Иономер
Иономер состоящий ( / ˌ aɪ ˈ ɑː n ə m ər / ) ( ионо- + -мер ) представляет собой полимер, из повторяющихся звеньев как электрически нейтральных повторяющихся звеньев, так и ионизированных звеньев, ковалентно связанных с основной цепью полимера в качестве боковых групп фрагментов . не более 15 мольных процентов Обычно ионизируется . 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 основной цепи полимера. 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 повышением 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 подвергаются микрофазовому разделению с образованием богатых ионами доменов.
Коммерческое применение иономеров включает покрытия для мячей для гольфа , полупроницаемые мембраны , уплотняющую ленту и термопластичные эластомеры . Общие примеры иономеров включают полистиролсульфонат , нафион и хайкар .
Иономер : Полимер, состоящий из молекул иономера . [1]
Иономерная молекула : Макромолекула , в которой небольшая, но
значительная часть конституционных единиц обладает ионизируемыми
или ионные группы, или и то, и другое.Примечание . Некоторые белковые молекулы можно отнести к иономерным.
молекулы. [2]
Синтез
[ редактировать ]Обычно синтез иономеров состоит из двух стадий – введения кислотных групп в основную цепь полимера и нейтрализации части кислотных групп катионом металла. В очень редких случаях введенные группы уже нейтрализуются катионом металла. Первый шаг (введение кислотных групп) можно осуществить двумя способами; нейтральный неионогенный мономер может быть сополимеризован с мономером, который содержит боковые кислотные группы, или кислотные группы могут быть добавлены к неионогенному полимеру посредством модификаций после реакции. Например, этиленметакриловая кислота и сульфированный перфторуглерод (Нафион) синтезируются путем сополимеризации, а сульфонат полистирола синтезируется путем 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 металлов (по крайней мере, в академических исследованиях) — это цинк, натрий и магний. Нейтрализация или иономеризация также может быть осуществлена двумя способами: кислотный сополимер может быть смешан в расплаве с основным металлом или нейтрализация может быть достигнута посредством процессов растворения. Первый метод является предпочтительным с коммерческой точки зрения. Однако, поскольку коммерческие производители неохотно делятся своими процедурами, мало что известно о точных условиях процесса нейтрализации при смешивании в расплаве, за исключением того, что для получения катиона металла обычно используются гидроксиды. Последний процесс нейтрализации решения обычно используется в академических учреждениях. Кислотный сополимер растворяют и к этому раствору добавляют основную соль с соответствующим катионом металла. Если растворение кислотного сополимера затруднено, достаточно простого набухания полимера 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/спирт в соотношении 90:10).
Уровень нейтрализации необходимо определять после синтеза иономера, поскольку при изменении уровня нейтрализации изменяются морфологические и физические свойства иономера. Один из методов, используемых для этого, - исследование высоты пика инфракрасных колебаний кислотной формы. Однако при определении высоты пика может быть существенная ошибка, особенно если в том же диапазоне волновых чисел появляются небольшие количества воды. Титрование кислотных групп — еще один метод, который можно использовать, хотя в некоторых системах это невозможно.
Сурлин
[ редактировать ]Surlyn — это торговая марка иономерной смолы, созданной DuPont , сополимера этилена и метакриловой кислоты, используемого в качестве покрытия и упаковочного материала. [3] DuPont нейтрализует кислоту NaOH , получая натриевую соль. [4] Кристаллы иономеров этилен-метакриловой кислоты демонстрируют двойное плавление. [5]
Приложение
[ редактировать ]![[икона]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/1c/Wiki_letter_w_cropped.svg/20px-Wiki_letter_w_cropped.svg.png){kind=small} | Этот раздел нуждается в расширении . Вы можете помочь, добавив к нему . ( май 2018 г. ) |
За счет комплексообразования ионов металлов с полимерной матрицей прочность и ударная вязкость иономерной системы увеличиваются. Некоторые области применения иономеров для повышения прочности всей системы включают покрытия, клеи, модификацию ударной вязкости 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, продлевая их срок службы. Иономеры также можно смешивать со смолами для увеличения когезионной прочности без снижения общей липкости смолы, создавая чувствительные к давлению клеи для различных применений, включая клеи на основе воды или растворителей. [7] Иономеры с цепями поли(этилен-метакриловой кислоты) также могут использоваться в пленочной упаковке благодаря их прозрачности, прочности, гибкости, устойчивости к окрашиванию, высокой газопроницаемости и низкой температуре сваривания. [8] Эти качества также приводят к высокому спросу 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 материалом для загущения буровых растворов, когда 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 повышать 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 двух разных полимеров, но также сильным отталкивающим взаимодействием между нейтральными и ионными частицами, присутствующими в иономере, что может привести к тому, что одна из этих разновидностей будет более смешиваемой с разновидность другого полимера в смеси. Некоторые иономеры использовались для приложений с памятью формы, то есть материал имеет фиксированную форму, которую можно преобразовать с помощью внешних напряжений выше критической температуры и охладить, а затем восстановить первоначальную форму при повышении температуры выше критической и дать остыть без внешних напряжений. . Иономеры могут образовывать как химические, так и физические сшивки, которые можно легко модифицировать при умеренных температурах обработки, они менее плотны, чем сплавы с памятью формы, и имеют более высокую вероятность биосовместимости для биомедицинских устройств. [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 пропускает через мембрану только протоны или определенные ионы, электролизер воды с полимерной электролитной мембраной (ПЭМ) для оптимизации равномерного покрытия катализатора на поверхности мембраны, [9] сепаратор проточной батареи окислительно-восстановительного процесса, электродиализ , где ионы транспортируются между растворами с помощью иономерной мембраны, и электрохимические водородные компрессоры для увеличения прочности мембраны против перепадов давления, которые могут возникнуть внутри компрессора.
См. также
[ редактировать ]Внешние ссылки
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Дженкинс, AD; Краточвил, П.; Степто, РФТ; Сутер, Вашингтон (1996). «Глоссарий основных терминов в области науки о полимерах (Рекомендации ИЮПАК, 1996 г.)» (PDF) . Чистая и прикладная химия . 68 (12): 2287–2311. дои : 10.1351/pac199668122287 . S2CID 98774337 . Архивировано из оригинала (PDF) 4 марта 2016 г. Проверено 24 июля 2013 г.
- ^ Дженкинс, AD; Краточвил, П.; Степто, РФТ; Сутер, Вашингтон (1996). «Глоссарий основных терминов в области науки о полимерах (Рекомендации ИЮПАК, 1996 г.)» (PDF) . Чистая и прикладная химия . 68 (12): 2287–2311. дои : 10.1351/pac199668122287 . S2CID 98774337 . Архивировано из оригинала (PDF) 4 марта 2016 г. Проверено 24 июля 2013 г.
- ^ «Иономерная смола, обеспечивающая прозрачность, прочность и универсальность» . дю Пон де Немур и компания . Проверено 24 декабря 2014 г.
- ^ Грег Браст (2005). «Иономеры» . Университет Южного Миссисипи . Проверено 24 декабря 2014 г.
- ^ «Строение и свойства кристаллизующихся иономеров» . Принстонский университет . Проверено 24 декабря 2014 г.
- ^ Перейти обратно: а б с «Свойства иономеров» . www.polymerdatabase.com . Проверено 10 декабря 2019 г.
- ^ Перейти обратно: а б Лундберг, Р.Д. (1987), «Применение иономеров, включая ионные эластомеры и полимерные/жидкие добавки», Пинери, Мишель; Айзенберг, Ади (ред.), Структура и свойства иономеров , Серия NATO ASI, Springer Нидерланды, стр. 429–438, doi : 10.1007/978-94-009-3829-8_35 , ISBN 978-94-009-3829-8
- ^ Перейти обратно: а б с Чжан, Лунхэ; Бростовиц, Николь Р.; Кавички, Кевин А.; Вайс, РА (1 февраля 2014 г.). «Перспектива: исследования и применение иономеров». Инженерия макромолекулярных реакций . 8 (2): 81–99. дои : 10.1002/mren.201300181 . ISSN 1862-8338 .
- ^ Сюй, Ву; Скотт, Кейт (01 ноября 2010 г.). «Влияние содержания иономеров на характеристики мембранно-электродного узла водного электролизера PEM». Международный журнал водородной энергетики . VIII симпозиум Мексиканского водородного общества. 35 (21): 12029–12037. Бибкод : 2010IJHE...3512029X . doi : 10.1016/j.ijhydene.2010.08.055 . ISSN 0360-3199 .
- Айзенберг А. и Ким Дж.-С. Введение в иономеры . Нью-Йорк: Wiley, 1998.
- Мишель Пинери (31 мая 1987 г.). Структура и свойства иономеров . Спрингер. ISBN 978-90-277-2458-8 . Проверено 30 июня 2012 г.
- Мартин Р. Тант; К. А. Мауриц; Гарт Л. Уилкс (31 января 1997 г.). Иономеры: синтез, структура, свойства и применение . Спрингер. п. 16. ISBN 978-0-7514-0392-3 . Проверено 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. Распечатать.
- Спенсер, М.В., доктор медицинских наук Ветцель, К. Трёльч и доктор Пол. «Влияние нейтрализации кислоты на свойства иономеров поли(этилен-метакриловой кислоты) калия и натрия». Полимер 53 (2011): 569-80. Распечатать.