等離子體聚合制備反滲透復(fù)合膜影響因素研究

馬毓淑，陳 欣

（蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)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(jīng)之路。反滲透技術(shù)由于具有高效率，能耗低，操作維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，是目前淡化海水、苦咸水最經(jīng)濟(jì)有效的方法[1]。

等離子體是物質(zhì)第四態(tài)[2]，因其正負(fù)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(jī)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?zé)o機(jī)物質(zhì)。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(wěn)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(zhì)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(fā)展起來的一種新型聚合方法,是由高能電子激發(fā)產(chǎn)生的各種活性化學(xué)粒子與其他分子或原子進(jìn)行反應(yīng)，也可以通過自身的異構(gòu)化、重排等獲得的。一般的聚合反應(yīng)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(jià)鍵的原子過程。與常規(guī)聚合相比，其不強(qiáng)制要求單體具有不飽和單元或兩種以上的特征官能團(tuán)，拓展了單體的種類；且聚合物膜為具有可控的高度交聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的無孔薄膜，對(duì)基體的黏著性、化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度都很好；聚合過程中不使用溶劑，環(huán)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(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

2 等離子體聚合制備反滲透復(fù)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(guī)律不同。Yasuda觀察到使用電容耦合放電時(shí)，沉積速率在一定放電功率范圍內(nèi)隨著功率的增加而增加。一般在相同的反應(yīng)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(shí)驗(yàn)中觀察到放電功率較小時(shí)，等離子體中高能粒子濃度隨功率增加而增加，有利于激發(fā)電離單體分子，進(jìn)而加速聚合。當(dāng)放電功率增加到一定值，雖然高能粒子濃度的增加會(huì)導(dǎo)致活性中心的增加，使沉積速率加快，但一些表面聚合物會(huì)在高能粒子的轟擊下解離為氣相產(chǎn)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(shí)，沉積速率隨著單體壓力的增加而增加，并在達(dá)到最大值后開始下降。這是因?yàn)榫酆纤俾适艿椒磻?yīng)區(qū)中單體濃度和粒子能量的限制。當(dāng)功率固定時(shí)，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(dāng)達(dá)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(duì)產(chǎn)物形態(tài)的影響明顯。單體壓力較小時(shí),聚合產(chǎn)物均呈膜狀,但當(dāng)壓力過大時(shí),除薄膜之外還有粉末出現(xiàn)。

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

其中α取決于反應(yīng)物分子的質(zhì)量和氣體壓力。碰撞頻率直接決定了反應(yīng)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(dāng)單體流速低時(shí)，聚合速率隨單體流速的增加而增加。單體流速較高時(shí)，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(shí)間。許頌臨等[10]在實(shí)驗(yàn)中得到聚合物膜的厚度隨聚合時(shí)間延長而加厚，呈線性關(guān)系。魯瀟等[13]在表明聚合量隨著聚合時(shí)間的增長而增加，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中單體持續(xù)供應(yīng)，聚合時(shí)間的增長可使聚合單體分子不斷被激發(fā)，裂解并聚合。

7）單體性質(zhì)。許頌臨等[11]在實(shí)驗(yàn)中表明，只有含氮化合物，尤其是烯胺、雜環(huán)胺、芳香胺、芳香雜環(huán)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(shí)驗(yàn)中得到，與正丙醇相比，丙烯醇的結(jié)構(gòu)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(jié)語

等離子體聚合因?yàn)槠渚酆蠁误w可以是任何有機(jī)物，乃至無機(jī)物，生成的聚合物膜交聯(lián)度、機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性均較好，聚合工藝簡單環(huán)保，這就使得其在高性能反滲透復(fù)合膜制備方面具有很大的潛力[14～15]。但目前我國對(duì)等離子體聚合的成膜機(jī)理方面研究較弱，聚合單體種類較少，膜制備工藝、膜結(jié)構(gòu)及性能評(píng)價(jià)技術(shù)落后，導(dǎo)致膜產(chǎn)品性能偏低、產(chǎn)品單一、適應(yīng)性差、應(yīng)用面窄。今后，我國需從以上個(gè)各方面對(duì)等離子體聚合制備高性能反滲透復(fù)合膜方向進(jìn)行加強(qiáng)、改進(jìn)及優(yōu)化。