背景介紹

聚合物膜在工業中被廣泛用於污水處理、燃燒過程中的CO2過濾，甚至作為電池隔離膜的角色，它們可以在低能耗且無需使用溶劑的情況下輕鬆製造，然而這項技術無法廣泛地被工業界使用是因為無法避免在使用過程中的膜污染(membrane fouling)，在這個過程中，顆粒會沉積在膜的表面，導致其過濾的性能損失，而對於此問題的簡單解決方法是將膜與聚合物混合，但這需要膜與所選聚合物之間的高相容性，在本篇文章中，透過使用Turbiscan穩定性指數（TSI）來評估膜與聚合物的相容性。
 

技術原理 

Turbiscan®技術使用一種非侵入性的光學方法，可在不稀釋樣品的情況下對其進行穩定性測量，這項基於靜態多重光散射（SMLS）的技術，是通過將光源（波長880nm）照射在樣品上，並在整個樣品管上收取背向光散射（BS）和透射光訊號（T）信號來實現的，通過以固定的頻率來回掃描樣品管得到不同時間的訊號以監控穩定性，該信號會與顆粒濃度（φ）和大小（d）以及樣品的分散相及自身的折光度有關:


材料與方法 

本次的聚合物膜基質為聚偏氟乙烯（PVDF），為了增強所製備膜的抗污染性能，在鑄造成膜前先將聚乙烯醇（PVA）以不同濃度比例混合到PVDF溶液中，下表一為四種不同PVDF/PVA濃度的溶液配方。
表一、四種PVDF/PVA混和聚合物膜的配方比例
 
膜是通過浸濕沉澱法(immersion precipitation)製造的，在這個過程中，聚合物的相容性將對所得膜的性能和效率產生關鍵影響，實際上，聚合物與膜基質之間的不相容性會導致混和溶液強烈的不穩定，因此造成不均勻的鑄造溶液，因此，在製造膜之前，控制鑄造溶液的穩定性至關重要，為了量化穩定性，我們對四種不同PVDF/PVA混合比例的鑄造溶液，使用Turbiscan®技術進行了325分鐘的分析。
 

實驗結果
鑄造溶液的穩定性與聚合物的相容性之間的關係 

四種溶液的穩定性是通過Turbiscan穩定性指數(TSI)進行定量化的，該指數是從Turbiscan®軟體自動計算的，該參數包括樣品中檢測到的所有變化（沉降、澄清、顆粒大小變化等），在給定的測量時間內，TSI值越高，則穩定性越差。
 
圖一、四種鑄造溶液的TSI值差異
 
圖一顯示了四種鑄造溶液的TSI隨時間變化的演變，顯然可以看出，隨著參入PVA濃度的增加，TSI明顯增加，這意味著混合物的整體穩定性降低；另一方面，聚合物的相容性通常會使用混合焓(mixing enthalpy) ∆Hm進行量化，有充分的研究證實當∆Hm< 10時，聚合物是相容的，因此，在下圖二中，TSI值與混合焓∆Hm進行了比較圖譜，可以發現，TSI與∆Hm呈線性關聯，且具有優秀的迴歸係數。
圖二、TSI值與混和焓的關係圖
 
由於鑄造溶液的穩定性與聚合物的相容性直接相關，因此可以定義出對應於膜製造中聚合物相容性極限的關鍵TSI值，而對於本次實驗的PVDF/PVA鑄造溶液，相容性的臨界TSI值為4.3(對應於∆Hm = 10)。
 
Turbiscan®能夠確定與PVDF膜基質混合的PVA的最佳用量，同時保持足夠的聚合物相容性，最終確保了製造出具有增強抗污染性能的聚合物膜，當然，不只限於PVA，對於其他聚合物也可以使用Turbiscan®技術進行相容性的測試，篩選出較適當的聚合物來混和。
 

結論

Turbiscan®技術在製造抗污染膜時，可以用於迅速進行聚合物相容性的預先篩選，這非常便捷，可以輕鬆計算Turbiscan穩定性指數的臨界值，以便快速優化所需鑄造溶液的適當濃度，因此，確保了聚合物膜具有抗污染性能，同時保持足夠的穩定性，以確保膜的均勻性和效能。
 

參考文獻

Zhang, J., Wang, Z., Wang, Q., Ma, J., Cao, J., Hu, W., & Wu, Z. (2017). “Relationship between polymers compatibility and casting solution stability in fabricating pvdf/pva membranes”. Journal of Membrane Science, 537, 263-271.
 

擁有SMLS技術的Turbiscan

TURBISCAN 為全球第一項獲得專利的技術工具，可對未受應力的產品進行加速老化測試，透過靜態多重光散射（SMLS）的應用，允許對原生濃縮液體分散物進行直接測量；產品提供包括 Turbiscan 穩定性指數（TSI）等多樣參數，方便為不同配方的物理穩定性參數進行比較以及觀測——只需點擊一次，便可便利輸出可比較和可複製的參數結果，成為實驗室中不可或缺的角色。
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