電紡膜性能綜合評估：方法與技術要點

電紡技術制備的納米纖維膜因其獨特的結構優勢（如高比表面積、可調控孔隙率、纖維直徑分布窄等），在過濾分離、生物醫學、能源儲存、傳感器等領域展現出巨大潛力。為確保其在特定應用中的可靠性和有效性，系統、全面的性能測試至關重要。以下概述了電紡膜的關鍵測試項目與方法，為材料研發與質量控制提供參考。

一、 基礎物理與形貌表征

1. 微觀形貌觀測：

   • 掃描電子顯微鏡 (SEM)： 最常用手段，直觀獲取纖維直徑及分布、膜表面形貌、纖維取向、孔隙結構、膜厚度等信息。需注意樣品導電處理（噴金/噴碳）。
   • 透射電子顯微鏡 (TEM)： 用于觀察更精細的纖維內部結構、晶體形態或復合膜中納米粒子的分布。
   • 原子力顯微鏡 (AFM)： 提供膜表面三維形貌、粗糙度等納米尺度信息。

2. 孔徑與孔隙率分析：

   • 泡點法/毛細管流孔徑分析法： 利用氣體滲透原理測定膜的最大孔徑、平均孔徑及孔徑分布。是評估過濾性能的重要指標。
   • 液體排除法 (如正丁醇法)： 通過測量膜吸收液體的體積計算總孔隙率。
   • 壓汞法： 適用于部分剛性膜材料，可測量較寬范圍的孔徑分布，但高壓可能破壞柔性電紡膜結構。

3. 厚度測量：

   • 接觸式測厚儀/千分尺： 簡單直接，需多點測量取平均值，注意施加壓力需恒定且輕柔，避免壓縮膜結構。
   • 非接觸式測厚儀 (如激光/渦流式)： 避免接觸壓力影響，精度較高。

4. 表面潤濕性：

   • 接觸角測量儀： 通過液滴在膜表面的接觸角評估親水性或疏水性，對理解液體在膜表面的鋪展、滲透行為至關重要（如防水透氣、油水分離應用）。

5. 化學結構與組成：

   • 傅里葉變換紅外光譜 (FTIR)： 分析膜材料的化學基團、官能團，確認聚合物組成及是否存在改性。
   • X射線光電子能譜 (XPS)： 提供膜表面（約10 nm深度）的元素組成、化學態信息。
   • X射線衍射 (XRD)： 分析材料的結晶結構和結晶度（尤其對半結晶聚合物）。
   • 熱重分析 (TGA) 與差示掃描量熱法 (DSC)： 表征材料的熱穩定性、分解溫度、玻璃化轉變溫度、熔點、結晶度等熱學性能。

二、 關鍵功能性能測試

1. 力學性能：

   • 萬能材料試驗機： 進行拉伸測試，獲取應力-應變曲線，計算關鍵參數：拉伸強度、斷裂伸長率、楊氏模量（彈性模量）、韌性。測試需考慮膜的各向異性（若有纖維取向），并選擇合適的拉伸速率、夾具和樣品尺寸（常為啞鈴型或矩形條）。

2. 過濾分離性能：

   • 過濾效率與阻力測試： 使用過濾效率測試臺或自建裝置。通入含特定粒徑（如0.3 μm是最易穿透粒徑MPPS）標準微粒（PSL、NaCl等）的氣溶膠或懸浮液，測量上下游顆粒濃度，計算過濾效率（%）。同時測量氣體或液體通過膜時的壓力降（阻力）。氣溶膠過濾常用標準（如GB/T 32610, EN 149, NIOSH等），液體過濾需根據應用場景選擇標準。
   • 截留率/截留分子量 (MWCO)： 對于液體分離膜（如超濾、納濾），使用已知分子量分布的標準物質（如聚乙二醇PEG、蛋白質、葡聚糖）溶液進行過濾測試，測定膜對不同分子量物質的截留率，確定其截留分子量。

3. 透氣/透濕性：

   • 透氣性測試儀： 在規定壓差下，測量單位時間內透過單位面積膜的氣體體積（如Gurley法、Frazier法等），評估膜的透氣阻力，對防護、包裝材料重要。
   • 透濕性測試儀 (杯式法/紅外傳感器法)： 測量水蒸氣透過率 (WVTR)，評估膜的透濕能力，對醫用敷料、防護服、電池隔膜等應用很關鍵。

4. 生物相容性 (生物醫學應用)：

   • 細胞毒性試驗 (MTT/CCK-8等)： 評估膜浸提液或直接接觸對細胞活性的影響。
   • 細胞粘附與增殖： 在膜表面培養細胞，觀察細胞形態、粘附情況和增殖速率。
   • 溶血試驗： 評估材料對紅細胞的破壞作用。
   • 需遵循相關生物相容性標準（如ISO 10993系列）。

三、 環境穩定性與耐久性測試

1. 耐化學試劑性： 將膜浸泡在不同pH溶液、有機溶劑或特定化學試劑中一段時間后，觀察形貌變化并重新測試關鍵性能（如力學強度、過濾效率），評估其化學穩定性。
2. 耐老化性：
   • 熱老化： 將膜置于高于室溫的恒定溫度下存放一段時間，測試性能變化。
   • 紫外老化： 模擬日光紫外線照射，評估膜的抗紫外降解能力。
   • 濕熱老化： 在高溫高濕環境下存放，測試性能變化。
3. 長期使用穩定性： 在模擬實際應用條件下（如持續過濾、循環載荷、體液環境等），長時間運行并定期監測性能衰減情況。

四、 特定應用附加測試

• 電池隔膜： 離子電導率、電化學穩定性窗口、熱收縮率、電解液浸潤性、閉孔溫度、破膜溫度、與電極的界面穩定性等。
• 傳感器： 響應靈敏度、選擇性、響應/恢復時間、穩定性、檢測限等。
• 組織工程支架： 降解速率、體內/外生物降解性能、特定細胞功能誘導能力等。
• 催化載體： 活性組分負載量、分散度、催化活性、循環穩定性等。

總結：

電紡膜的測試是一個多維度、多指標的綜合評價過程。測試項目的選擇應緊密圍繞其目標應用場景和核心功能需求。嚴謹、標準化的測試方法和條件對于獲得可靠、可比較的數據至關重要。通過系統化的性能測試，不僅能準確評估電紡膜的當前性能水平，更能深入理解其構效關系，指導材料的優化設計與工藝改進，最終推動電紡技術在高新領域的實際應用落地。