Synthesis and characterization of proton conducting copolymers on the basis of vinylpyrrolidone and vinylphosphonic acid

Abstract

IV VINILPİROLİDON VE VİNİLFOSFONİK ASİT BAZLI PROTON İLETEN KOPOLİMERLERİN SENTEZİ VE KARAKTERİZASYONU Hamit ERDEMİ Yüksek Lisans Tezi-Kimya Mart 2003 Tez Yöneticisi: Yrd. Doç. Dr. Ayhan BOZKURT OZ Serbest radikal polimerizasyon yöntemi ile Vinilpirolidon (VP) ve Vinilfosfonik asit (VPA) monomerlerinin çeşitli başlangıç oranlarında kullanılması ile kopolimerler sentezlendi. Ayrıca susuz proton ileten polimer elektrolitler imidazolun (İM) poli(2- akrilamido-2-metil propan sülfonik asit) içerisinde çeşitli stokiyometrik oranlarda, x, tutularak PAMPSA x İM (x tekrar eden polimer yapılarına denk olan imiadazolun mol sayısı) oluşturuldu. Kopolimerler 'H-NMR, 13C-NMR ile karakterize edildi. Kopolimer bileşimi elemental analiz ile belirlendi. Kopolimer üzerinde bulunan heterosikliklerin protone olarak serbest nitrojen uçlarını oluşturması ve karışımlardaki imidazolun protone oluşu FT-IR ile doğrulandı. Termogravimetrik analiz (TG) kopolimerlerin ve karışımların 200 °C'ye kadar kararlı olduklarını gösterdi. Bunların camsı sıcaklıkları (Tg) diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) yöntemi ile bulundu. Sıcaklığa bağlı değişken akım (AC) iletkenlikleri empedans spektroskopi yardımıyla ölçüldü. AC iletkenlik değerlerinin ekstrapole edilmesi ile doğru akım (DC) iletkenlikleri elde edildi. Kopolimerlerin DC iletkenlikleri 10`14 ile 10`7 S/cm arasında değişiyor. Fakat karışımların DC iletkenlikleri x'in ve sıcaklığın artmasıyla artıyor ve x=2 için 100 °C'de ~10`3 S/cm değerine ulaştı. Anahtar Kelimeler: Vinilpirolidon, Vinilfosfonik asit, poli(2-akrilamido-2-metil propan sülfonik asit), imidazol, kopolimer, karışımlar, proton iletkenliği, termal özellikler.

Ill SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION OF PROTON CONDUCTING COPOLYMERS ON THE BASIS OF VINYLPYRROLIDONE AND VINYLPHOPHONIC ACID Hamit ERDEMİ M.S. Thesis-Chemistry March 2003 Supervisor: Asst. Prof. Dr. Ayhan BOZKURT ABSTRACT Copolymers of Vinylpyrrolidone (VP), and Vinylphosphonic acid (VPA) at various monomer feed ratios were synthesized by free-radical polymerization technique. Also anhydrous proton conducting polymer electrolytes have been prepared by entrapping imidazole, IM in poly(2-acrylamido-2-methyl propane sulfonic acid), PAMPSA with various stoichiometric ratios, x, to form PAMPSA x IM (x is the number of moles of IM per polymer repeat unit). The copolymers were characterized by 'H-NMR and 13C-NMR, and copolymer composition was determined via elemental analysis. The protonation of the heterocycles of the copolymers form 'free' nitrogen side and the protonation of imidazole in blends are confirmed by FT-IR. Thermogravimetric analysis (TG) illustrates that the copolymers and the blends are stable up to 200 °C. Glass transition temperatures (Tg) of them were determined by differential scanning calorimeter (DSC) method. Temperature dependence of the alternating current (AC) conductivities were investigated by means of impedance spectroscopy. The direct current (DC) conductivities are obtained by extrapolating of the AC conductivity data. DC conductivities of copolymers are ranging from 10`1 to 10`7 S/cm, however, those of the blends icreases with x and temperature reaching ~ 10`3 S/cm for x=2 at 100 °C. Keywords : Vinylpyrrolidone, Vinylphosphonic acid, poly(2-acrylamido-2-methyl propane sulfonic acid), imidazol, copolymer, blends, proton conductivity, thermal properties.