放射線架橋・グラフト反応を利用して作製した架橋ポリテトラフルオロエチレン電解質膜の構造解析

Structural analysis of radiation crosslinked- and grafted-polytetrafluoroethylene electrolyte membrane

岩瀬 裕希; 小泉 智; 橋本 竹治; 八巻 徹也; 澤田 真一; 前川 康成

Iwase, Hiroki; Koizumi, Satoshi; Hashimoto, Takeji; Yamaki, Tetsuya; Sawada, Shinichi; Maekawa, Yasunari

量子ビームを活用した架橋・重合プロセスにより、燃料電池膜として作製された架橋ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)電解質膜の作製プロセスにおける構造変化及び膨潤状態の構造について、中性子小角散乱法で測定した結果を報告する。本研究では架橋PTFE電解質膜の高いプロトン伝導性の起源を明らかにするために、この膜内に存在してプロトン伝導特性を担うイオンチャンネルの構造をコントラストバリエーション法を活用して選択的に観察することを試みた。これによりイオン交換容量が増加すると、プロトン伝導度は比例して増加するが、イオンチャンネル構造は棒状からネットワーク状に変化することを見いだした。さらに架橋PTFE電解質膜への作製過程、すなわちPTFEの放射線架橋,スチレンのグラフト重合、及びスルホン化のそれぞれの過程で得られた試料について観察し、イオンチャンネルのサイズは放射線架橋プロセスと密接に関係していることを明らかにした。

By using ultra-small-angle neutron scattering (USANS) techniques, we have investigated the hierarchical structures of the crosslinked-polytetrafluoroethylene (PTFE) electrolyte membrane, which is made by using both radiation-crosslinking and radiation-induced grafting of styrene, in order to reveal the correlation between the hierarchical structure and a proton conducting mechanism. We observed structural changes of crosslinking PTFE electrolyte membrane in each synthetic process and compared the structures between the crosslinking PTFE electrolyte membrane and Nafion112 under swollen state. We detected each effects of radiation crosslinking and grafting, respectively on the scattering profiles. Scattering profile for swollen crosslinking PTFE electrolyte membrane in DO has a no peak around Q = 1.2 , where scattering profile for Nafion has a peak reflected the ion-cluster structure. However, a shoulder-like profile is appeared clearly at Q = 0.14 . This peak-position is agreement with that observed in the scattering profile after radiation-crosslinking process. The presented results suggested that the structure formed by the radiation-crosslinking is close relation with the proton conductivity for the crosslinking PTFE electrolyte membrane.