市場趨勢
◎ 膜的積層製造：更大的設計靈活性和更高的性能
在膜和過濾應用(包括分離)中，性能和成本是創新的關鍵驅動力。雖然在現有生產線上容易達到更高的產量或更容易維護材料供應鏈，但可以使用數位製造和人工智慧(AI)/機器學習等工具研發下一代過濾材料。因此，本文介紹3D列印材料和技術在膜和過濾相關應用的的最新發展：超濾性能、吸附劑、模組墊片、新型過濾和海水淡化膜、水淨化、催化等應用。
在現代社會中，膜分離和過濾技術對於在製造過程中提供安全性、便利性和可擴展性極為重要，其作用主要取決於分離機制、分離規模和尺寸以及流量或生產率。膜的區分可以簡單地以Robeson圖說明，該圖繪製了選擇性與滲透性，廣泛用於水淨化、食品和飲料加工、生物反應產品的增強以及其他生物技術應用。在製藥行業，相純化、抗生素和蛋白質純化和生產等對於純度和分離的要求很高。此外，在逆滲透、電解、透析和電透析中更涉及場梯度的複雜機制。
Robeson圖描繪出選擇率與滲透率權衡關係的上限邊界。
積層製造(Additive Manufacturing)，是利用堆積的技術一層一層的將成品製作出來，又稱3D列印，是工業4.0的九大科技中具備最大潛能去顛覆整個製造業的科技。3D列印已經在推動許多行業和學術研究的創新，例如：航太、汽車、海洋、醫療保健等，也包括清潔空氣和水資源領域。3D列印可以製造複雜的設計和物體。根據製造工具和材料選擇的組合，它比傳統的膜和過濾器製造技術來得快速、經濟及高效率。
除了電透滲之外，其他的水淨化方法都須要壓力驅動。微電子行業相當依賴非常純淨的水，必須使用奈濾和逆滲透膜法來達到高階的水淨化。碳捕捉和資源濃縮包含了氣體分離、蒸氣滲透、滲透蒸發和膜蒸餾等程序。而在氣體分離(洗滌設備、從天然氣中分離二氧化碳、從空氣中分離氮氣、從空氣或廢氣流中去除有機蒸氣或酸性蒸氣)則須要使用緻密膜。這些應用中的每一種都需要不同類型的材料和製造方法。下圖展示3D列印矽膠膜(PDMS)增強的二氧化碳分離能力，直寫成型(DIW)列印PDMS膜的氣體分離性能優於其他的膜。
3D列印矽膠膜的二氧化碳分離性能：(a)直寫成型(DIW)列印的PDMS膜。(b)通過PDMS膜進行氣體分離的機制。(c) Robeson 上限相關圖顯示PDMS-0S和PDMS-10S膜與文獻中報導的其他膜相比的氣體分離性能。PDMS-0S和PDMS-10S的(d)滲透性和(e)選擇性。
積層製造(AM)根據電腦輔助設計(CAD)模型堆積一層又一層的材料來製造零件或原型，一般可分為四個階段：(1) AM技術的選擇，(2)設計或獲取CAD文件，(3)轉換為AM友好文件或模型切割，以及(4)透過3D列印實際製造，嚐盡的七種成型方法包括材料擠出、粉末床熔融、光聚合反應、材料噴射、黏合劑噴射、直接能量沉積和片材層壓等。
積層製造階段示意圖。
利用積層製造方法可以製造差異化的膜或過濾器，例如：在材料或黏合劑噴射技術中，使用液體黏合劑(膠水)的液滴將粉末加入到固體物體中形成層。各層可以使用不同的成分，根據粉末尺寸、粗糙度和尺寸分佈來控制孔隙率。儘管在實際的過濾器或膜應用中，由於積層製造的結合性能較差，填充係數會隨著流量和高壓而降低，使界面處的結構較弱，可利用選擇性雷射燒結(SLS)來改善。適當粉末的選擇、多分散性、粉末與其他粉末和添加劑的混合物等可以達到改進和創造新性能的過濾器。材料擠出方法是較具成本效益的積層製造技術，包括熱熔融層積(FDM)或直寫成型(DIW)。黏性或熔化的材料可以流動並逐層沉積，但由於層間形成空隙以及層間黏合力差，可能會出現熱機械問題。
下圖顯示3D列印有機矽墨水的油/水分離膜及多次循環後保持性能的能力。分離油和水的能力取決於材料的性質，利用3D列印產生孔隙率。在光聚合反應中，使用紫外線(UV)或可見光引發樹脂交聯以形成3D結構，達到精細控制物體表面。
3D列印的油水有機矽膜。(A) 3D列印PDMS，表面有水滴(藍色)和油滴(紅色)。(B) PDMS表面水滴的接觸角。(C) 3D列印的PDMS在水中選擇性吸油。(D) 3D列印的PDMS吸油後膨脹。(E)不同間隙和配方的PDMS海綿的吸油率。(F) 3D列印PDMS膜的循環吸油率。
膜和過濾器設計的3D列印可以使用聚氨酯、聚偏二氟乙烯、聚碸等材料快速進行膜過濾、空氣過濾、海水淡化和水淨化應用的研發，未來可能出現專門針對膜和過濾應用的新材料和3D列印機，更能控制過濾流量和通量，獲得更好的生產效率和速度，加速過濾與分離產業的創新研究和開發。
資料來源：
https://www.filtnews.com/additive-manufacturing-of-membranes-greater-design-flexibility-and-higher-performance/
台灣過濾與分離學會 Taiwan Filtration and Separations Society
