物（b-PEI）中含量更丰富。因此，能够最终靠跟踪氮标记来监测涂层过程，氮标记在引入锚定聚合物后最初增加，随后在施加纳米纤维素涂层后降低。表 1 收集了纳米纤维素涂层前后膜中氮和硫的含量（at-%）。相应的 XPS 测量扫描显示在补充图（图 S2）中。原始 PES 基材分别含有 4.8 at-% 和 2.6 at-% 的硫和氮。从涂层样品中检测不到硫，而在纳米纤维素涂层之后任旧存在痕量的氮（1 at-%）。正如预期的那样，一旦施加锚定 b-PEI，氮的量就会显着增加。此外，膜顶部似乎形成了一层连续的纳米纤维素层（未检测到 S），尽管来自 b-PEI 的少量氮仍与纳米纤维素层结合存在。当考虑涂层膜相对于其整体电荷状态的表面行为时，这种表面特性是一个重要发现。

  纤维素纳米材料固有的亲水性是减少膜污染的重要特性，膜污染是降低膜通量和其他操作参数随时间变化的重大挑战。此外，高吸湿性也是纳米纤维素网络的固有特性，它是考虑水净化膜的通量和渗透性时的重要特性。膜污染由界面性质决定，在这里我们经过测量水接触角值来分析表面处理对 PES 膜润湿行为的影响（表 1）。接触角结果直接证明纳米纤维素涂层显著改善了表面润湿性。接触角从未涂层 PES 膜记录的原始值 41° 降低了 20-27°。纳米纤维素涂层的接触角低于 20° 的值与先前报道的纯 CNF 和 T-CNF 膜的值一致。水滴吸收速度快表明材料吸湿性强，因此，接触角记录时间很短（0.3 秒）。

  图 4 显示了改性和涂层膜的表面电荷（以 ζ 电位表示）。PES 膜基质表现出典型的微酸性表面行为，在中性和高 pH 下 ζ 电位明显为负，ζ 电位稳定值约为 -40 mV。随着 pH 的降低，ζ 电位稳步增加至等电点，几乎达到 pH 为 2 时的等电点。用 b-PEI 改性表面显著改变了表面电荷，正如预期的那样。从 pH 为 10 时的 -40 mV 值开始，ζ 电位随着 pH 的降低而大幅度的增加，通过 pH 为 7 时的等电点，并在酸性 pH 下呈现正表面电荷。这证实了用锚定剂成功改性了基质表面，这反过来又能有效促进带负电荷的纳米纤维素附着在表面上。与 b-PEI 改性基质相比，用纳米纤维素浇铸涂覆的膜具有明显较低的表面电荷，证实了带负电荷的纳米纤维素的附着。在 pH 低于 9 时，ζ 电位始终比 b-PEI 改性基质的 ζ 电位更负，等电点移至 pH 4。尽管如此，纯纳米纤维素通常表现出更低的 ζ 电位，但是，在这种情况下，仍旧能确定带正电荷的锚定层的影响，因此纯纳米纤维素的 ζ 电位略高。如上所述，通过 XPS 从纳米纤维素涂层中检测到少量原子分数的氮（表 1），支持锚定聚合物的存在及其对纳米纤维素涂层膜整体表面电荷的影响。对于喷涂膜，原则上观察到了相同的效果，但是与浇铸涂层相比，ζ 电位甚至略高。在喷涂膜表面时，与浇铸涂层相比，膜上附着了一层更多孔和/或不均匀的涂层，导致 b-PEI 对表面电荷的影响更强。

  通过测量渗透性、蛋白质（细胞色素 C）截留率和筛分曲线（葡聚糖和 PSS 覆盖不同带电大分子的广泛分子量分布），在模拟切向流过滤模式下评估了纳米纤维素涂层膜的过滤性能。

  水渗透性是一个对结构变化敏感的参数。它可用于筛选大面积膜并提供有关均匀性的信息，此外，还可间接提供膜样品的机械完整性。纳米纤维素涂层膜的渗透率为 100 至 200 LMH/MPa（图 5a，LMH 代表升/平方米/小时），如预期的那样，与微滤 PES 膜的原始渗透率（0.25 MPa 时为 120 000 LMH/MPa，参见补充图，图 S3a）相比明显较低。所获得的值表明超滤范围的渗透水平。此外，水渗透率（图 5a）和横向和纵向通量（补充图，图 S4）的标准偏差较小，表明涂层工艺稳定，可获得均匀的纳米纤维素层。

  图 5. a) 纳米纤维素涂层 PES 膜在 0.4 MPa 下对 0.9% NaCl 和 0.9% NaCl 溶液中的细胞色素 C 的渗透性值。b) pH 6.5 下细胞色素的平均截留值c) 纳米纤维素涂层 PES 微滤膜的细胞色素 C 截留率与渗透性，以商用 PES 超滤膜（数据由 Sartorius 提供）和研究人员提供的纳米纤维素改性多孔氧化铝为基准。d) 使用阴离子聚苯乙烯磺酸盐 (PSS) 和中性葡聚糖分子探测铸造和喷涂膜的分子量截止 (MWCO) 值。文中引用的 90% 截留率下的 MWCO 值由箭头指出。

  使用 Sterlitech 横流过滤槽在各种过滤压力水平（0.25、0.5 和 1.0 MPa）下对膜进行了进一步 1 小时的测试，见补充图 S3b，该图显示了最高压力水平 1.0 MPa 下的通量。在一小时的时间间隔内，纳米纤维素涂层膜表现出相当恒定的水通量，压实趋势较小，通量值略有下降。过滤测试后拍摄的 SEM 图像（补充图 S3 d-f）显示纳米纤维素涂层完好无损。能得出结论，b-PEI 锚定和酸诱导增强的纤维间相互作用这两种策略都改善了界面和本体湿强度，因为涂层可承受相比来说较高的压力水平（1 MPa）。此前，T-CNF 涂层已被证明可以在潮湿和干燥条件下增加 PES 膜的弹性模量。虽然由于研究人员使用的过滤压力水平低得多（0.02 MPa），因此无法直接比较涂层层的界面强度，但很明显，纳米纤维素基涂层对某些机械性能指标有积极影响。

  图 5b 显示了对细胞色素 C 的排斥，细胞色素 C 是一种常用于测试分子量筛分超滤特性的蛋白质。所有纳米纤维素涂层膜都清楚地显示出对蛋白质的排斥，而未涂层微滤 PES 膜的排斥率为零，这在考虑一般微滤膜时是可以预料的。平均涂层厚度为 600 nm 的铸造涂层膜表现出最高的排斥率 90%，而最薄的喷涂涂层膜表现出较低的排斥率，约为 70%，相比来说较高的变化表明涂层结构不规则。（图 5c）通过显示蛋白质排斥率与渗透率来收集所有纳米纤维素涂层 PES 膜的过滤性能。在这里，我们的结果与商用 PES 基超滤膜进行了对比，其标称 MWCO 值分别为 10 kDa、30 kDa 和 100 kDa。同样，将结果与研究人员发表的数据来进行了比较，其中超薄纳米纤维素涂层（23-47 纳米）涂在多孔氧化铝基材上，其标称孔径与我们的微滤 PES 膜相似，均为 0.2 µm。在相同的高蛋白质截留水平下，厚度约为 600 纳米的纳米纤维素涂层膜表现出较低的渗透性水平，尽管仍与超滤区域相匹配。另一方面，正如研究人员提供的数据所表明的，蛋白质截留率在很大程度上取决于渗透性。超薄纳米纤维素层产生具有高渗透性（∼100 000 LMH/MPa）的结构，同时截留率相比来说较低（40%）。此外，之前报道的 T-CNF 涂层 PES 膜层厚度约为 350 nm，渗透性没有明显降低，但由于缺乏对蛋白质排斥的审查，因此与这项研究的完全可比性有限。总而言之，纳米纤维素层厚度确实对膜排斥和渗透性之间的相互关系有显著影响——这是一个重要的控制参数，似乎能够正常的使用生物基纳米材料替代品进行调整。

  超滤膜的筛分曲线为其保留特性提供了补充信息。不是测量具有一个确切分子量的单分散蛋白质的截留率，而是使用各种分子量和非单分散但分子量分布较窄的聚合物标准混合物。用阴离子 PSS 和中性葡聚糖分子确定纳米纤维素涂层膜的筛分曲线d）。对于葡聚糖，对于约 420 nm 的喷涂纳米纤维素层，90% 截留率时的最高 MWCO 值约为 14 000 Da，这能够准确的通过最低的细胞色素 C 截留率和最高的渗透率值预期。厚度为 600 nm 的铸涂纳米纤维素层表现出明显较低的 MWCO 值，约为 640 Da，表明纳米纤维素层厚度对 MWCO 有很大影响。对于阴离子 PSS，喷涂样品的层厚度约为 420 nm，其 MWCO 值明显低于用中性葡聚糖测得的 MWCO 值 ∼ 14 000 Da。这表明纳米纤维素涂层的负表面电荷会诱导 PSS 分子的电荷排斥。然而，对于较厚的铸涂纳米纤维素层（约 600 nm 和 ∼ 840 nm），用带电 PSS 或中性葡聚糖探测的 MWCO 基本上没有任何差异。这表明，一旦超过临界纳米纤维素层厚度，表面电荷的影响就很小，排斥主要受尺寸排阻控制。

  总体而言，根据 MWCO 研究，我们的纳米纤维素涂层 PES 膜代表纳滤膜（孔径 1-2 nm），接近超滤膜（孔径 2-100 nm）的下边界。不过，必须考虑到，MWCO 只是孔径的间接测量，因为不一样的聚合物线圈表现出一定的流体动力学直径，并且取决于各种参数，包括构成、表面电荷和等电点。关于工业应用，一定要注意的是，基于库仑相互作用的额外选择性也代表着选择性成为 pH 和离子强度的函数。这可能是一个好处，但也提出了优化超滤过程的 pH 和离子强度的要求，以充分的利用增强选择性带来的好处。

  除了对未涂层和纳米纤维素涂层 PES 膜的表面粗糙度和表面润湿性做评估（表 1）外，还通过在 PES、b-PEI、CNF 和 T-CNF 表面吸附模型蛋白牛血清白蛋白 (BSA) 直接研究了膜材料的生物污染趋势。图 6 显示了当表面与 0.9% NaCl 中的 0.1% BSA 接触后，用 QCM-D 监测的频率 (Δf) 和耗散 (ΔD) 的变化。频率明显为负变化（分别为 -25 Hz 和 -45 Hz），这表明 PES 和 b-PEI 表面的质量明显地增加。由于耗散变化较小（1 × 10-6，图 6b），吸附的 BSA 在 PES 和 b-PEI 上形成一层薄而坚硬的层，表明蛋白质和底物之间有相对来说比较强的吸引力相互作用。此外，只有一小部分吸附的 BSA 能够最终靠冲洗去除。该层完全有弹性，因此，使用 Sauerbrey 方程进行面积质量估计是合理的，PES 和 b-PEI 上的 BSA 面积质量分别为 ∼ 440 ng cm-2 和 ∼ 800 ng cm-2。在 T-CNF 和 CNF 上，记录到的频率变化要低得多（低至 − 5 Hz），即面积质量变化为 88.5 ng cm−2，这在某种程度上预示着两种纳米纤维素等级都能够在 PES 膜上产生抗生物污染特性。研究人员在被认为具有高度抗蛋白质性（即抗生物污染）的表面吸附 BSA 时获得了相同幅度的频率变化。此外，这些发现与之前的结果一致，显示 T-CNF 上 BSA 吸附受限。

  我们成功地演示了使用纳米纤维素的中试规模铸造和喷涂工艺，表明即使聚合物基质和纤维素之间有明显的化学不相容性，聚合物 PES 微滤膜的工业规模改性也是可行的。通过应用薄纳米纤维素层，成功地将 PES 微滤膜转化为超滤膜或纳滤膜，这与涂层膜的渗透性 (1000 LMH/MPa) 相关，而未涂层膜的渗透性约为 120,000 LMH/MPa。纳米纤维素层的厚度和水渗透性如预期的那样相关，涂层越薄，渗透性越高。纳米纤维素层分别基于尺寸排阻 (中性分子) 和静电 (带负电的分子) 机制促进分离。(负) 表面电荷可用于克服基于尺寸排阻机制的膜固有的渗透性和排斥性之间通常必要的权衡，通过增加由库仑相互作用建立的选择性。因此，基于仅促进尺寸排阻性能的基质生成了多功能膜。此外，亲水性、降低的表面粗糙度和纤维素涂层引入的负表面电荷被证明能抑制膜生物污染，来提升膜的耐久性。对于使用可持续来源的材料来升级微滤膜基材而获得的超滤膜来说，这一特征尤其值得赞赏，并提供了一种能够在商业规模上取代合成膜的环境友好且可扩展的方法。