Structure des membranes ionomères
G. Gebel, O. Diat

image de la structure du Nafion à différentes échelles

Bien qu’il n’existe en général aucun ordre à longue distance qui caractérise les films de ionomères, à la fois hydrophiles et hydrophobes, notre objectif est de définir, en utilisant une approche de physico-chimiste par une étude multi-échelles, les différents niveaux d'organisation des groupements ioniques, des tailles moléculaires aux dimensions macroscopiques.
Nous avons longuement étudié la structure des membranes Nafion, système perfluoro-sulfoné de référence dans ce domaine.
Le modèle de Gierke et ses multiples variantes sont basés sur l’existence d’agrégats ioniques (« micelles inverses ») distribués dans une matrice polymère hydrophobe. Ce modèle structural de la membrane Nafion qui est communément admis et même étendu abusivement à la plupart des systèmes de ionomères reste controversé : comment expliquer l’anisotropie optique observée, les valeurs de la conductivité ionique à faible fraction volumique d’eau ou encore l’évolution structurale continue entre le matériau sec et sa complète dispersion en solution aqueuse2. Dans le cadre du travail de thèse de L. Rubatat, il a été proposé un nouveau modèle structural de la membrane Nafion qui prend en compte la membrane dans son état natif ainsi que toutes les phases de gonflement en eau jusqu’à sa dispersion en solution . Ce modèle est basé sur l’agrégation des chaînes polymères en objets allongés (structure directe). Il permet d’expliquer le processus d’hydratation de manière continue sur une large gamme d’échelles, du nanomètre au micron.

 

Figure 1: A) Détermination de la variation de biréfringence d’un film Nafion en fonction du taux d’élongation à partir d’un paramètre d’ordre orientationnel extrait de donnée de DXPA et comparé à celle mesurée sur un banc optique.
B) Superposition d’une simulation (tracé noir) de la position du pic ionomère à partir du modèle de faisceau d’agrégats polymères avec les spectres 2D de DXPA.

Cette distribution a été étudiée et analysée en termes de biréfringence et corrélé aux mesures de diffusion de rayons X et neutrons (fig. 2).
Elles font néanmoins apparaître l’existence d’une faible biaxialité qui semblerait confirmer notre hypothèse de rubans plutôt que de cylindres pour la forme des agrégats. Ce nouveau modèle repose sur une analyse en parallèle d’expériences de microscopie – TEM & AFM (espace réel)– et de diffusion de rayonnement X & neutron (espace de Fourier)– recouvrant un domaine d’échelles beaucoup plus large que les précédentes études.

 

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Maj : 13/10/2011 (197)

 

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