Poly(styrene-isobutylene-styrene) nanocomposite membranes for fuel cell devices and specialty separation applications

Abstract

Ionic domains were incorporate into sulfonated poly(styrene–isobutylene–styrene) (SO3H SIBS) in an effort to improve the transport properties of the functionalized aromatic block copolymer. The resulting polymer nanocomposite membranes (PNMs) were employed for direct methanol fuel cell (DMFC) and chemical and biological protective clothing (CBPC) applications. In order to accomplish that, a comprehensive materials characterization was performed per each study to determine the effect of the addition of the ionic domains in the properties of the prepared PNMs. Additives included isopropyl phosphate (IP), functionalized singlewalled carbon nanotubes (SWCNTs) and graphene oxide (GO). Also SIBS was phosphonated via ATRP (Atom Transfer Radical Polymerization) grafting of poly(vinylphosphonic acid) (PVPA) followed by sulfonation. The transport properties of the PNMs were determined as a function of sulfonation level, SIBS functionalization, additive loading and functionalization. The thermal and oxidative stability was not significantly affected after addition of the nanofillers. Nonetheless, significant differences in the chemical, physical, and transport properties of the PNMs were observed after incorporation of the additives or functionalization of SIBS. It was found indicate that the sulfonation level dictates the water absorption capabilities (i.e., water uptake, swelling ratio, types of water, and water content), morphology, and oxidative stability of the PNMs; meanwhile, nanofiller type, functionalization and loading, along with the chemical functionalization of the copolymer influenced the transport properties (e.g., methanol permeability, proton conductivity, effective proton mobility, and effective vapor permeability). Unique interactions arose between the ionic groups that enhanced the selectivity of SO3H SIBS for the studied applications.

Esta investigación se centra en la incorporación de dominios iónicos a poli(estireno-isobutileno-estireno) sulfonado en un esfuerzo por mejorar las propiedades de transporte del copolímero de bloques funcionalizado. Las membranas poliméricas nanocompuestas se emplearon para aplicaciones de celdas de combustible de metanol y en algunos estudios, ropa de protección contra agentes químicos y biológicos. Se realizó una caracterización de materiales exhaustiva por cada estudio para determinar el efecto de la adición de los dominios iónicos en las propiedades de las membranas preparadas. En este trabajo, los aditivos incluyeron fosfato de isopropilo, nanotubos de carbono de pared única y óxido de grafeno funcionalizados. También, se fosfonó poli(estirenoisobutileno- estireno) mediante un injerto de poli(ácido vinilfosfónico) utilizando polimerización radical de transferencia de átomo y luego sulfonado. Las propiedades de transporte de las membranas se determinaron en función del nivel de sulfonación, la funcionalización del copolímero, concentración y funcionalización de los aditivos. La estabilidad térmica no se vio significativamente afectada después de la adición de los aditivos. No obstante, se observaron diferencias significativas en las propiedades químicas, físicas y de transporte de las membranas después de la incorporación de los aditivos o la funcionalización del copolímero. Los resultados indican que el nivel de sulfonación dicta las capacidades de absorción de agua (es decir, hinchamiento, absorción y contenido de agua), morfología y estabilidad oxidativa de las membranas; mientras tanto, el tipo de aditivo, la funcionalización y la concentración, junto con la funcionalización química del copolímero influyeron en las propiedades de transporte (por ejemplo, permeabilidad de metanol, conductividad del protón, entre otras). Interacciones únicas surgieron entre los grupos iónicos que mejoraron la selectividad del copolímero para las aplicaciones estudiadas.