等離子體聚合制備反滲透復合膜影響因素研究

馬毓淑，陳 欣

（蘭州交通大學環境與市政工程學院，甘肅 蘭州 730070）

我國淡水資源緊缺，淡化海水、苦咸水已成為解決水資源短缺的必經之路。反滲透技術由于具有高效率，能耗低，操作維護方便等優點，是目前淡化海水、苦咸水最經濟有效的方法[1]。

等離子體是物質第四態[2]，因其正負電荷帶電粒子基本相等，故稱其為等離子體。一般可分為熱平衡等離子體和低溫等離子體。熱平衡等離子體電子溫度與離子溫度相同且很高，在此溫度下，一般的有機化合物和聚合物均被裂解，難以生成聚合物，故而常用于生成耐高溫無機物質。低溫等離子體也稱為非平衡等離子體，其電子溫度和離子溫度相差巨大,能生成穩定的聚合物，故而常用于等離子體聚合。低溫等離子體一般可由輝光放電、電暈放電、介質阻擋放電和射頻放電等方法生成[3～4]。

1 等離子體聚合

等離子體聚合[5～6]是近年來迅速發展起來的一種新型聚合方法,是由高能電子激發產生的各種活性化學粒子與其他分子或原子進行反應，也可以通過自身的異構化、重排等獲得的。一般的聚合反應是分子過程,而等離子體聚合是原子間重新組合形成新共價鍵的原子過程。與常規聚合相比，其不強制要求單體具有不飽和單元或兩種以上的特征官能團，拓展了單體的種類；且聚合物膜為具有可控的高度交聯的網狀結構的無孔薄膜，對基體的黏著性、化學穩定性、熱穩定性和機械強度都很好；聚合過程中不使用溶劑，環保且操作靈活方便。因此，等離子體聚合在制備各種新型功能膜領域得到了廣泛應用。

2 等離子體聚合制備反滲透復合膜影響因素

1）能量耦合方式。不同耦合方式所生成聚合物的聚合規律不同。Yasuda觀察到使用電容耦合放電時，沉積速率在一定放電功率范圍內隨著功率的增加而增加。一般在相同的反應條件下電感耦合的沉積速率一般略高于電容耦合[7～8]。

2） 放電功率。潘長江等[9]表明沉積速率隨著功率的增加而增加。許頌臨等[10]在實驗中觀察到放電功率較小時，等離子體中高能粒子濃度隨功率增加而增加，有利于激發電離單體分子，進而加速聚合。當放電功率增加到一定值，雖然高能粒子濃度的增加會導致活性中心的增加，使沉積速率加快，但一些表面聚合物會在高能粒子的轟擊下解離為氣相產物，直到聚合解離平衡，因此沉積速率不再改變。

3）單體壓力。其他條件不變時，沉積速率隨著單體壓力的增加而增加，并在達到最大值后開始下降。這是因為聚合速率受到反應區中單體濃度和粒子能量的限制。當功率固定時，粒子的平均能量較高，但碰撞概率較小，因此聚合速率較低。隨著壓力的增加，單體濃度增加，速率增加。當達到最大值后，隨著壓力的增加，顆粒的平均能量、活性和聚合速率降低。潘長江等[9]表示隨著壓力的增大,流量增加，沉積速率增加。許頌臨等[10]表明單體壓力的大小對產物形態的影響明顯。單體壓力較小時,聚合產物均呈膜狀,但當壓力過大時,除薄膜之外還有粉末出現。

4）單體反應溫度。許頌臨等[11]表示聚合物的沉積速率隨著反應溫度的升高而降低。如果將等離子體視為理想氣體，根據分子運動理論可以得出單位時間內單體分子與單位面積襯底 (壁)之間的碰撞數Z與T-1/2成正比，即：

其中α取決于反應物分子的質量和氣體壓力。碰撞頻率直接決定了反應速度的快慢，這表明高溫不利于表面聚合。

5）單體流速。一般來說，當單體流速低時，聚合速率隨單體流速的增加而增加。單體流速較高時，聚合速率隨單體流速的增加而降低[12]。微孔固體薄膜只能在高真空和高單體流速下獲得。

6）聚合時間。許頌臨等[10]在實驗中得到聚合物膜的厚度隨聚合時間延長而加厚，呈線性關系。魯瀟等[13]在表明聚合量隨著聚合時間的增長而增加，因為實驗中單體持續供應，聚合時間的增長可使聚合單體分子不斷被激發，裂解并聚合。

7）單體性質。許頌臨等[11]在實驗中表明，只有含氮化合物，尤其是烯胺、雜環胺、芳香胺、芳香雜環化合物、脂肪胺和腈，才能在等離子體聚合中形成具有良好反滲透特性的聚合物膜。潘長江等[9]在實驗中得到，與正丙醇相比，丙烯醇的結構中含有容易形成活性自由基的C=＝C雙鍵,且等離子體易使雙鍵打開形成加速聚合的自由基，故而其沉積速率大于正丙醇的沉積速率。

3 結語

等離子體聚合因為其聚合單體可以是任何有機物，乃至無機物，生成的聚合物膜交聯度、機械強度、化學穩定性和熱穩定性均較好，聚合工藝簡單環保，這就使得其在高性能反滲透復合膜制備方面具有很大的潛力[14～15]。但目前我國對等離子體聚合的成膜機理方面研究較弱，聚合單體種類較少，膜制備工藝、膜結構及性能評價技術落后，導致膜產品性能偏低、產品單一、適應性差、應用面窄。今后，我國需從以上個各方面對等離子體聚合制備高性能反滲透復合膜方向進行加強、改進及優化。