Hierarchical structure-property relationships in graft-type fluorinated polymer electrolyte membranes using small- and ultrasmall-angle X-ray scattering analysis

X線小角及び超小角散乱解析を用いたグラフト型フッ素系高分子電解質膜の階層構造と特性の関係

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

X線小角及び超小角散乱解析を用いて、ポリエチレンテトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)基材を用いたグラフト型電解質膜(ETFE-PEM)の階層構造を検討した。イオン交換容量(IEC)2.4mmol/g以下のETFE-PEMは、ラメラ結晶の周りに相間距離21.8-29.1nmの導電性のグラフト領域、相間距離218-320nmと903-1124nmの結晶配向領域を有していた。IECが2.7mmol/g以上では、相間距離225-256nmの結晶ネットワーク領域からなる新しい相が形成され、IEC2.4-2.7mmol/gの間で、相転移現象が起こることを見出した。以上の結果により、高IECのETFE-PEMの高いプロトン伝導度は、結晶領域の周り存在する連結したイオンチャンネルに由来し、高い機械強度は残存するラメラ結晶と結晶粒に由来するとの結論を得た。

The hierarchical structures of graft-type ETFE-based polymer electrolyte membranes (ETFE-PEMs) were investigated using small- and ultrasmall-angle X-ray cattering experiments. The ETFE-PEMs with IECs 2.4 mmol/g possessed conducting graft domains around lamellar crystals, with a d-spacing of 21.8-29.1 nm, and oriented crystallites with short and long correlation distances of 218-320 and 903-1124 nm, respectively. The membranes with IECs 2.7 mmol/g showed a new phase of crystallite network domains with a d-range of 225-256 nm, indicating a phase transition from oriented crystallite to crystallite network structures in the IEC range of 2.4-2.7 mmol/g. Noted that for the ETFE-PEMs with high IECs higher conductivity at 30% RH and compatible tensile strengths at 100% RH and 80 C, compared with Nafion, originated from the well-interconnected ion channels around the crystallites and the remaining lamellar crystals and crystallites, respectively.