研究目的

關於電紡膜的特性與應用，電紡膜是透過靜電紡絲技術製備的非織造奈米纖維膜。靜電紡絲 (Electrospinning)是一種用途廣泛的技術，可利用各種聚合物生產超細纖維。在這個製程中，聚合物溶液或熔體在高壓電場作用下通過注射器，形成細小的噴流。隨著溶劑蒸發，固體聚合物纖維被收集起來，形成無紡布墊或網狀物。這些纖維可以非常細，通常達到奈米級，從而製成具有優異過濾性能的膜。

電紡膜與傳統膜相比具有顯著優勢，包括更高的表面積與體積比，孔隙率高達 90%。這些膜具有高度連通的孔洞結構，孔徑均勻，範圍從幾奈米到幾微米。電紡製程的多功能性使其能夠精確控制膜的性能。透過調節電壓、速度和聚合物溶液的組成等操作條件，可以調整薄膜的形貌、纖維排列、孔隙率和孔徑。這種適應性使電紡膜成為廣泛應用的理想選擇。

在過濾領域，電紡膜用於生產高效的空氣和水淨化過濾器。透過電紡絲製程調整孔徑分佈，可精確調節薄膜的過濾性能，進而影響選擇性、分離效率和過濾器的壓力降。在生物醫學領域，其多孔、生物相容性結構可用於組織工程、藥物傳遞和植入物塗層。用於高性能材料（例如電池、燃料電池和太陽能電池）的特定電紡膜需要增強導電性。

電紡膜孔徑測量的挑戰

○ 樣品厚度。電紡膜非常薄，厚度通常從幾微米到幾百微米不等。由於其易碎性，處理時需要非常小心，以盡量減少可能出現的缺陷。

○ 靜電特性和易起皺性。由於其製造過程的特性，電紡膜經常會殘留靜電荷。由於靜電荷較高，電紡膜容易起皺，使得樣品製備變得十分困難。

○ 彈性。電紡膜厚度小、孔隙率高，加上其聚合物特性，使其具有較高的彈性。這會導致樣品在孔徑分析過程中發生拉伸，尤其是在分析孔徑非常小、需要高壓才能打開的膜時。為了防止樣品拉伸，可以使用特殊的樣品支撐架在測試過程中支撐電紡膜。即使發生拉伸，仍然可以透過應用計算出的滲透率曲線來獲得孔徑結果。

○ 高透氣性。由於電紡膜孔隙率高，甚至高達 90%，因此可表現出極高的滲透性，導致孔徑分析過程中的流速升高。在這種情況下，可能需要減少樣品面積。

○ 孔結構多樣性。電紡膜的孔徑和孔隙率差異很大，範圍從幾奈米到幾微米。奈米級孔徑適用於空氣和水的過濾，而組織工程通常需要更大的孔徑來促進組織生長。鑑於孔徑的多樣性，孔徑計能夠在較寬的壓力範圍內工作，並準確測量小至幾奈米的孔徑至關重要。

○ 孔徑分佈窄。電紡膜以其均勻的孔徑和非常窄的孔徑分佈而聞名。由於所有孔徑往往同時打開，測量這種選擇性膜可能具有挑戰性。為了獲得可靠的結果，孔徑分析儀必須快速地最小化任何潛在的壓力下降，並施加平穩、可控的壓力增加。

分析上的挑戰

POROLUX™ Cito 系列是基於壓力掃描法的氣液法孔徑儀。這是一種快速且可重複的方法，透過持續增加氣體壓力並同時記錄由此產生的流速。 POROLUX™ Cito 系列可深入了解各種孔徑特性，包括最大孔徑（泡點）、平均流量孔徑 (MFP)、最小孔徑 (SP)、孔徑分佈和氣體滲透性。 POROLUX™ Cito 系列包含三種儀器：POROLUX™ Cito L、POROLUX™ Cito M 和 POROLUX™ Cito。每款儀器均設計用於測量特定壓力範圍內的孔徑。 POROLUX™ Cito 系列可為電紡膜提供快速且可重複的測量結果。

POROLUX™ Revo 系列是基於程序升壓法的氣液孔徑儀。 POROLUX™ Revo 配備了正在申請專利的 MP² 技術，可提供最精確、可重複的孔徑測量結果。多層次加壓製程 (MP²) 是一項創新技術，可確保測量過程中壓力平穩上升，並加快達到流量和壓力穩定的過程。此外，壓力上升間隔可以 1 mbar 的壓力間隔控制，從而提供超高解析度的孔徑測量結果。 POROLUX™ Revo 系列包含兩款儀器：POROLUX™ Revo X 和 POROLUX™ Revo。

與 POROLUXTM Cito 系列一樣，POROLUXTM Revo 系列可以測量最大孔徑（泡點）、平均流量孔徑 (MFP)、最小孔徑 (SP)、孔徑分佈和氣體滲透率。此外，由於增強的數學模型 (enhanced mathematical model)，還可以獲得以下附加結果：

○ 總孔數量 (-)

○ 總孔面積（% 和 μm²）

○ 開放孔比例 (%)

○ 計算滲透率（Darcy）

POROLUX^TM Revo 和 POROLUX^TM Cito 孔徑分析儀儀均可配備通用三合一樣品支撐架或客製化樣品支架。減小樣品面積對於電紡膜至關重要，因為電紡膜通常具有極高的氣體滲透性。此外，兩種分析儀均提供多種樣品支架。對於薄且有彈性的電紡膜，建議在孔徑分析期間使用蝕刻金屬樣品支撐架，以防止樣品拉伸而破片。

分析數據

本研究分析了五種電紡膜樣品，分析了它們的孔徑和形態特徵

5種測試的樣品

表1：五種樣品的材料成分與厚度

孔徑和孔徑分佈測量

圖 2：在 POROLUX^TM Cito 上測量的不同電紡膜的乾濕曲線

使用 POROLUX Revo 和 POROLUX Cito 對電紡膜進行分析。兩種孔徑儀測得的孔徑結果彼此高度一致，我們僅在圖 2 中展示了使用 POROLUXTM Cito 測得的孔徑曲線。

所有研究膜的完整孔徑測量均使用 PorefilTM 作為潤濕液進行。測量過程中，使用蝕刻金屬網樣品支撐架支撐樣品。每個樣品尺寸為直徑13 mm，以應對高氣體滲透性。測量時間為 5 至 15 分鐘，視壓力範圍而定。所研究的膜在滲透性和開孔壓力方面有顯著差異。儘管樣品 A 是最薄的膜，但它顯示出低得多的氣體滲透性，這由測量過程中的低體積流速可以看出。與其他樣品相比，樣品 A 的開孔發生在明顯更高的壓力下，這表明存在較小的孔徑。相反，樣品D和E在壓力低於0.5 bar時孔徑變大，表示存在較大的孔徑。測試的電紡膜的平均孔徑範圍為0.2至2.5 µm（表2）。

表 2：用 POROLUX Cito 膜的孔徑，以及用 POROLUX Revo 數學計算的開放孔比例

圖3展示了測試膜的孔徑分佈。所有樣品均表現出非常窄的單峰孔徑分佈。使用POROLUX軟體將曲線擬合成單一高斯函數。 如圖所示，電紡膜的孔徑會因多種因素而變化很大。紡絲溶液中不同的聚合物及其濃度會影響纖維直徑，進而影響孔徑。較粗的纖維通常會產生較大的孔徑，而較細的纖維則產生較小的孔徑。所有測試樣品均獲得了較窄的孔徑分佈，表明這些電紡膜具有較高的選擇性(selectivity)。

圖 3：在 POROLUX Cito 上獲得的不同電紡膜的孔徑分佈

開口孔 (Open porosity)的計算

電紡膜也在 POROLUX™ Revo 上進行了測試，以獲取有關開口孔比例的更多資訊。 POROLUX™ Revo 基於程序升壓法，該方法考慮了樣品的曲折度。由於 POROLUX™ Revo 中增強的數學模型，該儀器除其他參數外，還提供有關開口孔總面積的分析資訊，即所謂的開口孔比例（表 2）。

區分開口孔比例和膜的總孔隙率非常重要。總孔隙率是指膜體積中孔隙空間（孔）所佔的比例，無論這些孔隙是連通的還是孤立的。相反，開放孔比例專門測量孔的體積，這些孔有利於流體流過膜。這代表了參與運輸過程的可進入孔結構空間。

對於電紡膜，典型的總孔隙率值在 60% 到 90% 之間。增強型數學模型採用孔隙率數據，測量的是通孔最狹窄的部分。這通常會導致計算出的開放孔比例遠低於總孔隙率 (Porosity)。儘管由於數學建立模型的性質，開口孔比例的絕對值可能並不完全準確，但樣品之間的比較可以提供有價值的見解。

如表 2 所示，樣品 A 的孔隙率非常低，僅 34.7%，這與毛細管流動孔隙率法的測量結果一致。在所有測試樣品中，膜 A 的孔徑最小，因此氣體滲透性最低。如圖 2 所示，透過乾燥樣品記錄的氣體流速進一步證實了這一點。相比之下，樣品 C 在所有測量的膜中表現出最高的開口孔比例，超過 80%。有趣的是，儘管樣品 C 的孔徑小於樣品 D 和 E，但它們的氣體流速卻相似。這種較高的開孔率可能是由於整體厚度較低和纖維厚度較低共同作用的結果，從而提高了其滲透性。

SEM分析資訊

使用Thermo Fisher的 Phenom XL 掃描電子顯微鏡 (SEM) 觀察電紡膜的形貌。在進行 SEM 分析之前，所有樣品均使用 LUXORAU 濺鍍機進行鍍金。結果如圖 4 所示。

圖4：不同電紡膜的SEM圖

所有測量的電紡膜均具有非織造纖維結構 (nonwoven fibrous structure)，其厚度和紋理有明顯差異。如上所述，較粗的纖維通常會產生較大的孔，而較細的纖維則會導致電紡膜的孔較小。將孔徑數據與SEM圖像進行比較時，這種關係顯而易見。

樣品A的纖維比其他膜細得多，估計的纖維厚度（基於SEM分析）約為120nm。這與孔徑分布結果一致，孔徑分析結果顯示樣品A的孔徑最小。相較之下，孔徑最大、滲透率最高的樣品D和E在SEM影像中顯示出較粗的纖維。 SEM圖像也顯示，所研究樣品的纖維密度各不相同。樣品A的填充密度 (packing density)最高，而樣品E的填充密度最低。樣品A的最高填充密度也解釋了此樣品測得的較低氣體滲透率。

纖維直徑和孔徑的關係更為複雜，不僅受纖維密度的影響，也受纖維取向和膜厚度的影響。雖然SEM影像可以透過分析孔面積佔總面積的比例來估算薄膜孔比例，但僅憑SEM影像估算孔徑可能頗具挑戰性。因此，毛細管流動孔徑儀等分析技術對於精確分析孔徑至關重要。將SEM影像與孔徑儀數據結合，可以全面了解電紡膜的孔洞結構。

討論

電紡膜憑藉其獨特的特性，例如低厚度、高孔隙率和可調的纖維直徑，成為用途廣泛的材料，廣泛應用於眾多領域。 POROLUX™ Cito 和 POROLUX™ Revo 孔徑儀能夠克服測量電紡膜的挑戰，這兩款孔徑儀均能提供可靠且可重複的孔徑測量，確保獲得精確準確的結果。

POROLUX™ Revo 系列採用增強型數學模型，可額外計算開口孔比例，開口孔比例代表可用於流體流動傳輸的開放空間。 POROLUX™ 孔徑儀配備的蝕刻金屬網樣品支撐架或測試面積較小的樣品架等，即使是最複雜的電紡膜也能輕鬆測試。結合掃描電子顯微鏡 (SEM) 成像技術，孔徑測量數據能夠全面了解電紡膜的孔洞結構。