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Un ionómero ( / ˌ aɪ ɑː n ə m ər / ) ( iono- + -mer ) es un polímero compuesto de unidades de repetición de ambos eléctricamente unidades de repetición y neutral ionizados unidades unidas covalentemente a la cadena principal del polímero como grupo colgante restos . Por lo general, no se ioniza más del 15 por ciento en moles . Las unidades ionizadas son a menudo grupos de ácido carboxílico.

La clasificación de un polímero como ionómero depende del nivel de sustitución de los grupos iónicos, así como de cómo se incorporan los grupos iónicos en la estructura del polímero. Por ejemplo, los polielectrolitos también tienen grupos iónicos unidos covalentemente a la cadena principal del polímero, pero tienen un nivel de sustitución molar de grupos iónicos mucho más alto (habitualmente superior al 80%); Los ionenos son polímeros en los que los grupos iónicos forman parte de la estructura polimérica real. Estas dos clases de polímeros que contienen grupos iónicos tienen propiedades morfológicas y físicas muy diferentes y, por lo tanto, no se consideran ionómeros.

Los ionómeros tienen propiedades físicas únicas que incluyen conductividad eléctrica y viscosidad: aumento de la viscosidad de la solución de ionómero al aumentar las temperaturas (ver polímero conductor ). Los ionómeros también tienen propiedades morfológicas únicas ya que la cadena principal del polímero no polar es energéticamente incompatible con los grupos iónicos polares. Como resultado, los grupos iónicos en la mayoría de los ionómeros sufrirán una separación de microfases para formar dominios ricos en iones.

Las aplicaciones comerciales de los ionómeros incluyen cubiertas para pelotas de golf , membranas semipermeables , cinta selladora y elastómeros termoplásticos . Los ejemplos comunes de ionómeros incluyen poliestireno sulfonato , Nafion e Hycar .

Definición IUPAC
Ionómero : polímero compuesto por moléculas de ionómero . [1]

Molécula de ionómero : una macromolécula en la que una
proporción pequeña pero significativa de las unidades constitucionales tiene
grupos ionizables o iónicos, o ambos.

Nota : Algunas moléculas de proteínas pueden clasificarse como
moléculas de ionómero . [2]

Síntesis

Por lo general, la síntesis de ionómeros consta de dos pasos: la introducción de grupos ácidos en la cadena principal del polímero y la neutralización de algunos de los grupos ácidos por un catión metálico. En casos muy raros, los grupos introducidos ya están neutralizados por un catión metálico. El primer paso (introducción de grupos ácidos) se puede realizar de dos formas; se puede copolimerizar un monómero no iónico neutro con un monómero que contiene grupos ácidos colgantes o se pueden añadir grupos ácidos a un polímero no iónico mediante modificaciones posteriores a la reacción. Por ejemplo, el ácido etileno-metacrílico y el perfluorocarburo sulfonado (Nafion) se sintetizan mediante copolimerización, mientras que el poliestireno sulfonato se sintetiza mediante modificaciones posteriores a la reacción.

En la mayoría de los casos, la forma ácida del copolímero se sintetiza (es decir, el 100% de los grupos ácido carboxílico se neutralizan mediante cationes de hidrógeno) y el ionómero se forma mediante neutralización posterior mediante el catión metálico apropiado. La identidad del catión metálico neutralizante tiene un efecto sobre las propiedades físicas del ionómero; los cationes metálicos más utilizados (al menos en la investigación académica) son el zinc, el sodio y el magnesio. La neutralización o ionomerización también se puede lograr de dos maneras: el copolímero ácido se puede mezclar en estado fundido con un metal básico o se puede lograr la neutralización mediante procesos en solución. El primer método se prefiere comercialmente. Sin embargo, dado que los fabricantes comerciales se muestran reacios a compartir sus procedimientos,poco se sabe acerca de las condiciones exactas del proceso de neutralización por mezcla en estado fundido aparte de que los hidróxidos se utilizan generalmente para proporcionar el catión metálico. El último proceso de neutralización de la solución se utiliza generalmente en entornos académicos. El copolímero ácido se disuelve y se añade a esta solución una sal básica con el catión metálico apropiado. Cuando la disolución del copolímero ácido es difícil, es suficiente simplemente hinchar el polímero en el disolvente, aunque siempre se prefiere la disolución. Debido a que las sales básicas son polares y no son solubles en los disolventes no polares utilizados para disolver la mayoría de los polímeros, a menudo se utilizan disolventes mixtos (por ejemplo, tolueno / alcohol 90:10).El copolímero ácido se disuelve y se añade a esta solución una sal básica con el catión metálico apropiado. Cuando la disolución del copolímero ácido es difícil, es suficiente simplemente hinchar el polímero en el disolvente, aunque siempre se prefiere la disolución. Debido a que las sales básicas son polares y no son solubles en los disolventes no polares utilizados para disolver la mayoría de los polímeros, a menudo se utilizan disolventes mixtos (por ejemplo, tolueno / alcohol 90:10).El copolímero ácido se disuelve y se añade a esta solución una sal básica con el catión metálico apropiado. Cuando la disolución del copolímero ácido es difícil, es suficiente simplemente hinchar el polímero en el disolvente, aunque siempre se prefiere la disolución. Debido a que las sales básicas son polares y no son solubles en los disolventes no polares utilizados para disolver la mayoría de los polímeros, a menudo se utilizan disolventes mixtos (por ejemplo, tolueno / alcohol 90:10).

El nivel de neutralización debe determinarse después de que se sintetiza un ionómero, ya que al variar el nivel de neutralización, varían las propiedades morfológicas y físicas del ionómero. Un método utilizado para hacer esto es examinar las alturas máximas de las vibraciones infrarrojas de la forma ácida. Sin embargo, puede haber un error sustancial al determinar la altura del pico, especialmente porque aparecen pequeñas cantidades de agua en el mismo rango de número de onda. La valoración de los grupos ácidos es otro método que se puede utilizar, aunque esto no es posible en algunos sistemas.

Surlyn

Surlyn es el nombre comercial de una resina de ionómero creada por DuPont , un copolímero de etileno y ácido metacrílico que se utiliza como material de revestimiento y embalaje. [3] DuPont neutraliza el ácido con NaOH , produciendo la sal de sodio. [4] Los cristales de ionómeros de etileno-ácido metacrílico exhiben un comportamiento de fusión dual. [5]

Aplicación

Complejando los iones metálicos en la matriz del polímero, se incrementa la resistencia y tenacidad del sistema de ionómero. Algunas aplicaciones en las que se usaron ionómeros para aumentar la tenacidad del sistema general incluyen recubrimientos, adhesivos, modificación por impacto y termoplásticos, siendo uno de los ejemplos más conocidos el uso de Surlyn en la capa exterior de pelotas de golf. [6] El revestimiento de ionómero mejora la tenacidad, la aerodinámica y la durabilidad de las pelotas de golf, aumentando su vida útil. Los ionómeros también se pueden mezclar con resinas para aumentar la fuerza cohesiva sin disminuir la pegajosidad general de la resina, creando adhesivos sensibles a la presión para una variedad de aplicaciones, incluyendo adhesivos a base de agua o solventes. [7]Los ionómeros que utilizan cadenas de poli (etileno-ácido metacrílico) también se pueden utilizar en envases de película debido a su transparencia, dureza, flexibilidad, resistencia a las manchas, alta permeabilidad a los gases y baja temperatura de sellado. [8] Estas cualidades también se traducen en una gran demanda de uso de ionómeros en materiales de envasado de alimentos. [6]

Con la adición del ión a un cierto porcentaje de la cadena del polímero, aumenta la viscosidad del ionómero. Este comportamiento puede convertir a los ionómeros en un buen material de viscosificación para aplicaciones de fluidos de perforación donde el sistema se encuentra bajo una tasa de cizallamiento baja. [7] El uso del ionómero para aumentar la viscosidad del sistema ayuda a prevenir comportamientos de adelgazamiento por cizallamiento dentro del fluido de perforación, especialmente a temperaturas de operación más altas.

Otra aplicación incluye la capacidad de un ionómero para aumentar la compatibilidad de mezclas de polímeros. [8]Este fenómeno está impulsado por la termodinámica y se logra mediante la introducción de interacciones específicas entre grupos funcionales que son cada vez más favorables en presencia de un ión metálico. La miscibilidad puede ser impulsada no solo por la reacción cada vez más favorable entre los grupos funcionales en dos polímeros diferentes, sino también por tener una fuerte interacción repulsiva entre las especies neutra e iónica presentes dentro de un ionómero, lo que puede hacer que una de estas especies sea más miscible con la especie del otro polímero dentro de la mezcla. Algunos ionómeros se han utilizado para aplicaciones de memoria de forma, lo que significa que el material tiene una forma fija que puede reformarse utilizando tensiones externas por encima de una temperatura crítica y enfriarse.luego recupera la forma original cuando se eleva por encima de la temperatura crítica y se deja enfriar sin tensiones externas. Los ionómeros pueden formar enlaces cruzados tanto químicos como físicos que pueden modificarse fácilmente a temperaturas de procesamiento moderadas, son menos densos que las aleaciones con memoria de forma y tienen una mayor probabilidad de ser biocompatibles para dispositivos biomédicos.[8]

Algunas aplicaciones más recientes de los ionómeros incluyen su uso como membranas selectivas de iones en una variedad de aplicaciones eléctricas y energéticas. [6] Los ejemplos incluyen la membrana de intercambio catiónico para celdas de combustible, que permite que solo protones o iones específicos atraviesen la membrana, un electrolizador de agua con membrana de electrolito polimérico (PEM) para optimizar el recubrimiento uniforme del catalizador en las superficies de la membrana, [9] a separador de batería de flujo redox, electrodiálisis , donde los iones se transportan entre soluciones utilizando la membrana de ionómero, y compresores electroquímicos de hidrógeno para aumentar la resistencia de la membrana frente a las diferencias de presión que pueden ocurrir dentro del compresor.

Ver también

Enlaces externos

Referencias

  1. ^ Jenkins, AD; Kratochvíl, P .; Stepto, RFT; Suter, UW (1996). "Glosario de términos básicos en la ciencia de los polímeros (Recomendaciones IUPAC 1996)" (PDF) . Química pura y aplicada . 68 (12): 2287–2311. doi : 10.1351 / pac199668122287 . S2CID  98774337 .
  2. ^ Jenkins, AD; Kratochvíl, P .; Stepto, RFT; Suter, UW (1996). "Glosario de términos básicos en la ciencia de los polímeros (Recomendaciones IUPAC 1996)" (PDF) . Química pura y aplicada . 68 (12): 2287–2311. doi : 10.1351 / pac199668122287 . S2CID 98774337 .  
  3. ^ "Una resina de ionómero que proporciona claridad, dureza y versatilidad" . du Pont de Nemours and Company . Consultado el 24 de diciembre de 2014 .
  4. ^ Greg Brust (2005). "Ionómeros" . La Universidad del Sur de Mississippi . Consultado el 24 de diciembre de 2014 .
  5. ^ "Estructura y propiedades de ionómeros cristalizables" . Universidad de Princeton . Consultado el 24 de diciembre de 2014 .
  6. ^ a b c "Propiedades de los ionómeros" . Polymerdatabase.com . Consultado el 10 de diciembre de 2019 .
  7. ^ a b Lundberg, RD (1987), "Aplicaciones de ionómero que incluyen elastómeros iónicos y aditivos de polímeros / fluidos", en Pineri, Michel; Eisenberg, Adi (eds.), Estructura y propiedades de los ionómeros , Serie ASI de la OTAN, Springer Países Bajos, págs. 429–438, doi : 10.1007 / 978-94-009-3829-8_35 , ISBN 978-94-009-3829-8
  8. ^ a b c Zhang, Longhe; Brostowitz, Nicole R .; Cavicchi, Kevin A .; Weiss, RA (1 de febrero de 2014). "Perspectiva: investigación y aplicaciones de ionómeros". Ingeniería de Reacción Macromolecular . 8 (2): 81–99. doi : 10.1002 / mren.201300181 . ISSN 1862-8338 . 
  9. ^ Xu, Wu; Scott, Keith (1 de noviembre de 2010). "Los efectos del contenido de ionómero en el rendimiento del conjunto de electrodos de membrana de electrolizador de agua PEM". Revista Internacional de Energía de Hidrógeno . VIII simposio de la Sociedad Mexicana del Hidrógeno. 35 (21): 12029–12037. doi : 10.1016 / j.ijhydene.2010.08.055 . ISSN 0360-3199 . 
  • Eisenberg, A. y Kim, J.-S., Introduction to Ionomers , Nueva York: Wiley, 1998.
  • Michel Pineri (31 de mayo de 1987). Estructura y propiedades de los ionómeros . Saltador. ISBN 978-90-277-2458-8. Consultado el 30 de junio de 2012 .
  • Martin R. Tant; KA Mauritz; Garth L. Wilkes (31 de enero de 1997). Ionómeros: síntesis, estructura, propiedades y aplicaciones . Saltador. pag. 16. ISBN 978-0-7514-0392-3. Consultado el 30 de junio de 2012 .
  • Grady, Brian P. "Revisión y análisis crítico de la morfología de ionómeros aleatorios en muchas escalas de longitud". Ingeniería y ciencia de polímeros 48 (2008): 1029-051. Imprimir.
  • Spencer, MW, MD Wetzel, C. Troeltzsch y DR Paul. "Efectos de la neutralización del ácido sobre las propiedades de los ionómeros de poli (etileno-co-ácido metacrílico) de K y Na". Polymer 53 (2011): 569-80. Imprimir.