Un ionómero ( ⫽ ˌ aɪ ˈ ɑː n ə m ər ⫽ ) ( iono- + -mer ) es un polímero compuesto por unidades repetidas tanto de unidades repetitivas eléctricamente neutras como de unidades ionizadas unidas covalentemente a la estructura principal del polímero como restos de grupos colgantes . Normalmente no se ioniza más del 15 por ciento en moles . Las unidades ionizadas suelen ser 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 a la estructura del polímero. Por ejemplo, los polielectrolitos también tienen grupos iónicos unidos covalentemente a la estructura principal del polímero, pero tienen un nivel de sustitución molar de grupos iónicos mucho más alto (normalmente superior al 80 %); Los ionenos son polímeros en los que los grupos iónicos forman parte de la estructura principal del polímero. Estas dos clases de polímeros que contienen grupos iónicos tienen propiedades físicas y morfológicas 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 la temperatura (consulte polímero conductor ). Los ionómeros también tienen propiedades morfológicas únicas, ya que la estructura principal del polímero no polar es energéticamente incompatible con los grupos iónicos polares. Como resultado, los grupos iónicos en la mayoría de los ionómeros se someterán a una separación en microfases para formar dominios ricos en iones.
Las aplicaciones comerciales de los ionómeros incluyen cubiertas para pelotas de golf , membranas semipermeables , cintas selladoras y elastómeros termoplásticos . Ejemplos comunes de ionómeros incluyen sulfonato de poliestireno , Nafion y Hycar.
Ionómero : Polímero compuesto de moléculas de ionómero . [1]
Molécula de ionómero : 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]
Por lo general, la síntesis de ionómeros consta de dos pasos: la introducción de grupos ácidos en la estructura del polímero y la neutralización de algunos de los grupos ácidos mediante 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; un monómero no iónico neutro se puede copolimerizar con un monómero que contiene grupos ácidos colgantes o se pueden agregar grupos ácidos a un polímero no iónico mediante modificaciones posteriores a la reacción. Por ejemplo, el ácido etileno-metacrílico y el perfluorocarbono 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, se sintetiza la forma ácida del copolímero (es decir, el 100% de los grupos de ácido carboxílico se neutralizan mediante cationes de hidrógeno) y el ionómero se forma mediante la neutralización posterior mediante el catión metálico apropiado. La identidad del catión metálico neutralizante influye en 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 fusión con un metal básico o la neutralización se puede lograr mediante procesos de solución. Comercialmente se prefiere el primer método. Sin embargo, como los fabricantes comerciales se muestran reacios a compartir sus procedimientos, se sabe poco sobre las condiciones exactas del proceso de neutralización por mezcla en estado fundido, aparte de que generalmente se utilizan hidróxidos 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 a esta solución se le añade una sal básica con el catión metálico apropiado. Cuando la disolución del copolímero ácido es difícil, basta con 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, 90:10 tolueno/alcohol).
El nivel de neutralización debe determinarse después de sintetizar 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 números de onda. La valoración de los grupos ácidos es otro método que se puede utilizar, aunque esto no es posible en algunos sistemas.
Surlyn es la marca de una resina ionomérica creada por DuPont , un copolímero de etileno y ácido metacrílico utilizado como material de recubrimiento 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]
Al complejar iones metálicos en la matriz polimérica, se aumenta la resistencia y tenacidad del sistema ionómero. Algunas aplicaciones en las que se utilizaron ionómeros para aumentar la dureza del sistema general incluyen recubrimientos, adhesivos, modificación de impacto y termoplásticos; uno de los ejemplos más conocidos es el uso de Surlyn en la capa exterior de pelotas de golf. [6] El recubrimiento de ionómero mejora la dureza, 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, incluidos 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 para el uso de ionómeros en materiales de envasado de alimentos. [6]
Con la adición del ion a un cierto porcentaje de la cadena polimérica, 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 tiene una velocidad de corte 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 sólo por la reacción cada vez más favorable entre los grupos funcionales de dos polímeros diferentes, sino también por tener una fuerte interacción repulsiva entre las especies neutras e iónicas presentes dentro de un ionómero, lo que puede hacer que una de estas especies sea más miscible con las especies del otro polímero dentro de la mezcla. Algunos ionómeros se han utilizado para aplicaciones con 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 permiten que solo protones o iones específicos crucen la membrana, un electrolizador de agua de membrana de electrolito polimérico (PEM) para optimizar el recubrimiento uniforme del catalizador en las superficies de la membrana, [9] una 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 contra los diferenciales de presión que pueden ocurrir dentro del compresor.