Estudo da Formação de Ligações Cruzadas por Irradiação Gama em Membranas Híbridas de Polissulfona Bisfenol-A e Sílica Precipitada
Study of Cross-linking Reactions Induced by Gamma Rays in Hybrid Membranes of Bisphenol-A-Polysulfone and Precipitated Silica
Furtado Filho, Acácio Antonio M.; Gomes, Aílton de S.; Lopes, Léa; Benzi, Márcia R.
http://dx.doi.org/10.1590/S0104-14282011005000024
Polímeros: Ciência e Tecnologia, vol.21, n2, p.137-142, 2011
Resumo
No presente trabalho a polissulfona bisfenol-A (PSU) foi sulfonada com o agente de sulfonação trimetil silil cloro sulfônico [(CH3)3SiSO3Cl], em solução homogênea de dicloroetano. A reação de sulfonação foi confirmada por titulação ácido-base e análises FTIR. As membranas híbridas foram obtidas por vazamento da solução polimérica da polissulfona bisfenol-A sulfonada (SPSU) e sílica precipitada Tixosil® 333 em N-N-dimetilacetamida (DMAc), e a formação das ligações cruzadas foi estudada por irradiação. Foram utilizadas doses totais de 5 a 30 kGy de radiação gama, oriunda de uma fonte de 60Co. A absorção de água foi determinada pela variação percentual da massa da membrana seca e hidratada em água deionizada a 40 e 60 °C. A condutividade protônica das membranas na forma ácida foi obtida pela técnica da espectroscopia de impedância ac utilizando um potenciostato/galvanostato. As membranas híbridas reticuladas por irradiação apresentaram condutividade protônica próxima de 10–1 S.cm–1 a 100% RH e 80 °C. O desempenho eletroquímico, as estabilidades térmica e mecânica, e o baixo custo tornam a membrana SPSU híbrida reticulada um possível substituto da membrana Nafion nas células a combustível que usam eletrólito polimérico.
Palavras-chave
Membrana híbrida, condutividade protônica, irradiação gama, ligações cruzadas
Abstract
In this work the bisphenol-A-polysulfone (PSF) was sulfonated using trimethyl silyl chlorosulfonate [(CH3)3SiSO3Cl] as a mild sulfonating agent in a homogeneous solution of dichloroetane. The sulfonation reaction was confirmed by acid-base titration and FTIRspectroscopy analysis. The hybrid membranes were obtained by casting the sulfonated bisphenol-A-polysulfone (SPSF) and precipitated silica Tixosil® 333 solutions in N-N-dimethylacetamide. Cross-linking in the hybrid membranes was obtained by irradiation, with doses ranging from 5 to 30 kGy using gamma ray from a 60Co source. The water uptake and the swelling of the membranes were estimated by measuring the change in weight between dry and wet conditions. The conductivity of the membranes in acid form was measured with the ac impedance technique using a PGSTAT30 frequency response analyzer. The hybrid cross-linked membranes have conductivity close to 10–1 S.cm–1 at 100% RH and 80 °C. Electrochemical performances, thermo-mechanical stability and low cost make this cross-linked SPSF hybrid membrane an attractive material for fuel cells using a proton exchange membrane.
Keywords
Hybrid membrane, proton conductivity, gamma ray irradiation, cross-linked
References
1. Böddeker, K. W.; Peinemann, K. V. & Nunes, S. P. - J. Memb. Sci, 185,
p.1 (2001).
2. Bruijn, F. A.; Dam, V. A. T.; Janssen, G. J. M. - Fuel Cells, 08 p.3 (2008).
3. Borup, R. et al. – Chem. Rev., 107, p.3904 (2007).
4. Hotza, D. & Costa, J. C. D. - Hydrogen Energy, 33, p.4915 (2008).
5. Lufrano, F.; Squadrito, S.; Patti, A.; Passalacqua, E.- J. Appl. Polym. Sci., 77, p.1250 (2000).
6. Kerres, J. A. - J. Memb. Sci., 185, p.3 (2001).
7. Rikukaua, M. & Sanui, K. - Progr. Polym. Sci., 25, p.1463 (2000).
8. Manea, C.; Mulder, M. - J. Memb. Sci., 206, p.443 (2002).
9. Murakami, K. & Kudo, H. - Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B., 265, p.125 (2007).
10. Wang, F.; Hickner, M.; Kim, Y. S.; Zawodzinski, T. A.; McGrath, J. E. - J. Memb. Sci, 197, p.231, (2002).
11. Karlsson, L. E. & Jannasch, P. - J. Memb. Sci., 230, p.61 (2004).
12. Karlsson, L. E. & Jannasch, P. – Electroch. Acta, 50, p.1939 (2005).
13. Park, Y. & Yamazaki, Y. - Polym. Bull., 53, p.181 (2005).
14. Tager, A. – Phys. Chem. Polym., p.338 (1978).
15. Clough, L. R. - Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B., 185, p.8 (2001).
16. Bhattacharya, A. - Progr. Polym. Sci., 25, p.371 (2000).
17. Reichmanis, E.; Frank, C. W.; O’Donnell, J. H.; Hill, D. J. T. - ACS Symposium Series, 527, p.1 (1993).
18. Sasuga, T.; Kudoh, H. & Seguchi, T. - Polymer, 40, p.5095 (1999).
19. Izumi, Y.; Nagaike, H.; Tabuse, S.; Yoshida, Y. & Tagawa, S. – Rad. Phys. Chem., 62, p.83 (2001).
20. El-Sayed, A.; Hegazy, E. A.; Sassuga, T.; Nishii, M. & Seguchi, T. - Polymer, 33, p.2897 (1992).
21. Hill, D. J. T.; Lewis, D. A.; Donnell, J. H. & Whittaker, A. K. – Polym. Adv Technol., 9, p.45 (1998).
22. Gupta, B.; Bfichi, F. N.; Scherer, G. G. & Chapiro, A. - Solid State Ion., 61, p.213 (1993).
23. Nasef, M. M.; Saidi, H. & Yarmo, M. A. - J. Appl. Polym. Sci., 76, p.336 (2000).
24. Nasef, M. M.; Saidi, H.; Nor, H. M. - J. Appl. Polym. Sci., 78, p.2443 (2000).
25. Silverstein, R. M.; Bassler, G. C.; Morrill, T. C. - “Identificação espectrométrica de compostos orgânicos”, Guanabara Koogan, Rio de Janeiro (1994).
26. Guan, R.; Zou, H.; Lu, D.; Gong, C.; Liu, Y. - Europ. Polym. J., 41, p.1554 (2005).
27. Dai, H.; Guan, R.; Li, C. & Liu, J. - Solid State Ion., 178, p.339 (2007).
28. Chen, J.; Asano, M.; Yumaki, T. & Toshida, M. - J. Power Sources, 158, p.69 (2006).
29. Smitha, B.; Sridhar, S. & Khan, A. A. - J. Memb. Sci., 225, p.63 (2003).
30. Devrim, Y.; Erkan, S.; Baç, N. & Eroglu, I. - Hydrogen Energy, 34, p.3467 (2009).
31. Park, J.-S.; Choi, J.-H.; Woo, J.-J. & Moon, S.-H. - J. Coll. Interf. Sci., 300, p.655 (2006).
32. Yuan, X.; Sun, J. C.; Blanco, M.; Wang, H. & Zhang, J. - J. Power Sources, 161, p.929 (2006).
33. Iojoiu, C.; Dimitrova, P.; Maréchal, M. & Sanchez, J.-Y. – Electroch. Acta, 51, p.4789 (2006).
34. Furtado, A. A. M. F. & Gomes, A. S. - Inter. J. Polym. Mater., 59, p.424 (2010).
35. Kawahara, M.; Rikukawa, M.; Sanui, K. & Ogata, N. - Solid State Ion., 136, p.1193 (2000).
36. Xing, P.; Robertson, G. P. & Guiver, M. D. - J. Memb. Sci., 229, p.95 (2004).
37. Tsai, J-C.; Kuo, J-F.; Chen, C-Y. - J. Power Sources, 174, p.103 (2007).
38. Park, H. B.; Nam, S. Y.; Rhim, J. W.; Lee, J. M.; Kim, S. E.; Kim, J. R. & Lee, Y. M. - J. Appl. Polym. Sci., 86, p.2611 (2002).
39. Chennamsetty, R.; Escobar, I. & Xu, X. - Desalination, 188, p.203 (2006).
2. Bruijn, F. A.; Dam, V. A. T.; Janssen, G. J. M. - Fuel Cells, 08 p.3 (2008).
3. Borup, R. et al. – Chem. Rev., 107, p.3904 (2007).
4. Hotza, D. & Costa, J. C. D. - Hydrogen Energy, 33, p.4915 (2008).
5. Lufrano, F.; Squadrito, S.; Patti, A.; Passalacqua, E.- J. Appl. Polym. Sci., 77, p.1250 (2000).
6. Kerres, J. A. - J. Memb. Sci., 185, p.3 (2001).
7. Rikukaua, M. & Sanui, K. - Progr. Polym. Sci., 25, p.1463 (2000).
8. Manea, C.; Mulder, M. - J. Memb. Sci., 206, p.443 (2002).
9. Murakami, K. & Kudo, H. - Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B., 265, p.125 (2007).
10. Wang, F.; Hickner, M.; Kim, Y. S.; Zawodzinski, T. A.; McGrath, J. E. - J. Memb. Sci, 197, p.231, (2002).
11. Karlsson, L. E. & Jannasch, P. - J. Memb. Sci., 230, p.61 (2004).
12. Karlsson, L. E. & Jannasch, P. – Electroch. Acta, 50, p.1939 (2005).
13. Park, Y. & Yamazaki, Y. - Polym. Bull., 53, p.181 (2005).
14. Tager, A. – Phys. Chem. Polym., p.338 (1978).
15. Clough, L. R. - Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B., 185, p.8 (2001).
16. Bhattacharya, A. - Progr. Polym. Sci., 25, p.371 (2000).
17. Reichmanis, E.; Frank, C. W.; O’Donnell, J. H.; Hill, D. J. T. - ACS Symposium Series, 527, p.1 (1993).
18. Sasuga, T.; Kudoh, H. & Seguchi, T. - Polymer, 40, p.5095 (1999).
19. Izumi, Y.; Nagaike, H.; Tabuse, S.; Yoshida, Y. & Tagawa, S. – Rad. Phys. Chem., 62, p.83 (2001).
20. El-Sayed, A.; Hegazy, E. A.; Sassuga, T.; Nishii, M. & Seguchi, T. - Polymer, 33, p.2897 (1992).
21. Hill, D. J. T.; Lewis, D. A.; Donnell, J. H. & Whittaker, A. K. – Polym. Adv Technol., 9, p.45 (1998).
22. Gupta, B.; Bfichi, F. N.; Scherer, G. G. & Chapiro, A. - Solid State Ion., 61, p.213 (1993).
23. Nasef, M. M.; Saidi, H. & Yarmo, M. A. - J. Appl. Polym. Sci., 76, p.336 (2000).
24. Nasef, M. M.; Saidi, H.; Nor, H. M. - J. Appl. Polym. Sci., 78, p.2443 (2000).
25. Silverstein, R. M.; Bassler, G. C.; Morrill, T. C. - “Identificação espectrométrica de compostos orgânicos”, Guanabara Koogan, Rio de Janeiro (1994).
26. Guan, R.; Zou, H.; Lu, D.; Gong, C.; Liu, Y. - Europ. Polym. J., 41, p.1554 (2005).
27. Dai, H.; Guan, R.; Li, C. & Liu, J. - Solid State Ion., 178, p.339 (2007).
28. Chen, J.; Asano, M.; Yumaki, T. & Toshida, M. - J. Power Sources, 158, p.69 (2006).
29. Smitha, B.; Sridhar, S. & Khan, A. A. - J. Memb. Sci., 225, p.63 (2003).
30. Devrim, Y.; Erkan, S.; Baç, N. & Eroglu, I. - Hydrogen Energy, 34, p.3467 (2009).
31. Park, J.-S.; Choi, J.-H.; Woo, J.-J. & Moon, S.-H. - J. Coll. Interf. Sci., 300, p.655 (2006).
32. Yuan, X.; Sun, J. C.; Blanco, M.; Wang, H. & Zhang, J. - J. Power Sources, 161, p.929 (2006).
33. Iojoiu, C.; Dimitrova, P.; Maréchal, M. & Sanchez, J.-Y. – Electroch. Acta, 51, p.4789 (2006).
34. Furtado, A. A. M. F. & Gomes, A. S. - Inter. J. Polym. Mater., 59, p.424 (2010).
35. Kawahara, M.; Rikukawa, M.; Sanui, K. & Ogata, N. - Solid State Ion., 136, p.1193 (2000).
36. Xing, P.; Robertson, G. P. & Guiver, M. D. - J. Memb. Sci., 229, p.95 (2004).
37. Tsai, J-C.; Kuo, J-F.; Chen, C-Y. - J. Power Sources, 174, p.103 (2007).
38. Park, H. B.; Nam, S. Y.; Rhim, J. W.; Lee, J. M.; Kim, S. E.; Kim, J. R. & Lee, Y. M. - J. Appl. Polym. Sci., 86, p.2611 (2002).
39. Chennamsetty, R.; Escobar, I. & Xu, X. - Desalination, 188, p.203 (2006).
Facebook
Google+
Twitter
LinkedIn
Mendeley
StumbleUpon
CiteULike
Reddit
Email