低碳功能性孔隙膜材製程技術

 

刊登日期:2023/5/5
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鍾立涵、蔡昂達、賴美君、陳姵吟 / 工研院材化所
 
多孔隙薄膜在現今的應用領域上非常廣泛,舉凡廢水處理、二氧化碳捕捉純化、海水淡化、鋰電池等應用範疇中均占有一席之地。多孔隙膜因應應用領域不同,而有加工方式、孔洞尺寸、孔洞型態之差異,不同的加工方式來自於原材料之基本特性。除了單獨使用孔隙膜材的應用領域外,有部分的使用範疇是在多孔薄膜基礎上賦予其額外的功能性,例如逆滲透、功能性電池隔離膜以及非氟系防水透濕薄膜等。在這類型的應用中,雖然多孔隙薄膜並非主導其功能性,但具有相當程度的影響。
 
【內文精選】
前 言
製備多孔薄膜的方法有許多種,舉凡軌跡蝕刻法、燒結法、熔融拉伸法以及相轉換法等,目前最常被用來製作多孔薄膜的方法為熔融拉伸法以及相轉換法。熔融拉伸法為將可熱塑之高分子置入一可將之熔融且可輸送的押出機中,將之熔融後,一般在押出機後端會以T-die平膜進行塑形,並且控制其冷卻等參數,製備成前驅膜,隨後進入一可加溫腔體,在設定溫度下進行延伸(Stretch),延伸方向分為機械方向(Machine Direction; MD)以及垂直於機械方向(Transverse Directions; TD)兩種,依照不同需求而有不同延伸方向的倍率或是先後順序,以製備成不同結構型態之熔融延伸薄膜。
 
電池隔離膜
基本的鋰電池設計包含四個基本成分,分別為正極、負極、電解液以及隔離膜,其排列方式如圖四所示。隔離膜放置在兩極之間,防止正負極接觸同時傳遞電解液中的離子,使得電化學反應可以持續發生,隔離膜必須防止電子短路但是同時兼具離子導通的能力,因此絕緣的多孔隙材料為很好的選擇。
 
圖四、鋰電池基本結構
圖四、鋰電池基本結構
 
目前市面上電池隔離膜大多以聚烯烴(Polyolefin)材料為主,這是由於隔離膜需長時間浸泡在電解液之中,其周圍不斷地進行電化學反應,因此必須選擇化學與電化學穩定之材料,而聚烯烴材料在這方面有很好的表現。此外聚烯烴材料也具備優異的機械特性,不僅可以承受電池芯組裝時的高張力,也可降低電池使用時隔離膜被穿刺的風險。目前工研院材料與化工研究所發展聚烯烴隔離膜技術已經具有一定的水準,並且持續在連續式製程開發耕耘。
 
多孔隙防水透濕薄膜
「防水透濕」薄膜是一種具有能防雨水穿透又能將汗液蒸氣排出的布料,此布料通常是在布料表面以聚氨酯(PU)、聚四氟乙烯(PTFE)、熱塑性聚氨酯(TPU)或是TPE等材料加工而成。
 
近年產品訴求由高透濕性轉為高透氣性,致使微多孔防水膜材需求漸增。目前主流產品(Gore-Tex®)採用多孔PTFE(鐵氟龍)薄膜作為防水透氣層,此材料長期仰賴進口,且在環保法規漸趨嚴格下,含氟材料將逐漸被限制使用,亟需尋求替代品以符合市場需求。相對地,國內聚氨酯薄膜產業發展成熟,但多孔聚氨酯薄膜無法同時兼具防水及透氣性,工研院也逐步進行多孔聚氨酯防水透濕薄膜開發,其薄膜結構如圖七所示。
 
圖七、工研院自製之聚氨酯多孔薄膜
圖七、工研院自製之聚氨酯多孔薄膜
 
膜分離程序多孔膜
近年來,薄膜分離技術成為許多工業製程中重要的部分之一,且以薄膜為基礎的分離技術相繼地被研究與開發,並廣泛的應用在純化、濃縮與分離各種混合物。儘管在滲透率、選擇性、化學安定性、機械強度、生物適應性、薄膜壽命與長期穩定性等問題上需要進一步克服,但是由於其節省能源、方便擴充與結合其他分離模組等優點,使得薄膜市場呈現高度成長的趨勢,並且有越來越多的國家投入技術與研發於薄膜技術開發中。
 
工研院在膜分離程序用之多孔薄膜研發上亦具有一定的經驗,舉凡薄膜蒸餾用疏水膜、正滲透薄膜、液液分離用滲透蒸發膜等均有開發實績;而因應節能減碳的趨勢,低碳會是研發主軸中下一個重要里程碑,故工研院也聚焦在氣體分離膜用多孔支撐基材膜的開發。二氧化碳捕獲為全球淨零減碳的重要技術,利用薄膜分離二氧化碳具有設備體積小、操作能耗低、容易模組化以及維護容易等優點,尤適合用於廠內空間有限的高科技產業。然而,薄膜分離技術仍需仰賴材料面的突破,以克服CO2/N2選擇率較低、CO2傳遞效率低等問題。前述提及,雖然複合薄膜最大的透過阻力來自於最上層的選擇層,然而中間多孔支撐層之薄膜結構型態、孔隙率等參數亦會影響整體薄膜的透過阻力,故氣體分離用支撐多孔基材膜之結構設計為氣體分離程序的重點之一 ---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
★本文節錄自《工業材料雜誌》437期,更多資料請見下方附檔。

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