李旋維、張書噥、林俊男、朱文彬、蔡麗端/工研院材化所
三、調整膜形態和表面性質-從基礎到應用
本篇論文發表在大會演講上，由台灣中原大學薄膜技術研發中心創辦人賴君義教授擔任亞洲區的會議主席，介紹關於薄膜成形機制研究與膜分離技術(Membrane Separation)，是首次提出非溶劑致相分離(Nonsolvent-Induce Phase Separation, NIPS)的研究團隊。相分離主要分為下列三種：熱致相分離(Thermally-Induced Phase Separation, TIPS)、蒸氣誘導式相分離(Vapor-Induced Phase Separation, VIPS)、濕式誘導式相分離(Liquid-Induced Phase Separation, LIPS)與NIPS相似(圖六)。
圖六、三相圖(Ternary Phase)與相分離路徑圖
當高分子鑄膜液浸入凝聚液中固化成膜，溶劑與非溶劑會產生質傳交換，若凝聚液進入鑄膜液的通量大於溶劑擴散至凝聚槽的通量時，成膜路徑較容易進入相分離區，通常可獲得孔隙度較高的薄膜。動力學可簡易解釋相分離後的膜材結構，當發生質傳交換時可能經過相分離線(Binodal Curve)或調幅線(Spinodal Curve)，路徑1為直接固化形成的緻密膜材，路徑2為高分子貧相(Polymer Lean Phase)成核所形成的海綿狀結構，路徑3可獲得蕾絲結構，路徑4則為高分子富相(Polymer Rich Phase)成核所形成的顆粒堆積結構。
質傳交換時間也是參考要素之一，tm為質傳到半穩態所需要的時間，通常受質傳速度影響，tmc為高分子貧相或富相成核所需要的時間，溶劑的穩定性與相容性影響較大，當tm<tmc，膜材孔隙呈現蕾絲結構；當tm>tmc，膜材孔隙呈現海綿狀結構，提升高分子的分子量、增加鑄膜液固含量、降低高分子與溶劑間的溶解度皆會使tmc值增加，而tm值可藉由FT-IR與特製模具來檢測，將鑄膜液夾在模具15μm縫隙間，並逐步增加水氣含量，同時電腦紀錄水的吸收峰值與時間變化，即可描繪出動力學成膜路徑。
膜材內部的高分子體積可分成兩部分，分別為被分子鏈占據的占有體積，與未被分子鏈占據的空缺，又稱為自由體積(Free Volume)，自由體積的大小、數量和尺寸分布等因素決定了濾膜的輸送性能，甚至還會影響高分子材料的熱學、力學與電學等特性。正電子湮滅譜(Positron Annihilation Spectroscopy, PAS)是目前探測高分子中原子尺度自由體積孔洞大小、數量及分布最靈敏的方式，並且對樣品不具破壞性，此技術最常使用的正電子產生來源為22Na，可將22Na視為最初的原子核加上一對虛擬的電子與正電子對，在衰變過程中電子會被質子吸收，接著正電子和一個微中子被放射出，產生能量高於基態約1.28 MeV的激發態22Ne。此激發態的壽命非常短暫，藉由放射出能量1.28 MeV的γ光子，22Ne從激發態降至基態，而γ光子成為偵測正電子壽命的起始訊號。當正電子與材料游離出的電子在空缺中碰撞，會使偵測訊號湮滅，最後放射出能量0.511 MeV的γ光子做為結束訊號。擷取上述數據並記錄時間可得知膜材的原子尺度孔洞大小、數量及其分布(圖七)。
圖七、台灣中原大學的賴君義團隊報導內容-基礎原理
為了增加膜材的使用壽命，減少清洗膜材程序與更換膜管次數，如何使膜材具有抗污能力成了學術中關鍵的議題。張雍教授設計一款高分子共聚物做為添加劑，此結構頭尾兩側分別為親水端與親油端，親水端結構為PEG長鏈，因PEG長鏈能在膜面上吸引水分子並形成水合層，具有抗污的效用，而親油端結構為 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
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