Preparasi dan Karakterisasi Alternatif Membran Fuel Cell dari Lateks Karet Alam dan Polistirena Tersulfonasi (sPS)

Abstract

Preparation and characterization of alternative membranes for fuel cells has been carried out by using natural rubber latex modified maleic anhydride (MNR) and sulfonated polystyrene (sPS) with PE-g-MA as compatibilished . The blending process was carried out in a dilute solution of each polymer material followed by an evaporation and casting process with various processes (temperature, condition and composition). Manufacture of PEM from natural rubber and sPS through rod-like structure formation hydrogen bonds between anhydride groups or succinic acids in MNR with –SO3H groups from sPS, which are expected to form long straight chains so that the resulting tunneling can increase transport proton membranes. The characterization of membranes including determination of FT-IR spectroscopy, Xray diffraction (XRD) analysis, differential scanning calorimetry (DSC), thermogravimetric analysis (TGA), dynamic mechanical analysis (DMA), scanning electron microscopy (SEM), proton conductivity with impedance analysis, and water uptake test. The FT-IR data shows that the membrane of the SB-C2 solution blend has strong interactions MNR with sulfonate groups from sPS. The DSC describe that the presence of PE-g-MA in the solution mixture does not change the shape of the crystallinity and melting point of each solution blend significantly. The measurement data with TGA that the solution blend membrane degradation process goes through two stages. SB-C2 solution blend membrane has the highest degradation rate as an indication of good interaction with sPS. The DMA study also shows that in the SBC2 membrane the transition state of natural rubber is not clearly visible and segmental occurs in different amorphous rubber parts with different Tg values as a result of interactions with SPS. The SEM analysis describe that the morphology of SB-C2 is a dense and homogeneous membrane, even though there are grains. The SB-C2 membrane has proton conductivity value of 2.97 x 10-3 (Scm-1) approaching Nafion 117 conductivity of 4.83 x 10-3 (Scm-1). The process of forming PEM membranes with variations in sPS concentrations, namely: Membrane MNR / sPS / PE-g-MA with a concentration of 10% and 20% sPS resulted in a membrane micible but not homogeneous. While MNR / sPS / PE-g-MA membranes with sPS concentrations of 40% and 60% are porous. The highest proton conductivity was produced by MNR / sPS / PE-g-MA membrane with a 40% sPS concentration of 3.37 x 10-2 Scm-1. Increasing the concentration of sPS linearly increases the value of membrane water uptake.

Penelitian tentang preparasi dan karakterisasi membran alternatif untuk sel bahan bakar (fuel cell) dari lateks karet alam termodifikasi grafting maleat anhidrida (MNR) dan polistirena tersulfonasi (sPS) dengan PE-g-MA sebagai compatibilished. Proses blending dilakukan dalam larutan (dilute solution) dari masing-masing bahan polimer diikuti proses penguapan dan casting dengan variasi proses (suhu, kondisi dan komposisi). Pembuatan membran PEM dari bahan karet alam dan sPS melalui pembentukan rod-like structure dari ikatan hidrogen antara antara gugus anhidrida atau asam suksinat dari MNR dengan gugus sulfonat (–SO3H) dari sPS, yang diharapkan akan membentuk rantai panjang lurus sehingga jalur (tunneling) yang dihasilkan dapat meningkatkan transport proton (kondustivitas proton) membran. Karakterisasi membran PEM yang dihasilkan meliputi analisis FT-IR spectroscopy, X-ray diffraction (XRD), differential scanning calorimetry (DSC), thermogravimetric analysis (TGA), dynamic mechanical analysis (DMA), scanning electron microscopy (SEM), konduktivitas proton dengan impedance analysis, dan uji water uptake. Data FT-IR menunjukkan bahwa membran yang dibentuk dari solution blend SB-C2 menghasilkan interaksi yang kuat dari MNR dengan gugus sulfonat dari sPS. Studi termal dengan metode DSC menunjukkan bahwa kehadiran PE-g-MA dalam campuran larutan tidak berubah bentuk kristalinitas dan titik leleh dari masingmasing solution blend secara signifikan. Data pengukuran dengan TGA menunjukkan bahwa proses degradasi membran solution blend melalui dua tahap. Membran dari solution blend SB-C2 memiliki rate degradasi tertinggi sebagai indikasi interaksi yang baik antara MNR dengan sPS. Studi DMA juga menunjukkan bahwa dalam membran SB-C2 keadaan transisi dari karet alam tidak terlihat jelas dan segmental terjadi pada bagian amorf karet yang berbeda dengan nilai Tg yang berbeda sebagai hasil dari interaksi dengan SPS. Hasil analisis SEM menunjukkan bahwa morfologi SB-C2 sebagai membran padat dan homogen, meskipun ada grain. Membran SB-C2 menghasilkan nilai konduktivitas proton yaitu 2,97 x 10-3 (Scm-1) mendekati konduktivitas Nafion 117 yaitu 4,83 x 10-3 (Scm-1). Proses pembentukan membran PEM dengan variasi konsentrasi sPS yaitu: Membran MNR/sPS/PE-g-MA dengan konsentrasi sPS 10% dan 20% menghasilkan morfologi yang micible namun tidak homogen. Sementara membran MNR/sPS/PE-g-MA dengan konsentrasi sPS 40% dan 60% menghasilkan morfologi membran berpori. Konduktivitas proton tertinggi dihasilkan oleh membran MNR/sPS/PE-g-MA dengan konsentrasi sPS 40% sebesar 3,37 x 10-2 Scm-1. Peningkatan konsentrasi sPS secara linier meningkatkan nilai water uptake membran.