KFUPM ePrints

Synthesis of Ionic Polymers for Proton Exchange Membrane Fuel Cells and Viscosity Modifications

Abu-Thabit, Nidal Y. M. (2010) Synthesis of Ionic Polymers for Proton Exchange Membrane Fuel Cells and Viscosity Modifications. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img]PDF (Synthesis of aiaonic Polymers for Proton Exchange Membrane Fuel Cells and Viscosity Modifications)
Restricted to Registered users only until 29 December 2011.

3552Kb

Arabic Abstract

وcycloterpolymerizations من ماء مونومر كلوريد 1،1 - Diallyl - 4 - formylpiperizinium) مع مونومر فعال جدا (كلوريد diallyloctadecylammonium) وثاني أكسيد الكبريت في sulfoxide ثنائي ميثيل باستخدام azobisisobutyronitrile (AIBN) باعتباره المبادر المعطاة في سلسلة من محلول كهربائي ذو وزن جزيئي مرتفع monocationic للذوبان في الماء (MCPEs) في ما يزيد عن 90 ٪. وقد تم التحقيق في خصائص حل البوليمر الناتج من interconverting محلول كهربائي ذو وزن جزيئي مرتفع (MCPE → DCPE ↔ BCPE). وعرضت DCPEs الزيادة الحادة في اللزوجة في الملح (كلوريد الصوديوم) المضافة حل بالمقارنة مع المياه المالحة خالية. ويرد BCPE الرقم الهيدروجيني التي تستجيب لشرح خصائص النقابي على نحو أفضل في حالة عدم وجود حمض الهيدروكلوريك. وبالإضافة إلى ذلك ، زيادة هائلة في القيم اللزوجة من DCPE في حضور السطحي الكاتيوني. وكان cyclopolymerized مونومر zwitterionic ، إيثيل 3 -- (ن ، ن ، diallylammonio) propanephosphonate ، في محلول مائي باستخدام فوق كبريتات الأمونيوم azobisisobutyronitrile أو كما بادرت إلى تحمل polyphosphonobetaine (جزء في البليون) ، والبوليمر zwitterionic. والبوليمرات ، في المعاملة مع حمض الهيدروكلوريك وهيدروكسيد الصوديوم ، أعطى المحاليل المائية للحمض المقابلة polyphosphononic الكاتيوني (CPP) وpolyphosphonate الأنيونية (APP). خصائص حل جزء في البليون وجود اثنين من جرى التحقيق في وظائف الرقم الهيدروجيني التي تستجيب للتفصيل تقنيات فرق الجهد وتحليل اللزوجة. تم العثور على الثوابت قاعدية المجموعات أمين الوكالة في أن تكون "واضحة" ، وعلى النحو التالي هذه المعادلة هندرسون وHasselbalch تعديل. وأظهر PPB 'antipolyelectrolyte'solution السلوك. وقد أجريت توليف سلفون phosphonated من قبل وظيفة طريقة phosphonation الاستفادة من رد فعل مايكلز - Arbuzov. ارتفاع درجة phosphonation تم تحقيقه حتى to150 ٪. الأغشية التي تم الحصول عليها / البوليمرات في شكل استر وتحلل من قبل refluxing في حمض الهيدروكلوريك المائية. على مستوى عال من محتوى حمض الفوسفونيك 150 ٪ أدى إلى ارتفاع منسوب المياه امتصاص 52 ٪ بالوزن وهو أمر ضروري للوصول إلى ارتفاع قيم التوصيل البروتوني. الأغشية توليفها مع أعلى محتوى حمض الفوسفونيك بلغت 150 ٪ 12 ملي / سم عند 100 درجة مئوية تحت ظروف رطبة تماما وأظهرت انخفاض نفادية الميثانول (9.12 × 10 -8 cm2 / ث) بالمقارنة مع أغشية 117 Nafion. أيضا ، واستخدمت في تصنيعه polysulfones phosphonated في شكل حمض مع درجة تصل إلى 1.0 phosphonation لإعداد البوليمر مع مزيج (SPEEK). وتم تشكيل شبكات أيونية عبر الجسور من خلال الرابطة الهيدروجينية بين المجموعات حامض السلفونيك القوي والمجموعات المترددة من amphoteric حامض الفوسفونيك. وأظهرت هذه الأغشية polyelectrolyte crosslinked ionically تعزيز الخصائص من حيث امتصاص المياه ، وامتصاص الميثانول ، ونفادية الميثانول والاستقرار النفاذية الحرارية من دون خسارة كبيرة في الموصلية البروتونية.

English Abstract

The cycloterpolymerizations of hydrophilic monomer (1,1-Diallyl-4-formylpiperizinium chloride) with hydrophobic monomer (diallyloctadecylammonium chloride) and sulfur dioxide in dimethyl sulfoxide using azobisisobutyronitrile (AIBN) as the initiator afforded a series of water-soluble monocationic polyelectrolytes (MCPEs) in well over 90% yields. The solution properties of the resultant series of interconverting polyelectrolytes (MCPE→DCPE↔BCPE) were investigated. The DCPEs exhibited sharp increase in viscosity in salt (NaCl)-added solution as compared to salt-free water. The pH-responsive BCPE is shown to demonstrate better associative properties in the absence of HCl. In addition, a tremendous increase in the viscosity values of the DCPE was observed in the presence of cationic surfactant. The zwitterionic monomer, ethyl 3-(N,N-diallylammonio)propanephosphonate, was cyclopolymerized in aqueous solution using azobisisobutyronitrile or ammonium persulfate as initiators to afford a polyphosphonobetaine (PPB), a zwitterionic polymer. The polymers, on treatment with HCl and NaOH, gave the aqueous solutions of the corresponding cationic polyphosphononic acid (CPP) and anionic polyphosphonate (APP). The solution properties of the PPB having two pH-responsive functionalities were investigated in detail by potentiometric and viscometric techniques. Basicity constants of the amine groups in APP were found to be “apparent” and as such follow the modified Henderson-Hasselbalch equation. The PPB showed ‘antipolyelectrolyte’solution behavior. The synthesis of phosphonated polysulfone was performed by a post phosphonation method utilizing the Michaels-Arbuzov reaction. High degree of phosphonation up to150 % was achieved. The obtained membranes/polymers in the ester form were hydrolyzed by refluxing in aqueous hydrochloric acid. The high level of phosphonic acid content 150% led to high water uptake level 52 wt % which is necessary to reach high proton conductivity values. The synthesized membranes with highest phosphonic acid content 150% reached 12 mS/cm at 100 ºC under fully hydrated conditions and showed low methanol crossover (9.12 x 10 -8 cm2/s) compared to Nafion 117 membranes. Also, the synthesized phosphonated polysulfones in their ester and acid forms with degree of phosphonation up to 1.0 were utilized for the preparation of polymer blend with sulfonated poly(etheretherketone). Ionic networks were formed through hydrogen bonding bridges between the strong sulfonic acid groups and the amphoteric phosphonic acid groups. This ionically crosslinked polyelectrolyte membranes showed enhanced properties in terms of water swelling, methanol uptake, methanol permeability and thermal stability without loss of proton conductivity.



Item Type:Thesis (PhD)
Date:29 July 2010
Date Type:Completion
Subjects:Chemistry
Divisions:College Of Sciences > Chemistry Dept
Creators:Abu-Thabit, Nidal Y. M.
Email:abuthabit_nidal@yahoo.com
Committee Advisor:shaikh, Asrof
Committee Co-Advisor:Zaidi, SMJ
Committee Members:Al-Daous, M. and Wazeer, M.I.M and Rahman, S. U.
ID Code:136330
Deposited By:NIDAL Y ABU-THABT (g200205020)
Deposited On:19 Jul 2010 09:31
Last Modified:30 Apr 2011 17:09

Repository Staff Only: item control page