Hierarchical structure analysis of graft-type polymer electrolyte membranes consisting of cross-linked polytetrafluoroethylene by small-angle scattering in a wide- range

広いQ領域からなる小角散乱による架橋テフロンを基材とするグラフト型電解質膜の階層構造解析

岩瀬 裕希*; 澤田 真一; 八巻 徹也; 小泉 智; 大沼 正人*; 前川 康成

Iwase, Hiroki*; Sawada, Shinichi; Yamaki, Tetsuya; Koizumi, Satoshi; Onuma, Masato*; 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、電解質特性を支配するナノ-マイクロメートルに及ぶ階層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が詳細に調べられている架橋テフロンからなる電解質膜について、中性子及びX線小角散乱(SANS, SAXS)を測定した結果、グラフト鎖からなるイオンチャンネルは、48-57nmのラメラ周期、直径480nmのラメラ結晶、及び1.7nmのイオンチャンネル内のスルホン酸の会合に対応する階層構造を有することがわかった。さらに、散乱プロファイルのグラフト率依存性より、ラメラ内部の非晶相に局所的にグラフト相(イオンチャンネル)が形成するため、低いグラフト率で高い伝導性を示すことが判明した。

Fundamental understanding of the structure-property relationship of polymer electrolyte membranes (PEM) is prerequisite for a material design satisfying PEM performance requirement. Small-angle scattering in a wide- range was observed by focusing small-angle neutron scattering (FSANS), small-angle neutron scattering (SANS), and small-angle X-ray scattering (SAXS). The hierarchical structure of the PEM was characterized as being composed of conducting layers (graft domains) in lamellar stacks with 48-57 nm spacing on the surfaces of 480 nm diameter crystallites and ultra-small structures with a 1.7 nm correlation distance of the sulfonic acid groups in the conducting layers. From the change in the SAXS profiles as a function of grafting degrees, it was revealed that the graft domains around the crystallites were connected with the adjoining domains and thus, the PEMs with a higher degree of grafting had conductivity higher than that of Nafion.