Иономер ( / ˌ aɪ ˈ ɑː n ə m ər / ) ( ионо -+ -мер ) представляет собой полимер , состоящий из повторяющихся звеньев как электрически нейтральных повторяющихся звеньев, так и ионизированных звеньев , ковалентно связанных с основной цепью полимера в виде фрагментов боковых групп . Обычно ионизируется не более 15 мольных процентов . Ионизированные звенья часто представляют собой группы карбоновых кислот.
Классификация полимера как иономера зависит от уровня замещения ионных групп, а также от того, как ионные группы включены в структуру полимера. Например, полиэлектролиты также имеют ионные группы, ковалентно связанные с основной цепью полимера, но имеют гораздо более высокий уровень молярного замещения ионных групп (обычно более 80%); ионены представляют собой полимеры, в которых ионные группы являются частью основной цепи полимера. Эти два класса полимеров, содержащих ионные группы, имеют совершенно разные морфологические и физические свойства и поэтому не считаются иономерами.
Иономеры обладают уникальными физическими свойствами, включая электропроводность и вязкость — вязкость раствора иономера увеличивается с повышением температуры (см. Проводящий полимер ). Иономеры также обладают уникальными морфологическими свойствами, поскольку основная цепь неполярного полимера энергетически несовместима с полярными ионными группами. В результате ионные группы в большинстве иономеров подвергаются микрофазовому разделению с образованием богатых ионами доменов.
Коммерческое применение иономеров включает покрытия для мячей для гольфа , полупроницаемые мембраны , уплотняющую ленту и термопластичные эластомеры . Общие примеры иономеров включают полистиролсульфонат , нафион и хайкар.
Обычно синтез иономеров состоит из двух стадий – введения кислотных групп в основную цепь полимера и нейтрализации части кислотных групп катионом металла. В очень редких случаях введенные группы уже нейтрализуются катионом металла. Первый шаг (введение кислотных групп) можно осуществить двумя способами; нейтральный неионогенный мономер может быть сополимеризован с мономером, который содержит боковые кислотные группы, или кислотные группы могут быть добавлены к неионогенному полимеру посредством модификаций после реакции. Например, этиленметакриловая кислота и сульфированный перфторуглерод (Нафион) синтезируются путем сополимеризации, а сульфонат полистирола синтезируется путем постреакционных модификаций.
В большинстве случаев синтезируется кислотная форма сополимера (т.е. 100% групп карбоновой кислоты нейтрализуются катионами водорода), а иономер образуется путем последующей нейтрализации соответствующим катионом металла. Идентичность нейтрализующего катиона металла влияет на физические свойства иономера; наиболее часто используемые катионы металлов (по крайней мере, в академических исследованиях) — это цинк, натрий и магний. Нейтрализация или иономеризация также может быть осуществлена двумя способами: кислотный сополимер может быть смешан в расплаве с основным металлом или нейтрализация может быть достигнута посредством процессов растворения. Первый метод является предпочтительным с коммерческой точки зрения. Однако, поскольку коммерческие производители неохотно делятся своими процедурами, мало что известно о точных условиях процесса нейтрализации при смешивании в расплаве, за исключением того, что для получения катиона металла обычно используются гидроксиды. Последний процесс нейтрализации решения обычно используется в академических учреждениях. Кислотный сополимер растворяют и к этому раствору добавляют основную соль с соответствующим катионом металла. Если растворение кислотного сополимера затруднено, достаточно простого набухания полимера в растворителе, хотя растворение всегда предпочтительнее. Поскольку основные соли полярны и не растворяются в неполярных растворителях, используемых для растворения большинства полимеров, часто используются смешанные растворители (например, толуол/спирт в соотношении 90:10).
Уровень нейтрализации необходимо определять после синтеза иономера, поскольку при изменении уровня нейтрализации изменяются морфологические и физические свойства иономера. Один из методов, используемых для этого, - исследование высоты пика инфракрасных колебаний кислотной формы. Однако при определении высоты пика может быть существенная ошибка, особенно если в том же диапазоне волновых чисел появляются небольшие количества воды. Титрование кислотных групп — еще один метод, который можно использовать, хотя в некоторых системах это невозможно.
Surlyn — торговая марка иономерной смолы, созданной DuPont , сополимера этилена и метакриловой кислоты , используемого в качестве покрытия и упаковочного материала. [1] DuPont нейтрализует кислоту NaOH , получая натриевую соль. [2] Кристаллы иономеров этилен-метакриловой кислоты демонстрируют двойное плавление. [3]
За счет комплексообразования ионов металлов с полимерной матрицей прочность и ударная вязкость иономерной системы увеличиваются. Некоторые области применения иономеров для повышения прочности всей системы включают покрытия, клеи, модификацию ударной вязкости и термопласты, одним из наиболее известных примеров является использование Surlyn во внешнем слое мячей для гольфа. [4] Иономерное покрытие улучшает прочность, аэродинамику и долговечность мячей для гольфа, продлевая их срок службы. Иономеры также можно смешивать со смолами для увеличения прочности сцепления без уменьшения общей липкости смолы, создавая чувствительные к давлению клеи для различных применений, включая клеи на основе воды или растворителей. [5] Иономеры с цепями поли(этилен-метакриловой кислоты) также могут использоваться в пленочной упаковке благодаря их прозрачности, прочности, гибкости, устойчивости к окрашиванию, высокой газопроницаемости и низкой температуре сваривания. [6] Эти качества также приводят к высокому спросу на использование иономеров в материалах для упаковки пищевых продуктов. [4]
При добавлении иона к определенному проценту полимерной цепи вязкость иономера увеличивается. Такое поведение может сделать иономеры хорошим материалом для загущения буровых растворов, когда система работает при низкой скорости сдвига. [5] Использование иономера для увеличения вязкости системы помогает предотвратить разжижение бурового раствора при сдвиге, особенно при более высоких рабочих температурах.
Другое применение включает способность иономера повышать совместимость полимерных смесей. [6] Это явление обусловлено термодинамикой и достигается за счет введения специфических взаимодействий между функциональными группами, которые становятся все более благоприятными в присутствии иона металла. Смешиваемость может быть обусловлена не только все более благоприятной реакцией между функциональными группами двух разных полимеров, но также сильным отталкивающим взаимодействием между нейтральными и ионными частицами, присутствующими в иономере, что может привести к тому, что одна из этих разновидностей будет более смешиваемой с разновидность другого полимера в смеси. Некоторые иономеры использовались для приложений с памятью формы, то есть материал имеет фиксированную форму, которую можно преобразовать с помощью внешних напряжений выше критической температуры и охладить, а затем восстановить первоначальную форму при повышении температуры выше критической и дать остыть без внешних напряжений. . Иономеры могут образовывать как химические, так и физические сшивки, которые можно легко модифицировать при умеренных температурах обработки, они менее плотны, чем сплавы с памятью формы, и имеют более высокую вероятность биосовместимости для биомедицинских устройств. [6]
Некоторые из недавних применений иономеров включают использование в качестве ионоселективных мембран в различных электрических и энергетических приложениях. [4] Примеры включают катионообменную мембрану для топливных элементов, которая пропускает через мембрану только протоны или определенные ионы, электролизер воды с полимерной электролитной мембраной (PEM) для оптимизации равномерного покрытия катализатора на поверхности мембраны, [7] окислительно-восстановительный аккумуляторный сепаратор, электродиализ , при котором ионы транспортируются между растворами с помощью иономерной мембраны, и электрохимические водородные компрессоры для увеличения прочности мембраны против перепадов давления, которые могут возникать внутри компрессора.