Long Functional Graft Polymer Induced Multiscale Morphological Inversion and Enhanced Anion Transport Efficiency in Radiation-Grafted Anion Exchange Membranes

离子 聚合物 高分子化学 离子交换 化学 化学工程 材料科学 有机化学 生物化学 工程类
作者
Yue Zhao,Kimio Yoshimura,Aurel Rădulescu,Yasunari Maekawa
出处
期刊:Macromolecules [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acs.macromol.4c02454
摘要

We comprehensively investigate the hierarchical structures of the previously reported radiation-grafted anion-exchange membranes (AEMs), consisting of p-(2-imidazoliumyl) styrene graft-polymers onto poly(ethylene-co-tetrafluoroethylene) (ETFE) films with different grafting degrees (GD), using the partial scattering function (PSF) analysis. We first confirm the existence of a characteristic GD (GDc) of 20–25%, over which AEMs show enhanced anion transport efficiency. To clarify the structure features in correlation with GDc, two AEMs with GD of 14% and 42% (AEM14 and AEM42) are selected for PSF analysis, where AEMs are treated as a 3-component system, containing EFTE base polymer (BP), graft polymer (GP), and water (W). Our results reveal the two different microphase inversions across GDc in tens of nanometers and a few nanometers ranges, respectively. In the large scale (>10 nm), at GD < GDc (i.e., AEM14), the hydrophilic GP/W domains and dry GP domains coexist together, which are spherically shaped with an average radius of ∼11.5 nm, dispersing in the BP matrix. At GD > GDc (i.e., AEM42), a network structure is formed by irregularly shaped BP domains with a radius of gyration of ∼9.5 nm dispersed in GP/W matrix (hydrophilic/hydrophobic phase-inversion compared to AEM14). In the small scale (<10 nm), ion-channel inversion from water-in-polymer to polymer-in-water in the hydrophilic region is confirmed by the bicontinuous local structures shown in AEM14 and AEM42, with GP or W being the rich phase, respectively. The extraction of these unique structure factors enables the prediction of scattering intensity profiles of AEMs with GD > 42%.

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