Surface Structure of Nafion in Vapor and Liquid
M. Bass, A. Berman, A. Singh, et al
摘要
Nafion 的微结构会随着水合度的变化而变化。因此，它会从低水合度下紧密堆积的反向胶束（具有水性核心和融合疏水壳（“通心粉束”））转变为高水合度下的正常类型（“意大利面条”）胶束。最近有人推测，当外部介质从蒸汽变为液态水时，聚合物表面会发生类似的“通心粉-意大利面条”转变，即表面排列的通心粉分解为随机取向的意大利面条，这可以解释 Nafion 和类似微相分离离子聚合物的一些令人费解的特征。由此产生的（非平衡）结构可能仍然局限于几纳米厚的表面区域。在这里，使用掠入射小角度 X 射线散射 (GISAXS)、接触角和原子力显微镜 (AFM) 证实了这张图片。旋铸 Nafion 膜的 GISAXS 表明，蒸汽中表面附近束的排列增强，类似于双轴拉伸的效果。这是根据 X-Y（平面内）和 Z（平面外）方向上离子聚合物峰的相对强度和位置随 X 射线穿透薄膜的深度变化而变化的特征变化推断出来的。然而，接触角测量表明，当蒸汽作为外部介质被液态水取代时，蒸汽中 Nafion 相对光滑且非常疏水的表面会转变为亲水表面。此外，AFM 表明液体中的表面粗糙度显著增加。结果表明，Nafion 和类似微相分离材料的表面区域确实可能会发生剧烈的结构变化，即使固体基质的极慢松弛可能会阻止这种变化传播到本体中。这些效应可能会对 Nafion 膜的宏观特性产生深远影响，例如水化和导电性，以及它们在电化学和其他应用中作为离子选择性屏障的功能。