摘 要
超高分子量聚乙烯（UHMWPE，商品化滤膜领域常记作 UPE）微孔滤膜凭借优异的化学耐受性、机械强度、低吸附性和成本优势，已成为制药、电子、水处理和食品饮料等领域精密过滤的重要膜材料。本文系统梳理了 UPE 滤膜的制备方法（烧结法、热致相分离法及其与拉伸工艺的组合）、本征疏水性带来的核心挑战及主要亲水改性策略（共混改性、表面化学键合无机纳米粒子、交联亲水修饰），并总结了其在精密过滤与新兴无氟（PFAS-free）应用中的研究现状与发展趋势。
关键词：UPE 滤膜；超高分子量聚乙烯；微孔膜；热致相分离；亲水改性
一、引言UHMWPE 的分子量通常在 150 万至 600 万以上，其长而平滑的线性分子链赋予材料突出的韧性、耐磨性与耐化学腐蚀能力。基于 UHMWPE 制备的微孔滤膜孔径分布均匀、机械强度高、对蛋白质及药物等生物分子吸附性低，因而被广泛应用于无菌过滤、样品前处理、超纯水制备及环境水样过滤等场景[10]。与 PTFE 等含氟膜材料相比，UPE 膜不含 PFAS 物质且兼容 γ 射线辐照灭菌，在日益严格的无氟法规背景下显示出替代聚丙烯（PP）与 PTFE 膜的潜力[11]。
然而，聚乙烯本征疏水，直接用于水相过滤时通量低、易污染；同时 UHMWPE 熔体黏度极高，无法采用常规挤出加工，必须依赖烧结或热致相分离（TIPS）等专门工艺成膜。围绕"成型工艺控制"与"亲水化改性"两大科学问题，国内外学者开展了大量研究。
二、UPE 滤膜的制备方法研究进展UHMWPE 熔体黏度极高，无法采用常规挤出加工成膜。现有文献报道的主流成膜路线可归纳为烧结法、热致相分离法（TIPS）及 TIPS 与拉伸工艺的组合三类，其在孔径、孔隙率与工艺成本上各有取舍。
（一）烧结法烧结法将 UHMWPE 粉末预压成型后加热至熔点以上，经历颗粒间润湿、界面分子链扩散与跨界面共结晶三个阶段形成多孔结构。所得膜孔径约 5—25 μm、孔隙率 25%—45%，具有成本低、耐高压的优点，但存在结构不均匀、孔隙率受限与能耗较高等不足[5]。
（二）热致相分离法（TIPS）TIPS 是 UHMWPE 微孔膜的主流制备方法：将 UHMWPE 与高沸点稀释剂（如石蜡油、二苯醚、十氢萘）在高温下形成均相溶液，降温诱导固-液（S-L）或液-液（L-L）相分离，经萃取脱除稀释剂后获得微孔结构。朱灵玲的学位论文系统研究了 TIPS 工艺参数的影响：由于 UHMWPE 与液体石蜡溶度参数相近、相互作用强，冷却速率约 1 ℃/min 时体系仅发生 S-L 相分离；提高分子量与聚合物浓度会因体系黏度增大、稀释剂扩散聚集受阻而获得更小的孔结构；厚度由 100 μm 增至 200 μm 时传质阻力增大，纯水通量显著下降[1]。
非等温结晶动力学分析（Jeziorny 法与 Mo 法）表明，UHMWPE 的结晶速率受成核控制，冷却速率越快，膜表面及断面的孔结构与纯水通量越小；而冷却过慢时大孔易成为缺陷，导致拉伸过程中破膜[1]。中文综述文献进一步指出，聚合物浓度由 10% 提高至 20% 时锂电隔膜孔隙率由 69.14% 降至 30.82%、平均孔径由 0.90 μm 降至 0.14 μm；萃取剂与聚乙烯溶度参数相近时可促进次晶重排、提高结晶度[9]。不同制备方法所得 UHMWPE 膜的结构与性能对比见表 1。
表 1 不同制备方法所得 UHMWPE 多孔膜的结构与性能对比[5]
制备方法 | 孔径（μm） | 孔隙率 | 优点 | 局限 |
烧结法 | 5—25 | 25%—45% | 成本低、工艺简、耐高压 | 结构不均、孔隙率受限、能耗高 |
TIPS 法 | 0.1—5 | 40%—85% | 高孔隙率、孔连通性好 | 依赖溶剂、热加工要求严 |
TIPS+热拉伸 | 0.02—0.5 | 60%—75% | 力学性能优异、孔结构均匀 | 工艺复杂、设备与能耗成本高 |
注：数据整理自文献[5]。
（三）TIPS 与拉伸工艺的组合TIPS 结合热拉伸可制备孔径 0.02—0.5 μm、孔隙率 60%—75% 的高均匀性薄膜，主要用于锂离子电池隔膜与精密分离膜，但工艺复杂、设备与能耗成本较高[5]。
三、亲水化改性研究进展UPE 膜的本征疏水性是其用于水相体系的主要瓶颈，改性策略按作用方式可分为共混改性、表面化学键合与交联修饰三类。
（一）共混改性朱灵玲等采用聚乙二醇（PEG20000）与 UHMWPE 共混改善微孔膜亲水性：随改性剂含量增加，膜的亲水性总体上升，改性膜的水通量、蛋白质通量及纯水恢复量均显著提高，表现出良好的抗蛋白质污染性；当 PEG20000 质量分数为 15% 时，改性剂与 UHMWPE 相容状态最佳，结晶度显著增大且分子链缠结形成物理交联，拉伸强度提高至约 15 MPa。但共混法的突出缺陷在于部分 PEG20000 溶于水，随水洗时间延长改性剂流失、亲水性逐渐衰减[2]。类似地，Li 等报道以白油为稀释剂、PEG20000 为添加剂经 S-L 相分离制膜时，PEG 质量分数为 10% 时孔隙率与水通量达到最大[8]。
（二）表面化学键合无机纳米粒子Fan 等对 TIPS 法制备的 UHMWPE 微滤中空纤维膜进行表面改性，通过乙烯基三甲氧基硅烷（VTMS）水解体系将亲水性 SiO2 纳米粒子化学键合到膜表面。ATR-FTIR、XPS、FE-SEM、接触角及过滤/抗污染测试表明，当 VTMS 浓度为 13%、水解液 pH 为 4、水解反应时间 6 h 时膜综合性能最佳，亲水性与抗污染性能显著提升。由于采用化学键合而非物理涂覆，改性层具有更好的稳定性，为水净化领域 UHMWPE 膜的抗污染改性提供了参考[3]。
（三）交联亲水修饰Fei 等首次将简易交联策略用于 UHMWPE 平板膜：在交联剂 N,N′-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）存在下，将亲水改性剂甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）共混浸入 UHMWPE 颗粒表面，在烧结初期引发交联反应，再于高温高压下完成烧结。FTIR 与 SEM 证实 HEMA 成功交联于颗粒表面；与原始膜相比，交联膜水接触角更低、吸水渗透更快，可实现无压重力驱动过滤，且 BSA 与污泥过滤的通量恢复率（FRR）极高。该方法解决了共混改性中亲水剂易流失的问题，实现了持久亲水[4]。
四、应用研究现状综合文献报道，UPE 滤膜的典型应用包括：制药与生物技术领域的除菌过滤与蛋白/核酸样品前处理；电子与半导体行业的超纯水制备及化学品高精度过滤；环境与水处理领域的悬浮物、微生物截留；食品饮料的除杂与微生物过滤。Sterlitech 的商品化数据显示，UPE 膜已可提供 1 nm—1.0 μm 系列孔径及正/负电荷表面、螯合功能基团等 100 余种构型，并以其 PFAS-free 特性与 γ 辐照灭菌兼容性成为 PP/PTFE 膜的重要替代方案[10-11]。
五、总结与展望现有研究表明：TIPS 工艺参数（聚合物浓度、分子量、冷却速率、萃取剂）通过相分离类型与结晶行为共同决定 UPE 膜的孔结构与性能；亲水改性正从易流失的物理共混向化学键合与交联等持久化策略演进。未来的研究方向包括：（1）从分子链缠结网络出发，建立"聚合—加工—结晶—孔结构"多尺度关联，实现孔结构的精准设计[5]；（2）发展绿色、可持续的稀释剂体系与低能耗制膜工艺；（3）面向无氟替代与高抗污染需求，开发兼具持久亲水性与机械稳定性的功能化 UPE 膜；（4）拓展膜蒸馏、渗透汽化、离子交换膜等新兴分离场景[6-7]。
参考文献1. 朱灵玲. 超高分子量聚乙烯微孔膜的制备与研究[D]. 上海: 东华大学, 2013.
2. 朱灵玲, 胡祖明, 于俊荣, 等. 超高分子量聚乙烯微孔膜的亲水性改性研究[J]. 化工新型材料, 2014, 42(5).
3. Fan L L, Quan J Y, Zhang H, et al. Preparation of hydrophilic UHMWPE hollow fiber membranes by chemically bounding silica nanoparticles[J]. Chinese Journal of Polymer Science, 2021, 39(2): 189-200. DOI: 10.1007/s10118-021-2507-1.
4. Fei Z D, Ying S S, Fan P, et al. Facile preparation of a crosslinked hydrophilic UHMWPE membrane[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2020. DOI: 10.1002/app.49015.
5. Multiscale structural evolutions of ultra-high molecular weight polyethylene porous membrane[J]. ScienceDirect, 2025.
6. Advances in polyethylene membranes for separation technologies: from fabrication methods to emerging applications[J]. Desalination, 2026.
7. Ma W Z, Zhou Z, Ismail N, et al. Membrane formation by thermally induced phase separation: materials, involved parameters, modeling, current efforts and future directions[J]. Journal of Membrane Science, 2023, 669: 121303.
8. Formation of microporous polymeric membranes via thermally induced phase separation: a review[J]. Frontiers of Chemical Science and Engineering, 2016. DOI: 10.1007/s11705-016-1561-7.
9. 超高分子量聚乙烯材料研究进展[J]. 中国高校科技期刊集群服务平台.
10. Membrane Solutions. UPE membrane filters: membrane solutions expertise[EB/OL]. 2025.
11. Sterlitech. Polyethylene (PE) membrane: PFAS-free performance for applications traditionally served by PP and PTFE[EB/OL]. 2025.