hrvatski

Polimerni elektroliti na bazi poli(etilen-oksida)

U ovom radu provedeno je sustavno istraživanje strukture i toplinskih svojstava nanokompozita na bazi poli(etilen-oksida) (PEO) u svrhu dizajniranja nanokompozitnog polimernog elektrolita poboljšane ionske provodnosti. Pripravljeni su nanokompoziti PEO-a s različitim nanopunilima (natrijev montmorilonit-NaMMT, komercijalno dostupni organski modificirani montmoriloniti Cloisite 10A, Cloisite 15A, Cloisite 20A, Cloisite 25A, Cloisite 93A i Cloisite 30B) metodom interkalacije iz taljevine. Uloga nanopunila je snižavanje kristalnosti i povećanje udjela amorfne faze polimerne matrice u svrhu poboljšanja prijenosa kationa i ionske provodnosti, a da se pritom ne pogoršavaju ostala svojstva. Na osnovi rezultata provedene strukturne i toplinske karakterizacije izvršena je procjena najpovoljnijeg sustava nanokompozita polimera i nanopunila u koji je naknadno uveden Li+ ion. Rezultati analize raspršenja X-zraka pri malom kutu (SAXS) pokazali su da kod svih ispitivanih uzoraka dolazi do interkalacije PEO-a u međuslojni prostor montmorilonita, čime je potvrđen nastanak nanokompozitne strukture. Analiza spektara infracrvene spektroskopije s Fourierovom transformacijom (FTIR) svih ispitivanih nanokompozita ukazuje na postojanje interakcija između PEO-a i punila. Narušavanje helikoidalne konformacije PEO-a, tj. smanjenje kristalne faze dodatno potvrđuju nastanak interkalirane strukture. Primjenom diferencijalne pretražne kalorimetrije (DSC) ispitan je utjecaj nanopunila na toplinske prijelaze (staklište, talište, kristalište) i kristalnost PEO-a. Naizraženiji utjecaj na snižavanje stupnja kristalnosti PEO-a u nanokompozitima pokazao je NaMMT. Organski modificirani montmoriloniti pri nižim udjelima punila djeluju kao centri nukleacije koji posljedično povećavaju stupanj kristalnosti PEO-a. Analiza dinamičke termogravimetrije (TG) pokazala je da NaMMT poboljšava toplinsku postojanost PEO-a do određenog udjela. Organski modificirani montmoriloniti pri udjelima većim od 10 mas. % značajno snižavaju temperaturu početka razgradnje PEO-a. Najizraženiji negativni utjecaj uočen je u nanokompozitima s Cloisite 10A gdje se temperature početka razgradnje snižavaju i do 198 °C u odnosu na one čistog PEO-a. Rezultati karakterizacije s aspekta odgovarajućih toplinskih i strukturnih svojstava nanokompozita ukazali su na najveći potencijal NaMMT-a kao nanopunila. Uvođenje litijevog iona u sustav provedeno je modifikacijom NaMMT-a metodom ionske izmjene s LiCl čime je dobiven LiMMT. Proučavan je utjecaj LiMMT-a i molekulne mase PEO-a na strukturna i toplinska svojstva nanokompozita PEO/LiMMT te je ispitana međuovisnost dobivenih rezultata i ionske provodnosti. SAXS i FTIR analiza potvrdile su nastanak nanostrukture kod svih pripravljenih nanokompozita PEO/LiMMT. Rezultati FTIR analize ukazali su na značajniju interkaciju Li+ iona s polimernom matricom u nanokompozitima pripravljenim s PEO-om visoke molekulne mase u odnosu na one pripravljene s PEO-om niske molekulne mase. Primjenom DSC analize utvrđeno je da dodatak LiMMT značajno utječe na snižavanje staklišta i stupnja kristalnosti PEO-a, što je stvorilo važan preduvjet za ostvarivanje poboljšane ionske provodnosti. Polimerni nanokompoziti pripravljeni s PEO-om viših molekulnih masa pokazali su niže vrijednosti stupnja kristalizacije. Rezultati dinamičke TG analize pokazali su da LiMMT pogoršava toplinsku postojanost PEO-a, ali i dalje zadovoljava toplinsku postojanost potrebnu za čvrsti polimerni elektrolit. Rezultati dinamičke termogravimetrije ukazuju da LiMMT utječe na mehanizam toplinske razgradnje PEO-a. Primjenom elektrokemijske impedancijske spektroskopije (EIS) utvrđena je međuovisnost strukture nanokompozita i molekulne mase PEO-a na potencijal poboljšanja ionske provodnosti. Dodatak LiMMT-a poboljšava ionsku provodnost svih ispitanih nanokompozita PEO/LiMMT. Ionska provodnost ovisna je o masenom udjelu LiMMT-a u pripravljenim nanokompozitima i molekulnoj masi PEO-a. Najveća vrijednost ionske provodnosti pri sobnoj temperaturi zabilježena je u nanokompozitu pripravljenom s PEO-om viskoznog prosjeka molekulnih masa 300 000 (PEO3) pri 40 mas. % LiMMT-a. Dobivena vrijednost ionske provodnosti iznosi 2, 8•10-6 S cm-1 što je povećanje ionske provodnosti od 949 puta u odnosu na čisti polimer. Za seriju nanokompozita PEO/LiMMT s najvećom ionskom provodnosti provedena je kinetička analiza te su razvijeni kinetički modeli procesa dinamičke toplinske razgradnje. Na temelju rezultata kinetičke analize potvrđeno je da dodatak LiMMT-a utječe na dinamičku toplinsku razgradnju PEO-a. Za razliku od jednostupanjskog procesa dinamičke toplinske razgradnje PEO-a, razgradnja nanokompozita PEO3/LiMMT-a se odvija kroz tri stupnja: difuziju, reakciju n-tog reda s autokatalizom i reakciju n-tog reda.

polimerni nanokompoziti, poli(etilen-oksid), ionska provodnost, kinetička analiza, diferencijalna pretražna kalorimetrija, termogravimetrija, infracrvena spektroskopija, raspršenje X-zraka pri malom kutu

nije evidentirano