Реологические эффекты при набухании полимерных мембран в воде

Обнаружены реологические эффекты, проявляющиеся при набухании протонообменной мембраны "Нафион" в кюветах разной толщины, которые объясняются возникновением так называемой исключенной зоны вблизи поверхности мембраны. Исключенная зона представляет собой полимерные волокна мембраны "Нафион", развернутые в сторону объемной воды. Глубина прорастания волокон в объем или размер исключенной зоны зависят от содержания дейтерия в воде. Следует отметить, что в процессе набухания пластинки из мембраны "Нафион" в воде в ней происходит структурное перестроение, которое приводит к переходу из гидрофобного состояния в гидрофильное. С использованием экспериментальных методов, основанных на инфракрасной фурье-спектроскопии, показано, что набухание первоначально гидрофобной пластины из мембраны "Нафион" в обычной воде (содержание дейтерия 157 ppm) и в обедненной дейтерием воде (содержание дейтерия 1 ppm) в кювете ограниченного объема происходит по-разному. Оказалось, что небольшие изменения содержания дейтерия в воде приводят к значительным различиям динамики набухания полимерной мембраны. Для пластинки из мембраны "Нафион" толщиной 175 мкм этот эффект наиболее выражен, когда расстояние между окнами кюветы составляет 200 мкм

Литература

[1] Mauritz K.A., Moore R.B. State of understanding of Nafion. Chem. Rev., 2004, vol. 104, iss. 10, pp. 4535--4586. DOI: https://doi.org/10.1021/cr0207123

[2] Liu L., Chen W., Li Y. An overview of the proton conductivity of Nafion membranes through a statistical analysis. J. Membr. Sci., 2016, vol. 504, pp. 1--9. DOI: https://doi.org/10.1016/j.memsci.2015.12.065

[3] Wang Y., Chen K.S., Mishler J., et al. A review of polymer electrolyte membrane fuel cells: technology, applications, and needs on fundamental research. Appl. Energy, 2011, vol. 88, iss. 4, pp. 981--1007. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2010.09.030

[4] Pollack G.H. The fourth phase of water. Ebner and Sons, 2013.

[5] Ninham B.W., Lo Nostro P. Molecular forces and self assembly: in colloid, nano sciences and biology. Cambridge Molecular Science. Cambridge Univ. Press, 2010.

[6] Chai B.-H., Zheng J.-M., Zhao Q., et al. Spectroscopic studies of solutes in aqueous solution. J. Phys. Chem. A, 2008, vol. 112, iss. 11, pp. 2242--2247. DOI: https://doi.org/10.1021/jp710105n

[7] Kitadai N., Sawai T., Tonoue R., et al. Effects of ions on the OH stretching band of water as revealed by ATR-IR spectroscopy. J. Solution Chem., 2014, vol. 43, no. 6, pp. 1055--1077. DOI: https://doi.org/10.1007/s10953-014-0193-0

[8] De Almeida S.H., Kawano Y. Ultraviolet-visible spectra of Nafion membrane. Eur. Polym. J., 1997, vol. 33, iss. 8, pp. 1307--1311. DOI: https://doi.org/10.1016/S0014-3057(96)00217-0

[9] Bunkin N.F., Lyakhov G.A., Kozlov V.A., et al. Time dependence of the luminescence from a polymer membrane swollen in water: concentration and isotopic effects. Phys. Wave Phen., 2017, vol. 25, no. 4, pp. 259--251. DOI: https://doi.org/10.3103/S1541308X18010107

[10] Bunkin N.F., Shkirin A.V., Kozlov V.A., et al. Near-surface structure of Nafion in deuterated water. J. Chem. Phys., 2018, vol. 149, iss. 16, art. 164901. DOI: https://doi.org/10.1063/1.5042065

[11] Bunkin N.F., Balashov A.A., Shkirin A.V., et al. Investigation of deuterium substitution effects in a polymer membrane using IR Fourier spectrometry. Opt. Spectrosc., 2018, vol. 125, no. 3, pp. 337--342. DOI: https://doi.org/10.1134/S0030400X18090072

[12] Bunkin N.F., Kozlov V.A., Shkirin A.V., et al. Dynamics of Nafion membrane swelling in H2O/D2O mixtures as studied using FTIR technique. J. Chem. Phys., 2018, vol. 148, iss. 12, art. 124901. DOI: https://doi.org/10.1063/1.5022264

[13] Workman Jr. J., Weyer L. Practical guide and spectral atlas for interpretive near-infrared spectroscopy. CRC Press, 2012.

[14] Gebel G. Structural evolution of water swollen perfluorosulfonated ionomers from dry membrane to solution. Polymer, 2000, vol. 41, iss. 15, pp. 5829--5838. DOI: https://doi.org/10.1016/S0032-3861(99)00770-3

[15] Furst E.M., Squires T.M. Microrheology. Oxford Univ. Press, 2017.

[16] Craig H. Standard reporting concentrations of deuterium and oxygen-18 in natural water. Science, 1961, vol. 133, iss. 3467, pp. 1833--1834. DOI: https://doi.org/10.1126/science.133.3467.1833