Иономер - Ionomer

An иономер (/ˌаɪˈɑːпəмər/) (ионо- + -мер ) это полимер состоит из повторяющихся единиц обоих электрически нейтральные повторяющиеся единицы и ионизированный единицы, ковалентно связанные с основной цепью полимера как подвесная группа части. Обычно не более 15 мольный процент ионизированы. 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 реальной полимерной основы. Эти два класса полимеров, содержащих ионные группы, имеют существенно разные морфологические и физические свойства и поэтому не считаются иономерами.

Иономеры обладают уникальными физическими свойствами, включая: электрическая проводимость и вязкость - увеличение вязкости раствора иономера с ростом 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 претерпевают микрофазовое разделение с образованием богатых ионами доменов.

Коммерческие применения иономеров включают: мяч для гольфа крышки, полупроницаемые мембраны, уплотнительная лента и термопластичные эластомеры. Общие примеры иономеров включают сульфонат полистирола, Нафион и Hycar.

ИЮПАК определение

Иономер: Полимер, состоящий из молекулы иономера.^[1]

Молекула иономера: А макромолекула в котором маленькое но
значительная часть конституционные единицы иметь ионизируемый
или ионные группы, или оба.

Заметка: Некоторые белковые молекулы можно классифицировать как иономеры.
молекулы.^[2]

Синтез

Обычно синтез иономера состоит из двух стадий - введения кислотных групп в основную цепь полимера и нейтрализации некоторых кислотных групп катионом металла. В очень редких случаях введенные группы уже нейтрализованы катионом металла. Первый шаг (введение кислотных групп) можно выполнить двумя способами; нейтральный неионный мономер может быть сополимеризован с мономером, который содержит боковые кислотные группы, или кислотные группы могут быть добавлены к неионному полимеру посредством постреакционных модификаций. Например, этилен-метакриловая кислота и сульфированный перфторуглерод (нафион) синтезируются путем сополимеризации, в то время как сульфонат полистирола синтезируется путем постреакционных модификаций.

В большинстве случаев кислотная форма сополимера синтезируется (т.е. 100% групп карбоновой кислоты нейтрализуются катионами водорода), и иономер образуется в результате 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 могут быть выполнены двумя способами: кислотный сополимер может быть смешан в расплаве с основным металлом или нейтрализация может быть достигнута с помощью процессов в растворе. Первый метод является коммерчески предпочтительным. Однако, поскольку коммерческие производители неохотно делятся своими процедурами, мало что известно о точных условиях процесса нейтрализации смешения в расплаве, за исключением того, что гидроксиды обычно используются для получения катиона металла. Последний процесс нейтрализации раствора обычно используется в академических условиях. Кислотный сополимер растворяют и к этому раствору добавляют основную соль с соответствующим катионом металла. Когда растворение кислотного сополимера затруднено, достаточно простого набухания полимера в растворителе, хотя растворение всегда предпочтительно. Поскольку основные соли полярны и не растворяются в неполярных растворителях, используемых для растворения большинства полимеров, часто используются смешанные растворители (например, толуол / спирт 90:10).

Уровень нейтрализации должен быть определен после синтеза иономера, поскольку изменение уровня нейтрализации меняет морфологические и физические свойства иономера. Один из методов, используемых для этого, заключается в изучении высоты пика инфракрасных колебаний кислотной формы. Однако при определении высоты пика может быть существенная ошибка, особенно потому, что небольшое количество воды появляется в одном и том же диапазоне волновых чисел. Другой метод, который можно использовать, - это титрование кислотных групп, хотя в некоторых системах это невозможно.

Сурлин

Surlyn - это торговая марка иономерной смолы, созданной DuPont, сополимер этилен и метакриловая кислота используется как лакокрасочный и упаковочный материал.^[3]DuPont нейтрализует кислоту NaOH, давая натриевую соль.^[4]Кристаллы иономеров этилена-метакриловой кислоты демонстрируют двойное плавление.^[5]

заявка

За счет объединения ионов металлов в полимерную матрицу прочность и ударная вязкость иономерной системы повышаются. Некоторые области применения, в которых иономеры использовались для повышения ударной вязкости всей системы, включают покрытия, адгезивы, ударопрочность и термопласты, одним из наиболее известных примеров является использование Surlyn во внешнем слое мячей для гольфа.^[6] Иономерное покрытие улучшает прочность, аэродинамику и долговечность мячей для гольфа, увеличивая их срок службы. Иономеры также могут быть смешаны со смолами для увеличения когезионной прочности без снижения общей липкости смолы, создавая чувствительные к давлению клеи для множества применений, включая клеи на основе воды или растворителей.^[7] Иономеры, в которых используются цепи поли (этилен-метакриловая кислота), также могут использоваться в пленочной упаковке из-за их прозрачности, прочности, гибкости, устойчивости к окрашиванию, высокой газопроницаемости и низкой температуры герметизации.^[8] Эти качества также обуславливают высокий спрос на использование иономеров в материалах для упаковки пищевых продуктов.^[6]

При добавлении иона к определенному проценту полимерной цепи вязкость иономера увеличивается. Такое поведение может сделать иономеры хорошим загущающим материалом для применений в буровых растворах, где система работает при низкой скорости сдвига.^[7] Использование иономера для увеличения вязкости системы помогает предотвратить разжижение бурового раствора при сдвиге, особенно при более высоких рабочих температурах.

Другое применение включает способность иономера увеличивать совместимость полимерных смесей.^[8] 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 на двух разных полимерах, но также наличием сильного отталкивающего взаимодействия между нейтральными и ионными частицами, присутствующими в иономере, что может заставить одну из этих разновидностей более смешиваться с разновидность другого полимера в смеси. Некоторые иономеры использовались для приложений с памятью формы, что означает, что материал имеет фиксированную форму, которую можно преобразовать с использованием внешних напряжений, превышающих критическую температуру, и охладить, затем восстановить исходную форму, когда температура превысит критическую, и дать возможность остыть без внешних напряжений. . Иономеры могут образовывать как химические, так и физические поперечные связи, которые можно легко модифицировать при умеренных температурах обработки, они менее плотны, чем сплавы с памятью формы, и имеют более высокую вероятность биосовместимости с биомедицинскими устройствами.^[8]

Некоторые из недавних применений иономеров включают использование в качестве ионоселективных мембран в различных электрических и энергетических приложениях.^[6] Примеры включают катионообменную мембрану для топливных элементов, которая позволяет только протонам или определенным ионам пересекать мембрану, мембрана из полимерного электролита (PEM) водный электролизер для оптимизации равномерного покрытия катализатора на поверхностях мембран,^[9] сепаратор батареи окислительно-восстановительный поток, электродиализ, где ионы переносятся между растворами с помощью иономерной мембраны, и электрохимические компрессоры водорода для увеличения прочности мембраны против перепада давления, который может возникнуть внутри компрессора.

Смотрите также

• Нафион

внешние ссылки

• Иономерный праймер с примерами

использованная литература

1. Jenkins, A.D .; Kratochvíl, P .; Степто, Р. Ф. Т .; Сутер, У. В. (1996). «Глоссарий основных терминов в науке о полимерах (Рекомендации ИЮПАК 1996 г.)» (PDF). Чистая и прикладная химия. 68 (12): 2287–2311. Дои:10.1351 / pac199668122287. S2CID  98774337.
2. Jenkins, A.D .; Kratochvíl, P .; Степто, Р. Ф. Т .; Сутер, У. В. (1996). «Глоссарий основных терминов в науке о полимерах (Рекомендации ИЮПАК 1996 г.)» (PDF). Чистая и прикладная химия. 68 (12): 2287–2311. Дои:10.1351 / pac199668122287. S2CID  98774337.
3. «Иономерная смола, обеспечивающая прозрачность, прочность и универсальность». du Pont de Nemours and Company. Получено 2014-12-24.
4. Грег Браст (2005). «Иономеры». Университет Южного Миссисипи. Получено 2014-12-24.
5. «Структура и свойства кристаллизующихся иономеров». Университет Принстона. Получено 2014-12-24.
6. «Свойства иономеров». polymerdatabase.com. Получено 2019-12-10.
7. Лундберг, Р. Д. (1987), «Применение иономеров, включая ионные эластомеры и полимерные / жидкие добавки», в Пинери, Мишель; Айзенберг, Ади (ред.), Структура и свойства иономеров., Серия НАТО ASI, Springer, Нидерланды, стр. 429–438, Дои:10.1007/978-94-009-3829-8_35, ISBN  978-94-009-3829-8
8. Чжан, Лунхэ; Brostowitz, Nicole R .; Cavicchi, Kevin A .; Вайс, Р. А. (01.02.2014). «Перспектива: исследование и применение иономеров». Разработка макромолекулярных реакций. 8 (2): 81–99. Дои:10.1002 / мрен.201300181. ISSN  1862-8338.
9. Сюй, Ву; Скотт, Кит (01.11.2010). «Влияние содержания иономера на производительность сборки электродов мембраны электролизера воды PEM». Международный журнал водородной энергетики. VIII симпозиум Мексиканского водородного общества. 35 (21): 12029–12037. Дои:10.1016 / j.ijhydene.2010.08.055. ISSN  0360-3199.

• Эйзенберг, А., Ким, Ж.-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 июн 2012.
• Мартин Р. Тант; К. А. Мауриц; Гарт Л. Уилкс (31 января 1997 г.). Иономеры: синтез, структура, свойства и применение. Springer. п. 16. ISBN  978-0-7514-0392-3. Получено 30 июн 2012.
• Грейди, Брайан П. «Обзор и критический анализ морфологии случайных иономеров во многих масштабах». Полимерная инженерия и наука 48 (2008): 1029-051. Распечатать.
• Спенсер, M.W., M.D. Wetzel, C. Troeltzsch, и D.R. Павел. «Влияние кислотной нейтрализации на свойства иономеров поли (этилен-со-метакриловой кислоты) K и Na». Полимер 53 (2011): 569-80. Распечатать.