J. Phys. France 51, 1341-1354 (1990)
DOI: 10.1051/jphys:0199000510120134100

Distribution of the « micelles » in hydrated perfluorinated ionomer membranes from SANS experiments

Bernard Dreyfus¹, Gérard Gebel¹, Pierre Aldebert¹, Michel Pineri¹, Marielle Escoubes² et Michel Thomas<sup>2

1</sup>  Groupe Physico-Chimie Moléculaire, Service de Physique, Département de Recherche Fondamentale, Centre d'Etudes Nucléaires, 85X, 38041 Grenoble Cedex, France
²  Laboratoires de matériaux plastiques et de Biomatériaux , Université Claude Bernard, Lyon I, 43 Bd du 11 Novembre 1918, 69622 Villeurbanne Cedex, France

Abstract
The analysis of the shape and intensity of small angle neutron scattering (SANS) curves obtained on a perfluorinated ionomer membrane with different water contents suggests a model for the distribution of the hydrated « micelles » in the perfluorinated matrix. The model describes a locally ordered structure for these micelles with four first neighbours located at a well defined distance embedded in a completely disordered gas of micelles. Only two adjustable parameters are necessary to fit the experimental scattering curves over the whole q range, based on the radial distribution function associated with this locally « diamond-like » (tetrahedral) structure. It is demonstrated that both the zero angle upturn and the ionomer peak are linked with the ionic domain existence. It is shown that there is no need for long range fluctuations or large scale defects to interpret the zero angle domain. Our model is in reasonably good agreement with all the experimental results for q (q = 4 π sin θ/λ) ranging from 0.02 to 0.26 Å-1 and for water contents from 6 to 26 % (volume fraction).

Résumé
L'analyse de la forme et de l'intensité de spectres de diffusion de neutrons aux petits angles d'une membrane ionomère perfluorosulfonée en équilibre avec différents taux d'humidité nous permet de proposer un modèle pour la distribution des « micelles » hydratées au sein de la matrice perfluorée. Le modèle décrit une structure localement ordonnée de ces micelles avec quatre premiers voisins localisés à une distance bien définie dans un gaz complètement désordonné de micelles. L'ajustement des spectres expérimentaux à partir de la fonction de distribution radiale, déduite de cette structure localement tétraédrique, nécessite seulement deux paramètres ajustables. Nous démontrons que la remontée aux petits angles et le pic ionomère sont liés à l'existence des domaines ioniques. Nous montrons qu'il n'est pas nécessaire d'invoquer l'existence de fluctuations aux grandes distances ou des défauts à grande échelle pour interpréter le domaine des petites valeurs de q. Notre modèle permet l'obtention d'un bon ajustement entre spectres expérimentaux et courbes théoriques pour des valeurs de q (q = 4 π sin θ /λ) comprises entre 0,02 et 0,26 Å-1 et des fractions volumiques en eau de 6 à 26 %.

PACS
8239W - Ion exchange, dialysis, osmosis, electro-osmosis, membrane processes.
6112E - Neutron scattering (including small-angle scattering).
8270D - Colloids.

Key words
colloids -- membranes -- neutron diffraction examination of materials