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, этилен-метакриловая 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% карбоксильных групп нейтрализуется 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 ]- Чехлы для мячей для гольфа : иономеры широко используются для изготовления чехлов для мячей для гольфа. Они необходимы для этих чехлов, поскольку обладают ударопрочностью, прочностью и долговечностью. Ионные сшивки в структуре полимера позволяют материалу выдерживать большие нагрузки при ударе в гольф. Он сохраняет свою форму и эксплуатационные качества с течением времени. Устойчивость ионных кластеров помогает мячу сохранять летные характеристики. Это обеспечивает более длительный срок службы мяча. Кроме того, превосходная стойкость материала к истиранию снижает износ поверхности. Это обеспечивает стабильную производительность на протяжении многих раундов игры. [ 6 ] [ 7 ]
- Упаковочные пленки . В упаковочной промышленности иономеры ценятся за сочетание оптической прозрачности, прочности и герметизирующих свойств. Они могут образовывать прочные, термосвариваемые соединения. Это делает их идеальными для упаковочных пленок для пищевых продуктов. Для этих пленок важны как долговечность, так и прозрачность. Пленки могут защитить содержимое от внешних загрязнений. Они также обеспечивают четкое представление о продукте, повышая его привлекательность для потребителей. Кроме того, иономеры устойчивы к проколам и разрывам. Это гарантирует, что упаковка останется неповрежденной во время транспортировки и погрузочно-разгрузочных работ. Кроме того, иономеры устойчивы к маслам и жирам. Это делает их особенно полезными при упаковке жирных или маслянистых продуктов. Упаковка сохраняет свою целостность и не разрушается. [ 6 ] [ 7 ]
- Полупроницаемые мембраны : Иономеры используются для изготовления полупроницаемых мембран. Эти мембраны используются в приложениях, требующих селективного транспорта ионов. Сюда входят топливные элементы и системы очистки воды. Ионные домены в структуре иономера позволяют ионам избирательно проходить сквозь него. Они блокируют другие молекулы. Это делает иономеры идеальными для использования в протонообменных мембранах (ПЭМ) топливных элементов . Этот избирательный транспорт ионов имеет решающее значение для эффективности и результативности этих устройств. Это позволяет контролировать химические реакции и производство энергии. При очистке воды мембраны на основе иономеров позволяют избирательно удалять загрязнения. Они пропускают чистую воду. Это способствует безопасным и эффективным процессам фильтрации. [ 6 ] [ 8 ] [ 7 ]
- Клеи и герметики : Иономеры обладают сильными адгезионными свойствами и являются гибкими. Вот почему они используются в клеях и герметиках. Иономеры могут образовывать прочные связи с различными материалами, такими как металлы, пластики и стекло. Это делает их пригодными для использования в автомобилестроении, строительстве и производстве потребительских товаров. В герметиках иономеры обеспечивают превосходную устойчивость к факторам окружающей среды, таким как влага и изменения температуры. Это обеспечивает длительную работу даже в суровых условиях. Иономеры сохраняют свою гибкость, что важно в тех случаях, когда материалы расширяются или испытывают механическое напряжение. [ 6 ] [ 7 ]
- Термопластичные эластомеры : Иономеры используются в качестве термопластичных эластомеров (TPE). Преимуществом являются их эластичность и способность переделываться без существенного ухудшения качества. Эти материалы могут растягиваться и деформироваться. Они могут вернуться к своей первоначальной форме, когда напряжение снято. Это делает их полезными в приложениях, требующих как гибкости, так и прочности. ТПЭ на основе иономеров встречаются в широком ассортименте продукции. К ним относятся обувь и медицинские изделия. В этих продуктах решающее значение имеют комфорт, долговечность и устойчивость. Более того, их устойчивость к химическому и ультрафиолетовому излучению делает их идеальными для наружного применения. Длительное воздействие элементов является проблемой в этих приложениях. [ 6 ] [ 9 ] [ 7 ]
- Покрытия и краски : Иономеры используются в покрытиях и красках. Их адгезионные свойства и устойчивость к воздействию окружающей среды делают поверхности более долговечными. В автомобильных и промышленных покрытиях иономеры создают защитные слои. Эти слои устойчивы к коррозии, истиранию и химическому воздействию. Иономеры могут образовывать гладкие, однородные покрытия. Это делает их пригодными для применений, требующих как эстетической, так и функциональной защиты поверхности. Кроме того, покрытия на основе иономеров обладают свойствами самовосстановления. Небольшие царапины можно устранить термической обработкой. Это продлевает срок службы изделий с покрытием и снижает затраты на техническое обслуживание. [ 6 ] [ 7 ]
- Биомедицинское применение : Иономеры имеют потенциальное применение в биомедицинской области. Их можно использовать в системах доставки лекарств и медицинских имплантатах. Иономеры биосовместимы. Они могут взаимодействовать с биологическими тканями. Это делает их подходящими для устройств, требующих контролируемого высвобождения лекарств. Они также подходят для устройств, которым необходимо интегрироваться с живой тканью. Продолжаются исследования по изучению использования иономеров в инновационных медицинских целях. Их уникальные свойства могут предложить новые решения проблем здравоохранения. Например, системы доставки лекарств на основе иономеров могут обеспечить таргетную терапию. Они могут контролировать скорость высвобождения лекарств. Это может повысить эффективность и уменьшить побочные эффекты лечения. [ 6 ] [ 7 ]
- Ионообменные смолы : Иономеры используются для изготовления ионообменных смол. Эти смолы важны для очистки и очистки воды. Смолы изготавливаются из иономерных материалов. Смолы могут избирательно обменивать ионы в растворе. Это позволяет им удалять нежелательные загрязнения, такие как тяжелые металлы. Они также могут смягчать воду, обменивая ионы кальция и магния на ионы натрия или калия. Смолы на основе иономеров стабильны и долговечны. Это делает их пригодными для многократного использования в промышленных и бытовых системах очистки воды. [ 6 ] [ 7 ]
- Электрохимические устройства . В электрохимических устройствах иономеры играют решающую роль в качестве твердых электролитов. Иономеры могут проводить ионы, выступая в качестве изолирующего барьера для электронов. Это делает их идеальными для использования в батареях, суперконденсаторах и топливных элементах. Стабильность иономеров в электрохимических условиях обеспечивает долгосрочную работу и эффективность этих устройств. В топливных элементах иономеры используются в мембранно-электродном узле (МЭА). В МЭА иономеры облегчают транспорт протонов от анода к катоду. Это позволяет производить электроэнергию. [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]
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.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я «Свойства иономеров» . www.polymerdatabase.com . Проверено 10 декабря 2019 г.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я 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 .
- ^ Jump up to: а б 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 .
- ^ 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
- 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. Трельч и доктор Пол. «Влияние нейтрализации кислоты на свойства иономеров поли(этилен-метакриловой кислоты) калия и натрия». Полимер 53 (2011): 569-80. Распечатать.