Иономер

Полимер, содержащий много ионных или ионизируемых функциональных групп

Иономер ( / ˌ aɪ ˈ ɑː n ə m ər / ) ( ионо- + -мер ) представляет собой полимер, состоящий из повторяющихся единиц как электронейтральных повторяющихся единиц, так и ионизированных единиц, ковалентно связанных с основной цепью полимера в качестве боковых групповых фрагментов . Обычно ионизировано не более 15 молярных процентов . Ионизированные единицы 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 полимерной основой, но имеют гораздо более высокий уровень молярного замещения ионных групп (обычно более 80%); ионены — это полимеры, в которых ионные группы являются частью фактической полимерной основы. 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 ростом температуры (см. проводящий полимер ). Иономеры также обладают уникальными морфологическими свойствами, поскольку неполярная полимерная основа энергетически несовместима с полярными ионными группами. В результате ионные группы в большинстве иономеров будут подвергаться микрофазному разделению с образованием доменов, богатых ионами.

Коммерческие применения иономеров включают покрытия для мячей для гольфа , полупроницаемые мембраны , уплотнительную ленту и термопластичные эластомеры . Распространенные примеры иономеров включают полистиролсульфонат , Nafion и Hycar.

Определение ИЮПАК

Иономер : полимер, состоящий из молекул иономера . ^[1]

Молекула иономера : макромолекула , в которой небольшая, но
значительная часть структурных единиц имеет ионизуемые
или ионные группы, или и те, и другие.

Примечание : некоторые молекулы белка можно классифицировать как
молекулы иономера. ^[2]

Синтез

Обычно синтез иономера состоит из двух этапов — введения кислотных групп в полимерную основу и нейтрализации некоторых кислотных групп катионом металла. В очень редких случаях введенные группы уже нейтрализованы катионом металла. Первый этап (введение кислотных групп) может быть выполнен двумя способами: нейтральный неионный мономер может быть сополимеризован с мономером, содержащим боковые кислотные группы, или кислотные группы могут быть добавлены к неионному полимеру посредством постреакционных модификаций. Например, этиленметакриловая кислота и сульфированный перфторуглерод (Nafion) синтезируются посредством сополимеризации, в то время как полистиролсульфонат синтезируется посредством 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 металла (по крайней мере, в академических исследованиях) - это цинк, натрий и магний. Нейтрализация или иономеризация также может быть достигнута двумя способами: кислотный сополимер может быть смешан в расплаве с основным металлом или нейтрализация может быть достигнута с помощью процессов в растворе. Первый метод предпочтительнее в коммерческих целях. Однако, поскольку коммерческие производители неохотно делятся своими процедурами, мало что известно о точных условиях процесса нейтрализации смешением расплава, за исключением того, что для обеспечения катиона металла обычно используются гидроксиды. Последний процесс нейтрализации раствора обычно используется в академических условиях. Кислотный сополимер растворяют, и к этому раствору добавляют основную соль с соответствующим катионом металла. Если растворение кислотного сополимера затруднено, достаточно просто набухания полимера в растворителе, хотя растворение всегда предпочтительнее. Поскольку основные соли полярны и не растворяются в неполярных растворителях, используемых для растворения большинства полимеров, часто используют смешанные растворители (например, 90:10 толуол/спирт).

Уровень нейтрализации должен быть определен после синтеза иономера, поскольку изменение уровня нейтрализации изменяет морфологические и физические свойства иономера. Один из методов, используемых для этого, заключается в исследовании пиковых высот инфракрасных колебаний кислотной формы. Однако может быть существенная ошибка в определении пиковой высоты, особенно потому, что небольшие количества воды появляются в том же диапазоне волновых чисел. Титрование кислотных групп — это еще один метод, который можно использовать, хотя это невозможно в некоторых системах.

Сурлин

Surlyn — торговая марка иономерной смолы, созданной компанией DuPont , сополимера этилена и метакриловой кислоты, используемого в качестве покрытия и упаковочного материала. ^[3] DuPont нейтрализует кислоту с помощью NaOH , получая натриевую соль. ^[4] Кристаллы иономеров этилен-метакриловой кислоты демонстрируют двойное поведение при плавлении. ^[5]

Приложение

• Чехлы для мячей для гольфа : иономеры широко используются для изготовления чехлов для мячей для гольфа. Они необходимы для этих чехлов, поскольку обладают ударопрочностью, прочностью и долговечностью. Ионные сшивки в полимерной структуре позволяют материалу выдерживать высокие нагрузки при ударе в гольфе. Он сохраняет свою форму и эксплуатационные характеристики с течением времени. Упругость ионных кластеров помогает мячу сохранять свои летные характеристики. Это обеспечивает мячу более длительный срок службы. Кроме того, отличная износостойкость материала снижает износ поверхности. Это обеспечивает постоянную производительность на протяжении многих раундов игры. ^{[6] [7]}
• Упаковочные пленки : в упаковочной промышленности иономеры ценятся за сочетание оптической прозрачности, прочности и герметизирующих свойств. Они могут образовывать прочные, термосвариваемые соединения. Это делает их идеальными для пленок для упаковки пищевых продуктов . Для этих пленок важны как прочность, так и прозрачность. Пленки могут защищать содержимое от внешних загрязнений. Они также обеспечивают четкий обзор продукта, повышая привлекательность для потребителя. Кроме того, иономеры устойчивы к проколам и разрывам. Это гарантирует, что упаковка останется целой во время транспортировки и обработки. Кроме того, иономеры устойчивы к маслам и жирам. Это делает их особенно полезными для упаковки жирных или маслянистых продуктов. Упаковка сохраняет свою целостность без ухудшения. ^{[6] [7]}
• Полупроницаемые мембраны : иономеры используются для изготовления полупроницаемых мембран. Эти мембраны используются в приложениях, требующих селективного переноса ионов. Сюда входят топливные элементы и системы очистки воды. Ионные домены в структуре иономера позволяют ионам избирательно проходить. Они блокируют другие молекулы. Это делает иономеры идеальными для использования в протонообменных мембранах (ПОМ) в топливных элементах . Этот селективный перенос ионов имеет решающее значение для эффективности и результативности этих устройств. Он позволяет проводить контролируемые химические реакции и выработку энергии. При очистке воды мембраны на основе иономера могут селективно удалять загрязняющие вещества. Они пропускают чистую воду. Это способствует безопасным и эффективным процессам фильтрации. ^{[6] [8] [7]}
• Клеи и герметики : иономеры обладают сильными адгезионными свойствами и являются гибкими. Вот почему они используются в клеях и герметиках. Иономеры могут образовывать прочные связи с различными материалами, такими как металлы, пластики и стекло. Это делает их пригодными для использования в автомобильной, строительной и потребительских товарах. В герметиках иономеры обеспечивают превосходную устойчивость к факторам окружающей среды, таким как влажность и перепады температур. Это обеспечивает длительную работу даже в суровых условиях. Иономеры сохраняют свою гибкость, что важно в приложениях, где материалы расширяются или подвергаются механическому напряжению. ^{[6] [7]}
• Термопластичные эластомеры : иономеры используются в качестве термопластичных эластомеров (ТПЭ). Их эластичность и способность к повторной формовке без существенной деградации являются преимуществом. Эти материалы можно растягивать и деформировать. Они могут возвращаться к своей первоначальной форме после снятия напряжения. Это делает их полезными в приложениях, требующих как гибкости, так и прочности. ТПЭ на основе иономеров встречаются в широком спектре продуктов. К ним относятся обувь и медицинские приборы. В этих продуктах комфорт, долговечность и упругость имеют решающее значение. Более того, их устойчивость к химической и ультрафиолетовой деградации делает их идеальными для использования на открытом воздухе. Длительное воздействие стихий является проблемой в этих приложениях. ^{[6] [9] [7]}
• Покрытия и краски : Иономеры используются в покрытиях и красках. Их адгезионные свойства и устойчивость к воздействию окружающей среды делают поверхности более долговечными. В автомобильных и промышленных покрытиях иономеры создают защитные слои. Эти слои устойчивы к коррозии, истиранию и химическому воздействию. Иономеры могут образовывать гладкие, однородные покрытия. Это делает их подходящими для применений, требующих как эстетической, так и функциональной защиты поверхности. Кроме того, покрытия на основе иономеров обладают свойствами самовосстановления. Небольшие царапины можно отремонтировать с помощью термической обработки. Это продлевает срок службы покрытых изделий и снижает расходы на техническое обслуживание. ^{[6] [7]}
• Биомедицинское применение : Иономеры имеют потенциальное применение в биомедицинской области. Их можно использовать в системах доставки лекарств и медицинских имплантатах. Иономеры биосовместимы. Они могут взаимодействовать с биологическими тканями. Это делает их подходящими для устройств, требующих контролируемого высвобождения лекарств. Они также подходят для устройств, которые должны интегрироваться с живой тканью. Продолжаются исследования по изучению использования иономеров в инновационных медицинских приложениях. Их уникальные свойства могут предложить новые решения для проблем здравоохранения. Например, системы доставки лекарств на основе иономеров могут обеспечить целевую терапию. Они могут контролировать скорость высвобождения лекарств. Это может повысить эффективность и уменьшить побочные эффекты лечения. ^{[6] [7]}
• Ионообменные смолы : Иономеры используются для изготовления ионообменных смол. Эти смолы важны для обработки и очистки воды. Смолы изготавливаются из иономерных материалов. Смолы могут избирательно обменивать ионы в растворе. Это позволяет им удалять нежелательные загрязняющие вещества, такие как тяжелые металлы. Они также могут смягчать воду, обменивая ионы кальция и магния на ионы натрия или калия. Смолы на основе иономеров стабильны и долговечны. Это делает их пригодными для многократного использования в промышленных и бытовых системах очистки воды. ^{[6] [7]}
• Электрохимические устройства : В электрохимических устройствах иономеры играют важную роль в качестве твердых электролитов. Иономеры могут проводить ионы, одновременно выступая в качестве изолирующего барьера для электронов. Это делает их идеальными для использования в батареях, суперконденсаторах и топливных элементах. Стабильность иономеров в электрохимических условиях обеспечивает долгосрочную производительность и эффективность этих устройств. В топливных элементах иономеры используются в мембранно-электродном узле (МЭУ). В МЭУ иономеры облегчают транспорт протонов от анода к катоду. Это позволяет вырабатывать электричество. ^{[6] [7] [8]}

Смотрите также

Нафион

Внешние ссылки

• Иономерный праймер с примерами

Ссылки

1. Jenkins, AD; Kratochvil, P.; Stepto, RFT; Suter, UW (1996). "Глоссарий основных терминов в полимерной науке (Рекомендации ИЮПАК 1996 г.)" (PDF) . Pure and Applied Chemistry . 68 (12): 2287–2311. doi :10.1351/pac199668122287. S2CID  98774337. Архивировано из оригинала (PDF) 2016-03-04 . Получено 2013-07-24 .
2. Jenkins, AD; Kratochvil, P.; Stepto, RFT; Suter, UW (1996). "Глоссарий основных терминов в полимерной науке (Рекомендации ИЮПАК 1996 г.)" (PDF) . Pure and Applied Chemistry . 68 (12): 2287–2311. doi :10.1351/pac199668122287. S2CID  98774337. Архивировано из оригинала (PDF) 2016-03-04 . Получено 2013-07-24 .
3. «Иономерная смола, обеспечивающая прозрачность, прочность и универсальность». du Pont de Nemours and Company . Получено 24.12.2014 .
4. Грег Браст (2005). «Иономеры». Университет Южного Миссисипи . Получено 24.12.2014 .
5. "Структура и свойства кристаллизующихся иономеров". Принстонский университет . Получено 24.12.2014 .
6. "Свойства иономеров". polymerdatabase.com . Получено 10.12.2019 .
7. Чжан, Лонге; Бростовиц, Николь Р.; Кавиччи, Кевин А.; Вайс, РА (2014-02-01). «Перспектива: исследование и применение иономеров». Macromolecular Reaction Engineering . 8 (2): 81–99. doi :10.1002/mren.201300181. ISSN  1862-8338.
8. Xu, Wu; Scott, Keith (2010-11-01). «Влияние содержания иономера на производительность сборки мембранного электрода электролизера воды PEM». Международный журнал водородной энергетики . VIII симпозиум Мексиканского водородного общества. 35 (21): 12029–12037. Bibcode : 2010IJHE...3512029X. doi : 10.1016/j.ijhydene.2010.08.055. ISSN  0360-3199.
9. Lundberg, RD (1987), «Применение иономеров, включая ионные эластомеры и добавки полимеров/жидкостей», в Pineri, Michel; Eisenberg, Adi (ред.), Структура и свойства иономеров , NATO ASI Series, Springer Netherlands, стр. 429–438, doi :10.1007/978-94-009-3829-8_35, ISBN 978-94-009-3829-8

• Эйзенберг, А. и Ким, Дж.-С., Введение в иономеры , Нью-Йорк: Wiley, 1998.
• Мишель Пинери (31 мая 1987 г.). Структура и свойства иономеров. Springer. ISBN 978-90-277-2458-8. Получено 30 июня 2012 г.
• Мартин Р. Тант; К. А. Мауриц; Гарт Л. Уилкс (31 января 1997 г.). Иономеры: синтез, структура, свойства и применение. Springer. стр. 16. ISBN 978-0-7514-0392-3. Получено 30 июня 2012 г.
• Грейди, Брайан П. «Обзор и критический анализ морфологии случайных иономеров во многих масштабах длины». Polymer Engineering and Science 48 (2008): 1029-051. Печать.
• Спенсер, М. В., М. Д. Ветцель, К. Трельцш и Д. Р. Пол. «Влияние нейтрализации кислоты на свойства иономеров поли(этилен-со-метакриловой кислоты) K и Na». Polymer 53 (2011): 569-80. Печать.