Preparation and Characterization of Poly(Vinyl Alcohol) (PVA)/SiO2, PVA/Sulfosuccinic Acid (SSA) and PVA/SiO2/SSA Membranes: A Comparative Study

Abstract

New organic–inorganic nanocomposites based on PVA, SiO2 and SSA were prepared in a single step using a solution casting method, with the aim to improve the thermomechanical properties and ionic conductivity of PVA membranes. The structure, morphology, and properties of these membranes were characterized by Raman spectroscopy, small- and wide-angle X-ray scattering (SAXS/WAXS), thermogravimetric analysis (TGA), differential scanning calorimetry (DSC), dynamic mechanical analysis (DMA), water uptake (Wu) measurements and ionic conductivity measurements. The SAXS/WAXS analysis showed that the silica deposited in the form of small nanoparticles (∼ 10 nm) in the PVA composites and it also revealed an appreciable crystallinity of pristine PVA membrane and PVA/SiO2 membranes (decreasing with increasing silica loading), and an amorphous structure of PVA/SSA and PVA/SSA/SiO2 membranes with high SSA loadings. The thermal and mechanical stability of the nanocomposite membranes increased with the increasing silica loading, and silica also decreased the water uptake of membranes. As expected, the ionic conductivity increased with increasing content of the SSA crosslinker, which is a donor of the hydrophilic sulfonic groups. Some of the PVA/SSA/SiO2 membranes had a good balance between stability in aqueous environment (water uptake), thermomechanical stability and ionic conductivity and could be potential candidates for proton exchange membranes (PEM) in fuel cells.

Nové organicko-anorganické nanokompozity na bázi PVA, SiO2 a SSA byly připraveny v jednom kroku metodou lití do roztoku s cílem zlepšit termomechanické vlastnosti a iontovou vodivost PVA membrán. Struktura, morfologie a vlastnosti těchto membrán byly zkoumány pomocí Ramanovské spektroskopie, rentgenovského rozptylu malých a širokých úhlů (SAXS / WAXS), termogravimetrické analýzy (TGA), diferenciální skenovací kalorimetrie (DSC), dynamické mechanické analýzy (DMA), nasákavosti (Wu) a měření iontové vodivosti. Analýzy SAXS/WAXS ukázaly, že oxid křemičitý se nachází v kompozitech ve formě nanočástic (~ 10 nm). Déle odhalily značnou krystalinitu PVA membrána a PVA/SiO2 kompozitů (klesající se zvyšujícím se obsahem SiO2) a amorfní strukturu PVA/SSA a PVA/SSA/SiO2 kompozitů s vysokým obsahem SSA. Tepelná a mechanická stabilita nanokompozitních membrán se zvyšovala se zvyšujícím se obsahem SiO2, který zároveň snižoval nasákavost membrán. Jak se očekávalo, iontová vodivost se zvyšovala se zvyšujícím se obsahem SSA, které je dárcem hydrofilních sulfonových skupin. Některé z membrán PVA/ SSA/SiO2 měly dobrou rovnováhu mezi stabilitou ve vodném prostředí (nasákavost), termomechanickou stabilitou a iontovou vodivostí a mohly by být potenciálními kandidáty pro membrány používané v palivových článcích (PEM).