Radyasyonla aşılama yöntemi ile üretilmiş poli(etilen-alt-tetrafluroetilen)-polistirensülfonik asit esaslı iyonik polimer metal kompozitler

Abstract

Elektroaktif polimerlerden olan iyonik polimer-metal kompozitler, yüksek bükülme ve kuvvet uygulama davranışlarıyla göze çarpan özellikler sunmuşlardır. Nafion®, yüksek iyon iletkenliği ve mekanik dayanıklılığı gibi özelliklerinden dolayı iyonik polimer-metal kompozit üretiminde sıklıkla kullanılmaktadır. Fakat, pahalı oluşu ve kalınlık seçeneklerinin sınırlı oluşu Nafion®'a olan talebi azaltmaktadır. Bu çalışmada Nafion® bazlı iyonik polimer- metal kompozitlere alternatif olabilecek bir malzeme olarak poli(etilen-alt-tetrafluroetilen)-aşı-polistirensülfonik asit membranı bazlı iyonik polimer metal kompozitler, başarılı bir şekilde sentezlendi.Poli(etilen-alt-tetrafluroetilen), su sevmeyen bir polimerdir. Bu çalışmada, bu filme, radyasyon ile aşılama yöntemi ve onu takiben sülfonlama yapılarak su sevme özellikleri eklenmiştir. Radyasyon ile aşılamada öncelikle film üzerinde ?- ışınları ile ile aktif kısımlar yaratılmıştır. Ardından ise polistiren yan zincirleri bu filme aşılanmış ve bunu takiben sülfonik asit grupları eklenmiştir. Sülfonik asit gruplarının eklenmesi, başlangıçta su sevmeyen filme, su sevme özellikleri katarak bir membran haline getirmiştir. Bu membranların özellikleri aşılama derecesi, su alım kapasitesi ve iyon iletkenlik açılarından incelenmiştir.Poli(etilen-alt-tetrafluroetilen)-aşı-polistirensülfonik asit membranları, elektronsuz platin (Pt) kaplama yöntemiyle iyonik polimer metal kompozitler haline getirilmişlerdir. Bu kompozitler de Nafion® esaslı kompozitler gibi elektrik alanı altında bükülme özelliği göstermişlerdir. Bu yeni iyonik polimer metal kompozitler, Nafion® esaslı kompozitlerden daha üstün bükülme kapasitesi göstermişlerdir. Bunların yanı sıra, aşılamanın, bükülme performansına etkisi incelenmiştir. Ayrıca, poli(etilen-alt-tetrafluroetilen)-aşı-polistirensülfonik asit bazlı yeni iyonik polimer metal kompozitlerin, Nafion® bazlı kompozitlerden farklı olan karakteristik davranışları saptanmıştır. Yeni kompozitler, uygulanan elektrik alanında ilk defa bükülmeden önce PEM (proton değişim membran) yakıt hücrelerinde olan `koşullandırma süreci'ne benzer bir adaptasyon periyoduna ihtiyaç duymuşlardır. İlk bükülme davranışını gösterdikten sonra ise, bükülme kapasiteleri tekrarlanan elektro-mekanik testlerle artmıştır. Bunların yanı sıra, 5V ve üstünde potansiyel alan oluşturulması, bu yeni kompozitlerin bükülme karakteristiklerini etkilemiştir. 5V uygulanan örnekler, sonraki testlerde, zıt-bükülme özellikleri (katoda doğru bükülme ve anoda doğru ters-gevşeme) göstermişlerdir.

Ionic polymer-metal composites (IPMCs), one of the electroactive polymers, have revealed remarkable properties with its large bending behavior and force response under applied low voltages. Nafion® has been used for the manufacturing IPMCs due to its high ionic conductivity and mechanical strength. However, high cost and limited thickness availability of Nafion® diminishes its demand. As a promising alternative to the Nafion® based IPMCs, radiation grafted poly(ethylene-alt-tetrafluoroethylene)-graft-polystyrenesulfonic acid (ETFE-g-PSSA) membrane based IPMCs have been fabricated successfully in this study.Poly(ethylene-alt-tetrafluoroethylene) (ETFE) is a hydrophobic polymer. In this study, hydrophilic properties were induced by radiation grafting followed by sulfonation. Radiation grafting, firstly creates active sites on the ETFE film by -irradiation with ?-rays. Secondly, polystyrenesulfonic acid side chains were grafted into ETFE film by grafting and with a subsequent sulfonation procedure. The introduction of sulfonic acid end groups supply hydrophilic properties to the hydrophobic base film. ETFE-g-PSSA membranes' properties were studied in terms of graft level, water uptake and ionic conductivity.Ionic polymer metal composites (IPMCs) were produced by electroless plating of platinum (Pt) onto both surfaces of ETFE-g-PSSA membranes. ETFE-g-PSSA based IPMCs strips showed an actuation performance under applied electric potentials. The superior actuation performance with higher displacement capabilities was achieved with respect to conventional Nafion® based IPMCs. The effect of grafting on actuation performance was investigated. In addition to these, different characteristics of ETFE-g-PSSA based IPMCs compared to the Nafion® based IPMCs were revealed. For ETFE-g-PSSA based IPMCs, an adaptation period to the applied electric field-prior to the first actuation of the tested sample- was observed such as the conditioning time in PEM (proton exchange membrane) fuel cells. Furthermore, the displacement capability was increased by the repeated actuation performances. Lastly, 5V and above applied potentials are affecting the displacement character of ETFE-g-PSSA based IPMCs widely. After application of 5V, in the next electromechanical tests, a reverse actuation character (actuation towards cathode and back-relaxation towards anode) was observed.