Thin film processing and the morphological and mechanical characterization of Sulfonated Poly (Styrene-Isobutylene-Styrene) (Sibs) triblock copolymers

Abstract

This work focuses on the fabrication and characterization of SIBS thin films deposited via spincoating for potential applications in microelectrochemical devices. The main goals of this project are to determine suitable parameters to fabricate uniform and continuous SIBS thin films and to perform the materials characterization with particular emphasis on the morphology as well as on the mechanical and adhesive properties of the films. The materials properties are evaluated as a function of critical parameters such as the sulfonation percent and polymer concentration in the films. The effect of hydration and temperature on the mechanical properties of the films is also considered. Nafion® thin films are assessed for comparative purposes. A variety of techniques are used for the materials characterization including profilometry, optical microscopy, atomic force microscopy (AFM), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray diffraction, differential scanning calorimetry (DSC), nanoindentation, scratch adhesion testing, and scanning electron microscopy (SEM). The results show that the film continuity and uniformity, as well as the film thickness, increases as a function of both, sulfonation percent and polymer concentration. AFM studies reveal phaseseparated morphologies with critical transitions from a short-range ordered cylindrical/lamellar morphology to a more disordered morphology (network-like structure) as the sulfonation percent increases in the films. Nanoindentation results show that both, the elastic modulus and hardness, increase with the sulfonation percent, except for the 5 wt% polymer films, where the elastic modulus decreases most likely as a result of higher solvent and/or moisture retention in the films. Conversely, the mechanical properties significantly decrease with polymer concentration regardless of the sulfonation percent of the films. A potential correlation is established between the morphology and the mechanical properties of the SIBS thin films. In general, films with a network-like structure exhibit improved mechanical properties as compared to films that exhibit non-interconnected domains. Also, SIBS thin films are more thermo-mechanically stable as compared to Nafion® films, even at low sulfonation percent. Scratch adhesion testing reveals that the practical adhesion for the SIBS thin films is higher as compared to the Nafion® films.

Este trabajo se enfoca en la fabricación y caracterización de películas delgadas de SIBS depositadas por medio de la técnica de “spin-coating” para aplicaciones en dispositivos micro-electroquímicos. Los principales objetivos de este proyecto son determinar los parámetros adecuados para la fabricación de películas delgadas de SIBS que sean continuas y uniformes y también, llevar a cabo la caracterización del material con particular énfasis en la morfología y las propiedades mecánicas y adhesivas. Las propiedades del material se evalúan en función de parámetros críticos como el porcentaje de sulfonación y la concentración de polímero en las películas delgadas. Además, se estudian los efectos de hidratación y temperatura sobre las propiedades mecánicas de las películas. Películas delgadas de Nafion® también se caracterizan con el objetivo de hacer estudios comparativos. Varias técnicas se utilizan para la caracterización del material incluyendo perfilometría, microscopía óptica, microscopía de fuerza atómica, espectroscopía infrarroja de transformada de Fourier, difracción de rayos X, calorimetría diferencial de rastreo, nanoindentación, pruebas de adhesión y microscopía de rastreo electrónico. Los resultados indican que tanto la continuidad, la uniformidad y el espesor de las películas de SIBS aumentan en función del porcentaje de sulfonación y de la concentración de polímero. Los resultados de microscopía de fuerza atómica revelan que cuando el porcentaje de sulfonación aumenta en las películas, éstas exhiben una transición morfológica de cilíndrica-lamelar a una morfología más desordenada, parecida a una red de dominios de poliestireno interconectados entre sí. Los resultados de nanoindentación demuestran que tanto el módulo de elasticidad como la dureza aumentan en función del porcentaje de sulfonación, excepto para las películas fabricadas a una concentración de polímero de 5% (p/p), en donde el módulo de elasticidad disminuye posiblemente debido a una mayor retención de disolvente y humedad en las películas. Por el contrario, las propiedades mecánicas disminuyen significativamente con el aumento en la concentración de polímero, independientemente del porcentaje de sulfonación de las películas. También se establece una posible correlación entre la morfología y las propiedades mecánicas de las películas de SIBS. En general, las películas con morfología de dominios interconectados muestran mejores propiedades mecánicas en comparación con las de morfología conformada por dominios aislados. Además, las películas de SIBS son termomecánicamente más estables que las películas de Nafion® , aún a bajos porcentajes de sulfonación. Los resultados de las pruebas de adhesión revelan que la adhesión de las películas de SIBS es mayor en comparación con las películas de Nafion®.