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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.85.2008.tde-24082009-145915
Document
Author
Full name
Adriana Napoleão Geraldes
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2008
Supervisor
Committee
Lugão, Ademar Benévolo (President)
Kawano, Yoshio
Lima, Luis Filipe Carvalho Pedroso de
Santiago, Elisabete Inácio
Wiebeck, Helio
Title in Portuguese
Obtenção de membranas poliméricas fluoradas para uso em células a combustível
Keywords in Portuguese
célula a coambustível
exertia
Polímeros fluorados
Abstract in Portuguese
A enxertia de estireno induzida pela radiação gama nos filmes fluorados, poli(tetrafluoroetileno-co-hexafluoropropileno) (FEP), poli(etileno-cotetrafluoroetileno) (ETFE), poli(fluoreto de vinilideno) (PVDF), poli(tetrafluoroetileno-co-perfluoro alquil vinil eter) (PFA) e poli(tetrafluoroetileno) (PTFE) foi realizada pelo método simultâneo de irradiação utilizando uma fonte de cobalto-60. Os filmes fluorados foram imersos em soluções de estireno/tolueno, estireno/isopropanol e estireno/metanol (1:1 v/v) sob atmosfera inerte e temperatura ambiente e, então, submetidos a doses de 20, 40, 80 e 100 kGy. Após a reação de enxertia os filmes foram mantidos à temperatura ambiente, e ainda sob atmosfera inerte, por 7, 14, 21 e 28 dias para avaliar a variação no grau de enxertia em relação ao tempo de pós-irradiação. No final de cada período os filmes foram sulfonados para conferir às membranas fluoradas a propriedade de hidrofilicidade. O grau de enxertia (DOG) foi determinado gravimetricamente e as mudanças químicas e morfológicas nos filmes enxertados e sulfonados foram analisadas por espectroscopia no infravermelho, termogravimertria (TG), calorimetria exploratória diferencial (DSC), microscopia eletrônica de varredura (MEV) e capacidade de troca iônica (IEC). Os testes em célula a combustível foram, também, efetuados pelo levantamento de curvas de polarização. Pela técnica de espectroscopia no infravermelho foi possível confirmar a presença do estireno nos filmes enxertados. O grau de enxertia nos filmes fluorados foi dependente do tipo de solvente utilizado. A análise termogravimétrica dos filmes enxertados mostrou duas etapas de decomposição, enquanto que a dos filmes sulfonados mostrou quatro. Pelos dados de DSC dos filmes enxertados constatou-se pequena variação na temperatura do pico de fusão, sugerindo a formação de poliestireno enxertado pouco penetrado na matriz polimérica. As figuras de MEV mostraram que o solvente tem maior influência na morfologia dos enxertos do que a dose de irradiação. Os testes em célula das membranas de ETFE, PFA e FEP apresentaram uma resposta de polarização satisfatória quando comparadas à membrana comercial Nafion®. POLYMER
Title in English
POLYMER FLUORINATED MEMBRANES FOR FUEL CELLS
Keywords in English
célula a combustível
enxertia
Polímeros fluorados
Abstract in English
The radiation-induced graft of styrene onto fluoropolymers, poly(tetrafluoroethylene-co-hexafluoropropylene) (FEP), poly(ethylene-cotetrafluoroethylene) (ETFE), poly(vinylidene fluoride) (PVDF), poly(tetrafluoroethylene-co-perfluoroalquil vinyl ether) (PFA), and poly(tetrafluoroethylene) was carried out by simultaneous irradiation method in a cobalt-60 source. The fluoropolymers films were immersed in solutions of styrene/toluene, styrene/isopropilic alcohol and styrene/methanol (1:1 v/v) under inert atmosphere and at room temperature and then submitted to 20, 40, 80, and 100 kGy. After grafting reaction the films were kept at room temperature under inert atmosphere for periods of 7, 14, 21 and 28 days in order to evaluate the degree of grafting. At the end of each period, the films were sulfonated to provide the hydrophilic property to fluoropolymer membranes. The degree of grafting (DOG) was gravimetrically determined and the chemical changes in the grafted and sulfonated films were characterized by infrared spectroscopy, thermogravimetric analysis (TGA), differential scanning calorimetry (DSC), scanning electron microscopy (SEM), and ion exchange capacity (IEC) was calculate. Single fuel cell measurements of ETFE, FEP and PFA membranes were performed. New bands attributed to styrene grafted in a fluoropolymers films were observed by FTIR spectra. The degrees of grafting of fluorinated films were solvent dependent. By TGA the grafted films exhibited two steps of degradation and the sulfonated membranes exhibited four steps of degradation. By DSC was possible to verify that matrix polymerics did not suffer any drastic change in the melting temperature after grafting and sulfonation reactions. The SEM images of grafted and sulfonated films showed the morphology depends strongly on the solvent used. The fuel cell performance of ETFE, FEP and PFA films was satisfactory when compared to state-of-art Nafion® membranes.
 
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Publishing Date
2009-09-23
 
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