Введение
Полимер, содержащий много ионных или ионизируемых функциональных групп Ионом (, /aɪ/'/ɑː//n//ə//m//ər/) (ионо + мер) - полимер, состоящий из повторяющихся единиц как электрически нейтральных повторяющихся единиц, так и ионизированных единиц, ковалентно связанных с основой полимера в качестве подвесных групп. Обычно не более 15 мол. процентов ионизируются. Ионизированные единицы часто являются группами карбоновой кислоты. 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 основой полимера, но имеют гораздо более высокий уровень подмены молярных ионных групп (обычно более 80%); иононы являются полимерами, где ионные группы являются частью фактической основы полимера. Эти два класса ионных групп, содержащих полимеры, имеют совершенно разные морфологические и физические свойства и поэтому не считаются иономерами. Иономеры обладают уникальными физическими свойствами, включая электрическую проводимость и вязкость. Иономеры также имеют уникальные морфологические свойства, поскольку неполярная полимерная основа энергетически несовместима с полярными ионными группами. В результате ионные группы в большинстве иономеров будут подвергаться микрофазному разделению для образования ионно-богатых доменов. Коммерческие применения иономеров включают в себя покрытия для мячей для гольфа, полупроницаемые мембраны, герметическую ленту и термопластичные эластомеры. Распространенными примерами иономеров являются сульфонат полистирола, Nafion и Hycar.
An ionomer (,/aɪ/'/ɑː//n//ə//m//ər/) (iono + mer) is a polymer composed of repeat units of both electrically neutral repeating units and ionized units covalently bonded to the polymer backbone as pendant group moieties. Usually no more than 15 mole percent are ionized. The ionized units are often carboxylic acid groups. The classification of a polymer as an ionomer depends on the level of substitution of ionic groups as well as how the ionic groups are incorporated into the polymer structure. For example, polyelectrolytes also have ionic groups covalently bonded to the polymer backbone, but have a much higher ionic group molar substitution level (usually greater than 80%); ionenes are polymers where ionic groups are part of the actual polymer backbone. These two classes of ionic group containing polymers have vastly different morphological and physical properties and are therefore not considered ionomers. Ionomers have unique physical properties including electrical conductivity and viscosity—increase in ionomer solution viscosity with increasing temperatures (see conducting polymer). Ionomers also have unique morphological properties as the non polar polymer backbone is energetically incompatible with the polar ionic groups. As a result, the ionic groups in most ionomers will undergo microphase separation to form ionic rich domains. Commercial applications for ionomers include golf ball covers, semipermeable membranes, sealing tape and thermoplastic elastomers. Common examples of ionomers include polystyrene sulfonate, Nafion and Hycar.
Синтез
Обычно синтез иономера состоит из двух этапов: введение кислотных групп в основной слой полимера и нейтрализация некоторых кислотных групп металлическим катионом. В очень редких случаях вводимые группы уже нейтрализуются металлическим катионом. Первый шаг (введение кислотных групп) может быть выполнен двумя способами: нейтральный неионный мономер может быть сополимеризирован с мономером, содержащим подвесные кислотные группы, или кислотные группы могут быть добавлены к неионному полимеру путем модификаций после реакции. Например, этиленометакриловая кислота и сульфонированный 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 водородными катионами), а иономер образуется путем последующего нейтрализации соответствующим металлическим катионом. Идентичность нейтрализующего металлического катионов влияет на физические свойства ионома; наиболее часто используемыми металлическими катионами (по крайней мере, в академических исследованиях) являются цинк, натрий и магний. Нейтрализация или иономеризация также может быть достигнута двумя способами: кислотный сополимер может быть расплавлен, смешанный с базовым металлом, или нейтрализация может быть достигнута путем растворительных процессов. Первый метод предпочтителен в коммерческих целях. Однако, поскольку коммерческие производители не хотят делиться своими процедурами, мало что известно о точных условиях процесса нейтрализации плавленого смеси, кроме того, что гидроксиды обычно используются для получения металлических катионов. Последний процесс нейтрализации раствора обычно используется в академических условиях. Кислотный сополимер растворяют и добавляют в этот раствор основной соль с соответствующим металлическим катионом. Если растворение кислотного сополимера затруднительно, достаточно просто надувать полимер 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/алкоголь 90:10). Уровень нейтрализации должен быть определен после синтеза иономера, поскольку изменение уровня нейтрализации изменяет морфологические и физические свойства иономера. Один из методов, используемых для этого, - это изучение пиковых высот инфракрасных вибраций кислотной формы. Однако при определении высоты пика может быть допущена существенная ошибка, особенно если небольшое количество воды появляется в одном диапазоне волнового числа. Титрование групп кислоты - еще один метод, который может быть использован, хотя это невозможно в некоторых системах.
Сурлин
Surlyn - это торговая марка иономной смолы, созданной DuPont, сополимер этилена и метакриловой кислоты, используемый в качестве покрытия и упаковочного материала. DuPont нейтрализует кислоту с помощью NaOH, получая натриевую соль. Кристаллы иономеров этиленовой метакриловой кислоты обладают двойным поведением плавления.
Применение
Комплексируя ионы металлов в полимерную матрицу, повышается прочность и прочность иономерной системы. Некоторые приложения, в которых иономеры использовались для повышения прочности общей системы, включают покрытия, клеи, модификацию удара и термопластики, одним из самых известных примеров является использование Сурлина во внешнем слое мячей для гольфа. Иономерное покрытие улучшает прочность, аэродинамику и долговечность мячей для гольфа, увеличивая их срок службы. Иономеры также могут быть смешаны с смолами для увеличения сцепной прочности без уменьшения общей липкости смолы, создавая чувствительные к давлению клеи для различных применений, включая клеи на основе воды или растворителя. Иономеры, использующие полиэтиленовые цепи, также могут использоваться в пленочной упаковке из-за их прозрачности, прочности, гибкости, устойчивости к окрашиванию, высокой газопроницаемости и низкой температуры герметизации. Эти качества также приводят к высокому спросу на использование иономеров в упаковочных материалах для пищевых продуктов. сепаратор батареи с окислительно-восстановительным потоком, электродиализ, где ионы транспортируются между растворами с использованием иономерной мембраны, и электрохимические водородные компрессоры для увеличения прочности мембраны против различий давления, которые могут возникать внутри компрессора.