Hierarchical structure analysis of poly(ethylene-co-tetraflouroethylene)-based graft-type polymer electrolyte membranes by small angle X-ray scattering

X線小角散乱によるエチレン-テトラエチレン共重合体を基材とするグラフト型電解質膜の階層構造解析

Tran, D. T.; 澤田 真一; 長谷川 伸; 吉村 公男; 大場 洋次郎*; 大沼 正人*; 勝村 庸介*; 前川 康成

Tran, D. T.; Sawada, Shinichi; Hasegawa, Shin; Yoshimura, Kimio; Oba, Yojiro*; Onuma, Masato*; Katsumura, Yosuke*; Maekawa, Yasunari

燃料電池用高分子電解質膜の発電性能、耐熱性、機械特性の向上には、そのナノ-マイクロメートルに及ぶ階層構造を明らかにすることで、電解質特性を支配する構造を明確にすることが重要である。そこで、放射線グラフト重合法を利用して作製したグラフト型電解質膜の中で、導電率,機械特性や発電性能に優れたエチレン-テトラエチレン共重合体にポリスチレンスルホン酸をグラフトしたプロトン伝導膜について、X線小角散乱(SANS)測定によりその階層構造を詳細に調べた。物質材料研究機構所有の2台のSAXS装置とSPring-8の超小角散乱装置を使用し0.5nm-1.6m範囲の構造解析を実施した結果、相関長1.5nmのイオンチャンネル内構造、29nmのラメラ構造を反映したイオンチャンネル構造、及び390nmのイオンチャンネルのドメイン構造の3つの異なる階層構造を初めて明らかにした。今後、各階層構造のグラフト率依存性などを詳細に検討することで、電解質膜特性を支配する構造を明らかにしていく予定である。

Fundamental understanding of the structure-property relationship of PEM is prerequisite for a material design satisfying PEM performance requirement. Therefore, the hierarchical structures of ETFE-PEMs were characterized using wide q observation in small angle X-ray scattering (SAXS) by comparing those of precursor original ETFE and polystyrene-grafted film (grafted ETFE). ETFE-PEM possesses three distinct structures: (1) Graft polymer domains with d-spacing of 390 nm, which should act as ion conducting layer; (2) Lamellar structures with d-spacing of 29 nm; (3) An inner structure of graft domains with d-spacing of 1.5 nm correspond to correlation distances of sulfonic acid group. The ion-conducting layers and lamellar structures with d-spacing of 390 nm and 29 nm in ETFE-PEM can be confirmed by atomic force microscopy (AFM) and field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), respectively.