聚合物薄膜作為過濾介質
聚合物薄膜是由合成或天然聚合物製成的薄型選擇性介質，用於各種過濾和分離過程。聚合物平板膜可透過多種技術製備，包括相轉化法、界面聚合法、溶劑澆鑄法、拉伸法、靜電紡絲法和蝕刻法。每種方法都能有效控制膜的關鍵特性，例如孔徑、表面性質和機械強度。圖1展示了不同製備技術所獲得的多孔結構。

圖1：透過以下方法製備的多孔膜結構的SEM圖：（a）乾燥拉伸法，（b）相轉化法，（c）蝕刻法，（d）靜電紡絲法
 

膜製造中常用的聚合物包括聚砜 (PS)、聚醚砜 (PES)、聚丙烯腈 (PAN)、聚碳酸酯 (PC)、聚醯胺 (PA)、聚乙烯 (PE) 和聚丙烯 (PP)。聚合物和製造技術的選擇通常取決於分離過程所需的薄膜的耐化學性、機械性能、孔結構以及目標應用所需的孔徑。聚合物膜通常依孔徑和分離性能分為微濾膜（1 µm – 0.1 µm）、超濾膜（0.1 µm – 10 nm）、奈米濾膜（10 nm – 1 nm）和逆滲透膜（< 1 nm）。

聚合物薄膜的主要優勢之一是其卓越的通用性。它們易於製造、功能化和改性，以滿足特定的分離需求。此外，其輕質特性使其成為廣泛應用的理想選擇，包括水淨化、生物技術、透析等醫療、能源生產以及各種工業分離過程。此外，聚合物膜可以製成不同的形式——例如片狀和中空纖維——使其具有高度可擴展性和適應性，適用於大規模工業用途。

聚合物薄膜孔徑測量的挑戰

• 與潤濕液的相互作用：聚合物薄膜由多種聚合物製成，每種聚合物具有不同的化學性質。至關重要的是，潤濕液必須完全潤濕膜材料，且不能與樣品發生相互作用。此類交互作用會導致膜溶脹或添加劑滲出，這兩者都會影響孔徑測量。
• 孔隙結構的多樣性：聚合物薄膜的孔徑會因其合成方法和預期用途的不同而顯著變化。孔徑較大的薄膜在毛細管流動孔徑分析過程中所需的壓力相對較低。相反，孔徑較小的超濾膜需要更高的壓力才能將潤濕液從孔隙中排出。為了準確測量聚合物薄膜的不同孔徑，必須使用能夠在寬壓力範圍內進行精確測量的孔徑分析儀.
• 氣體滲透性的變化：一些高孔隙率的聚合物薄膜表現出顯著增加的滲透性，導致孔徑分析過程中流速升高。在這種情況下，可能需要減少樣品面積。另一方面，一些低孔隙率的緻密膜滲透性很低，因此，在這種情況下，增加樣品面積是有益的.
• 孔徑分佈窄：高選擇性聚合物薄膜的測量具有挑戰性，因為所有孔徑都可能同時打開。為了獲得可靠的結果，孔徑分析儀必須迅速最大限度地減少任何潛在的壓降，並施加平穩、可控的壓力增加.
• 機械強度有限：聚合物薄膜的機械強度可能有限，這取決於它們的厚度、孔隙率和合成方法。這些膜通常具有很高的彈性，在測量薄膜時，施加的壓力會導致膜拉伸，從而增加孔徑。相反，基質剛性較低的薄膜在高壓下可能會發生孔洞結構坍塌，導致孔徑減小。因此，使用合適的樣品支撐物以防止測試過程中損壞對於準確測量至關重要.
• 流動方向：對於高度不對稱的薄膜，應使氣體流向較密的一側進行測量，以確保獲得具有代表性的孔徑資料.

• 總孔隙數（-）
• 總孔隙面積(% and µm²)
• 開孔率(%)
• 計算滲透率 (Darcy)

孔徑分析儀可配備通用三合一樣品尺寸支架或依特定需求訂製的支架。此外，兩種類型的孔徑分析儀均提供多種樣品支撐材料。對於薄而富有彈性的薄膜，建議在孔徑分析測試過程中使用蝕刻金屬支撐網，以防止樣品拉伸而造成分析過程中的破片情況。

分析結果
本研究分析了七種不同類型的聚合物平板薄膜，並著重於其不同的孔洞結構。所選樣品代表了常用的聚合物薄膜，每種薄膜均由不同的聚合物構成，並以不同的製造方法製備。這樣的選擇突顯了膜類型及其孔徑的廣泛多樣性。

表1：所測試膜的材料組成、製備方法及典型應用

孔徑分佈
所有研究的薄膜均使用 POROLUX Revo 孔徑分析儀進行全範圍孔徑測量，並以 Porefil 作為潤濕液。對於易碎膜和/或具有奈米級孔徑的薄膜（樣品 1、2 和 3），在測試過程中使用蝕刻金屬網支撐樣品。測量時間為 15 至 40 分鐘不等，取決於所需的壓力範圍和升壓/平衡次數。所檢測的聚合物平板膜在孔徑和滲透性方面表現出顯著差異。膜的平均流動孔徑（MFP）在超濾和微濾的典型範圍內（見圖2）。最小的孔徑出現在乾拉伸膜（樣品1）中，其MFP為20 nm；而最大的孔徑出現在電紡絲膜（樣品7）中，其MFP為3 µm。

圖 2：在 POROLUXTM Revo 上獲得的不同聚合物平板薄膜的孔徑分佈

用於超濾和微濾的薄膜的孔徑通常在幾奈米到約10微米之間。大多數市售聚合物薄膜是透過相轉化製程生產的，該製程通常可得到孔徑約為1.2微米的薄膜。超過此孔徑限制可能會降低薄膜的機械強度和選擇性層的均勻性。為了製造具有更大孔徑的薄膜，需要採用其他方法，例如靜電紡絲、蝕刻、熔噴或使用編織網。

表2：使用 POROLUXTM Revo 測量的研究膜的孔徑。

在本研究中，我們檢視了三種選定的相轉化膜（樣本3、4和5）。這些膜的平均孔徑 (MFP) 分別約為0.1 µm、0.2 µm和0.6 µm，孔徑分佈相對較寬。這種孔徑適用於水處理、飲料過濾和食品加工等應用，在這些應用中，去除懸浮固體和微生物（例如細菌）至關重要。兩種電紡膜（樣品2和7）的孔徑差異顯著。在所有測試的膜中，樣品7的孔徑最大，平均流動孔徑為3 µm。相較之下，樣品2的孔徑則小得多，僅44nm，屬於奈米級。透過調節電紡參數（例如電壓、速度或聚合物溶液組成）來精確控制孔徑和孔隙率是電紡膜的一大優勢，使其適用於各種生物醫學應用。

蝕刻膜（樣品 6）具有極窄的孔徑分佈。蝕刻膜以其近乎完美的圓柱形直孔而聞名，這使其成為精密過濾和孔隙率測量中理想的參考材料。

圖 3：在 POROLUX Revo 上測量的四種膜的乾濕曲線：乾拉伸膜（樣品 1）、相轉化膜（樣品 4）、蝕刻膜（樣品 6）和靜電紡絲膜（樣品 7)

圖 3 展示了四種選定薄膜的乾濕曲線，突顯了基於其製備方法的流動特性差異。
與乾拉伸膜（15 L/min）和蝕刻膜（60 L/min）相比，靜電紡絲膜（樣品 7）和相轉化膜（樣品 4）表現出顯著更高的體積流量，最高可達 180 L/min。更高的流量表明這些膜具有更優異的氣體滲透性。靜電紡絲膜優異的滲透性歸因於其高孔隙率和開放互連的纖維網絡。類似地，相轉化膜也因其互連的多孔結構而表現出高滲透性。

相較之下，蝕刻膜（樣品 6）的氣體流量則低得多。蝕刻膜通常具有較低的孔密度，即單位面積內的孔數量較少，且孔之間互不連通，這導致其滲透性降低，儘管孔徑保持高度均勻。乾拉伸膜（樣品1）的滲透性極低。這類膜通常用作電池隔膜，其機械強度和精確的孔結構比滲透性更為重要。其極小的孔徑能有效防止短路，但會顯著降低整體氣體滲透性。

結論
聚合物薄膜的孔徑和滲透性會因製備方法和預期用途的不同而有顯著差異。為了精確測量如此多種類薄膜的孔徑，一款可在寬壓力範圍內工作的高精度孔徑分析儀至關重要。
 

• POROLUX Revo 是一款程序升壓氣液孔徑分析儀，可精確測量各種聚合物薄膜的孔徑和孔徑分佈，同時也能補償樣品的曲折度。
• POROLUX Revo 採用專利 MP² 技術，可提供超高解析度和卓越的測量精度。此外，蝕刻金屬支撐網和具有不同測試區域的樣品架等配件，進一步增強了其處理最精細、最具挑戰性的薄膜樣品的能力。POROLUX Revo 能夠在短短幾分鐘內測量多種聚合物薄膜，是研發領域快速、高品質薄膜特性的理想解決方案。

資料來源：POROMETER
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