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.

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.