jonomer

Jonomer ( / zjonizowanych ˌ aɪ ɑː n ə m ər / ) ( jono- + -mer ) to polimer składający się z powtarzalnych jednostek zarówno elektrycznie neutralnych powtarzalnych jednostek, jak i jednostek kowalencyjnie związanych ze szkieletem polimeru jako ugrupowania wiszących grup . Zwykle nie więcej niż 15 procent molowych jest zjonizowanych. Zjonizowane jednostki to często grupy kwasu karboksylowego.

Klasyfikacja polimeru jako jonomeru zależy od stopnia podstawienia grup jonowych oraz sposobu wbudowania grup jonowych w strukturę polimeru. Na przykład polielektrolity mają również grupy jonowe kowalencyjnie związane ze szkieletem polimeru, ale mają znacznie wyższy poziom podstawienia molowego grup jonowych (zwykle większy niż 80%); joneny to polimery, w których grupy jonowe są częścią rzeczywistego szkieletu polimeru. Te dwie klasy polimerów zawierających grupy jonowe mają bardzo różne właściwości morfologiczne i fizyczne i dlatego nie są uważane za jonomery.

Jonomery mają unikalne właściwości fizyczne, w tym przewodnictwo elektryczne i lepkość — wzrost lepkości roztworu jonomerów wraz ze wzrostem temperatury (patrz polimer przewodzący ). Jonomery mają również unikalne właściwości morfologiczne, ponieważ szkielet niepolarnego polimeru jest energetycznie niekompatybilny z polarnymi grupami jonowymi. W rezultacie grupy jonowe w większości jonomerów ulegną separacji mikrofazowej , tworząc domeny bogate w jony.

Komercyjne zastosowania jonomerów obejmują osłony piłek golfowych , membrany półprzepuszczalne , taśmy uszczelniające i elastomery termoplastyczne . Typowe przykłady jonomerów obejmują sulfonian polistyrenu , Nafion i Hycar.

Definicja IUPAC

Ionomer : Polimer składający się z cząsteczek jonomerów .



Cząsteczka jonomeru : makrocząsteczka , w której niewielka, ale znacząca część jednostek budulcowych ma grupy zdolne do jonizacji lub grupy jonowe, lub obie.


Uwaga : Niektóre cząsteczki białek można sklasyfikować jako cząsteczki jonomerów.

Synteza

Zazwyczaj synteza jonomerów składa się z dwóch etapów – wprowadzenia grup kwasowych do szkieletu polimeru oraz zobojętnienia niektórych grup kwasowych przez kation metalu. W bardzo rzadkich przypadkach wprowadzone grupy są już zneutralizowane przez kation metalu. Pierwszy krok (wprowadzenie grup kwasowych) można wykonać na dwa sposoby; obojętny monomer niejonowy można kopolimeryzować z monomerem zawierającym boczne grupy kwasowe lub grupy kwasowe można dodawać do polimeru niejonowego poprzez modyfikacje poreakcyjne. Na przykład kwas etylenometakrylowy i sulfonowany perfluorowęglowodór (Nafion) są syntetyzowane przez kopolimeryzację, podczas gdy polistyrenosulfonian jest syntetyzowany poprzez modyfikacje poreakcyjne.

W większości przypadków dochodzi do syntezy postaci kwasowej kopolimeru (tj. 100% grup karboksylowych jest zobojętnianych przez kationy wodoru), a jonomer powstaje w wyniku późniejszego zobojętnienia odpowiednim kationem metalu. Tożsamość neutralizującego kationu metalu ma wpływ na właściwości fizyczne jonomeru; najczęściej stosowanymi kationami metali (przynajmniej w badaniach akademickich) są cynk, sód i magnez. Neutralizacja lub jonomeryzacja może być również przeprowadzona na dwa sposoby: kwaśny kopolimer można zmieszać w stanie stopionym z zasadowym metalem lub zobojętnienie można osiągnąć za pomocą procesów w roztworze. Pierwsza metoda jest preferowana w handlu. Ponieważ jednak producenci komercyjni niechętnie dzielą się swoimi procedurami, niewiele wiadomo o dokładnych warunkach procesu neutralizacji przez mieszanie w stanie stopionym, poza tym, że do dostarczenia kationu metalu na ogół stosuje się wodorotlenki. Ten ostatni proces neutralizacji rozwiązania jest powszechnie stosowany w środowisku akademickim. Kopolimer kwasowy rozpuszcza się i do tego roztworu dodaje się zasadową sól z odpowiednim kationem metalu. Gdy rozpuszczanie kwaśnego kopolimeru jest trudne, wystarczające jest po prostu spęcznienie polimeru w rozpuszczalniku, chociaż rozpuszczanie jest zawsze korzystne. Ponieważ sole zasadowe są polarne i nie rozpuszczają się w niepolarnych rozpuszczalnikach stosowanych do rozpuszczania większości polimerów, często stosuje się rozpuszczalniki mieszane (np. 90:10 toluen/alkohol).

Poziom zobojętnienia należy określić po zsyntetyzowaniu jonomeru, ponieważ zmiana poziomu zobojętnienia zmienia właściwości morfologiczne i fizyczne jonomeru. Jedną z metod stosowanych w tym celu jest zbadanie wysokości pików drgań w podczerwieni formy kwasowej. Jednak przy określaniu wysokości piku może wystąpić znaczny błąd, zwłaszcza że w tym samym zakresie liczby falowej pojawiają się niewielkie ilości wody. Miareczkowanie grup kwasowych to kolejna metoda, którą można zastosować, chociaż w niektórych systemach nie jest to możliwe.

Surlyn

Surlyn to marka żywicy jonomerowej stworzonej przez firmę DuPont , kopolimeru etylenu i kwasu metakrylowego , stosowanego jako powłoka i materiał opakowaniowy. DuPont neutralizuje kwas za pomocą NaOH , otrzymując sól sodową. Kryształy jonomerów kwasu etylenowo-metakrylowego wykazują podwójne właściwości topnienia.

Aplikacja

Dzięki kompleksowaniu jonów metali w matrycy polimerowej zwiększa się wytrzymałość i twardość układu jonomerów. Niektóre zastosowania, w których zastosowano jonomery w celu zwiększenia wytrzymałości całego systemu, obejmują powłoki, kleje, modyfikację udarności i tworzywa termoplastyczne, a jednym z najbardziej znanych przykładów jest zastosowanie Surlynu w zewnętrznej warstwie piłek golfowych. Powłoka jonomerowa poprawia wytrzymałość, aerodynamikę i trwałość piłek golfowych, zwiększając ich żywotność. Jonomery można również mieszać z żywicami w celu zwiększenia wytrzymałości kohezyjnej bez zmniejszania ogólnej kleistości żywicy, tworząc kleje samoprzylepne do różnych zastosowań, w tym kleje na bazie wody lub rozpuszczalników. Jonomery wykorzystujące łańcuchy poli(kwasu etylenometakrylowego) mogą być również stosowane w opakowaniach foliowych ze względu na ich przezroczystość, wytrzymałość, elastyczność, odporność na plamienie, wysoką przepuszczalność gazów oraz niską temperaturę zgrzewania. Właściwości te przekładają się również na duże zapotrzebowanie na wykorzystanie jonomerów w materiałach do pakowania żywności.

Wraz z dodaniem jonu do pewnego procentu łańcucha polimeru zwiększa się lepkość jonomeru. To zachowanie może sprawić, że jonomery będą dobrym materiałem zwiększającym lepkość do zastosowań z płynami wiertniczymi, w których system ma niską szybkość ścinania. Użycie jonomeru w celu zwiększenia lepkości układu pomaga zapobiegać rozrzedzaniu się ścinania płynu wiertniczego, zwłaszcza w wyższych temperaturach roboczych.

Inne zastosowanie obejmuje zdolność jonomeru do zwiększania kompatybilności mieszanek polimerowych. Zjawisko to jest napędzane przez termodynamikę i jest osiągane poprzez wprowadzenie specyficznych oddziaływań między grupami funkcyjnymi, które są coraz bardziej korzystne w obecności jonu metalu. Mieszalność może być spowodowana nie tylko coraz bardziej korzystną reakcją między grupami funkcyjnymi na dwóch różnych polimerach, ale także silnym odpychającym oddziaływaniem między ugrupowaniami obojętnymi i jonowymi obecnymi w jonomerze, co może spowodować, że jeden z tych ugrupowań będzie bardziej mieszalny z rodzaj drugiego polimeru w mieszance. Niektóre jonomery zostały wykorzystane do zastosowań z pamięcią kształtu, co oznacza, że ​​materiał ma ustalony kształt, który można ponownie odtworzyć przy użyciu naprężeń zewnętrznych powyżej temperatury krytycznej i schłodzić, a następnie odzyskuje pierwotny kształt po podniesieniu temperatury powyżej temperatury krytycznej i pozostawieniu do ostygnięcia bez naprężeń zewnętrznych . Jonomery mogą tworzyć zarówno chemiczne, jak i fizyczne wiązania sieciujące, które można łatwo modyfikować w umiarkowanych temperaturach przetwarzania, są mniej gęste niż stopy z pamięcią kształtu i mają większe szanse na biokompatybilność w urządzeniach biomedycznych.

Niektóre nowsze zastosowania jonomerów obejmują stosowanie jako membran jonoselektywnych w różnych zastosowaniach elektrycznych i energetycznych. Przykłady obejmują membranę kationowymienną do ogniw paliwowych, która przepuszcza tylko protony lub określone jony przez membranę, z polimerową membraną elektrolityczną (PEM) w celu optymalizacji jednolitej powłoki katalizatora na powierzchniach membrany, separator akumulatorów z przepływem redoks, elektrodializa , gdzie jony są transportowane pomiędzy roztworami za pomocą membrany jonomerowej, oraz elektrochemicznych kompresorów wodoru w celu zwiększenia wytrzymałości membrany na różnice ciśnień, które mogą wystąpić w sprężarce.

Zobacz też

Linki zewnętrzne

  1. Bibliografia   _ Kratochvíl, P.; Stepto, RFT; Suter, UW (1996). „Słownik podstawowych terminów w nauce o polimerach (zalecenia IUPAC 1996)” (PDF) . Chemia czysta i stosowana . 68 (12): 2287–2311. doi : 10.1351/pac199668122287 . S2CID 98774337 . Zarchiwizowane od oryginału (PDF) w dniu 2016-03-04 . Źródło 2013-07-24 .
  2. Bibliografia   _ Kratochvíl, P.; Stepto, RFT; Suter, UW (1996). „Słowniczek podstawowych terminów w nauce o polimerach (zalecenia IUPAC 1996)” (PDF) . Chemia czysta i stosowana . 68 (12): 2287–2311. doi : 10.1351/pac199668122287 . S2CID 98774337 . Zarchiwizowane od oryginału (PDF) w dniu 04.03.2016 . Źródło 2013-07-24 .
  3. ^ „Żywica jonomerowa zapewniająca klarowność, wytrzymałość i wszechstronność” . du Pont de Nemours and Company . Źródło 2014-12-24 .
  4. ^ Greg Brust (2005). „Jonomery” . Uniwersytet Południowego Mississippi . Źródło 2014-12-24 .
  5. ^ „Struktura i właściwości krystalizujących jonomerów” . Uniwersytet Princeton . Źródło 2014-12-24 .
  6. ^ a b c „Właściwości jonomerów” . polimerdatabase.com . Źródło 2019-12-10 .
  7. ^ a b   Lundberg, RD (1987), „Zastosowania jonomerów, w tym elastomery jonowe i dodatki do polimerów/płynów”, w: Pineri, Michel; Eisenberg, Adi (red.), Struktura i właściwości jonomerów , NATO ASI Series, Springer Holandia, s. 429–438, doi : 10.1007/978-94-009-3829-8_35 , ISBN 978-94-009-3829- 8
  8. ^ abc Longhe ; Zhang,   Brostowitz, Nicole R.; Cavicchi, Kevin A.; Weiss, RA (2014-02-01). „Perspektywa: badania i zastosowania jonomerów”. Inżynieria reakcji makromolekularnych . 8 (2): 81–99. doi : 10.1002/mren.201300181 . ISSN 1862-8338 .
  9. Bibliografia   _ Scott, Keith (2010-11-01). „Wpływ zawartości jonomerów na wydajność zespołu elektrody membranowej elektrolizera wody PEM”. Międzynarodowy Dziennik Energii Wodorowej . VIII sympozjum Meksykańskiego Towarzystwa Wodorowego. 35 (21): 12029–12037. doi : 10.1016/j.ijhydene.2010.08.055 . ISSN 0360-3199 .
  • Eisenberg, A. i Kim, J.-S., Wprowadzenie do jonomerów , Nowy Jork: Wiley, 1998.
  •   Michel Pineri (31 maja 1987). Struktura i właściwości jonomerów . Skoczek. ISBN 978-90-277-2458-8 . Źródło 30 czerwca 2012 r .
  •   Martina R. Tanta; KA Mauritz; Garth L. Wilkes (31 stycznia 1997). Jonomery: synteza, struktura, właściwości i zastosowania . Skoczek. P. 16. ISBN 978-0-7514-0392-3 . Źródło 30 czerwca 2012 r .
  • Grady, Brian P. „Przegląd i krytyczna analiza morfologii losowych jonomerów w wielu skalach długości”. Inżynieria i nauka polimerów 48 (2008): 1029-051. Wydrukować.
  • Spencer, MW, MD Wetzel, C. Troeltzsch i DR Paul. „Wpływ neutralizacji kwasów na właściwości jonomerów K i Na poli (kwas etyleno-ko-metakrylowy)”. Polimer 53 (2011): 569-80. Wydrukować.
Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Ionomer&oldid=1137528280 ”