Nanoscale structures of radiation-grafted polymer electrolyte membranes investigated via a small-angle neutron scattering technique

中性子小角散乱測定による放射線グラフト電解質膜のナノ構造解析

澤田 真一; 山口 大輔; Putra, A.; 小泉 智*; 前川 康成

Sawada, Shinichi; Yamaguchi, Daisuke; Putra, A.; Koizumi, Satoshi*; Maekawa, Yasunari

高プロトン伝導性を有する放射線グラフト電解質膜を開発するには、膜内構造に関する基礎的知見が非常に重要である。そこで本研究では、中性子小角散乱(SANS)測定により、直接メタノール型燃料電池用として開発を進めたエチレン・テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)を基材とするグラフト電解質膜のナノスケール構造を調べた。グラフト率31%の電解質膜のSANSプロファイルでは、相関長d=34nmの位置にショルダーピークとして、ETFEのラメラ結晶の間に導入されたポリスチレンスルホン酸(PSSA)グラフト領域に起因する構造を確認できた。乾燥及び含水状態においてピーク位置は変化しないことから、ラメラ結晶間という制限された空間内のPSSAグラフト領域は含水していないことがわかった。このことは、ラメラ結晶間のグラフト領域はプロトン伝導に寄与しないことを示唆することから、基材に用いる高分子の結晶構造が電解質膜のプロトン伝導度に影響を及ぼすことが明らかになった。

The nanoscale structures of graft-type polymer electrolyte membranes based on poly(ethylene-co-tetrafluoroethylene) (ETFE) films were investigated using a small-angle neutron scattering (SANS) technique. For comparison, SANS measurements were also performed on two precursor materials, the original ETFE film and polystyrene (PS)-grafted films. The SANS profiles of the grafted films showed shoulder peaks at a d-spacing of approximately 30 nm, which were attributed to the PS grafts introduced into the amorphous phases between the ETFE lamellar crystals. In the ETFE PEMs, the spacing of the polystyrene sulfonic acid (PSSA) grafts and ETFE crystals increased because the graft regions were enlarged by the volume of the attached sulfonic acid groups. Interestingly, the graft / crystal stack spacing in the PEMs did not increase from the dry- to fully-hydrated states. This finding implies restricted water absorption in the PSSA grafts between the ETFE lamellar crystals.