Ionómero

Un ionómero ( / ˌ aɪ ˈ ɑː n ə m ər / ) ( iono- + -mer ) es un polímero compuesto de unidades repetidas de unidades repetidas eléctricamente neutras y unidades ionizadas unidas covalentemente a la cadena principal del polímero como grupos colgantes . Por lo general, no más del 15 por ciento en moles están ionizadas. 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 la forma en que estos se incorporan a 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 (normalmente superior al 80%); los ionenos son polímeros en los que los grupos iónicos forman parte de la cadena principal del polímero. Estas dos clases de polímeros que contienen grupos iónicos tienen propiedades morfológicas y físicas muy diferentes y, por tanto, no se consideran ionómeros.

Los ionómeros tienen propiedades físicas únicas, entre ellas la conductividad eléctrica y la viscosidad (la viscosidad de la solución de ionómeros aumenta con el aumento de la temperatura; consulte 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 experimentarán una separación de microfases para formar dominios ricos en iónicos.

Las aplicaciones comerciales de los ionómeros incluyen cubiertas para pelotas de golf , membranas semipermeables , cintas de sellado y elastómeros termoplásticos . Algunos ejemplos comunes de ionómeros incluyen sulfonato de poliestireno , Nafion y Hycar.

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 maneras: 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 a través de modificaciones posteriores a la reacción. Por ejemplo, el ácido etileno-metacrílico y el perfluorocarbono sulfonado (Nafion) se sintetizan a través de copolimerización, mientras que el sulfonato de poliestireno se sintetiza a través de 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 con cationes de hidrógeno) y el ionómero se forma mediante la neutralización posterior con el catión metálico apropiado. La identidad del catión metálico neutralizante tiene un efecto sobre las propiedades físicas del ionómero; los cationes metálicos más comúnmente 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 la neutralización se puede lograr mediante procesos de solución. El primer método es el preferido comercialmente. Sin embargo, como los fabricantes comerciales son 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 en solución se utiliza generalmente en entornos académicos. El copolímero ácido se disuelve y se agrega una sal básica con el catión metálico apropiado a esta solución. Cuando la disolución del copolímero ácido es difícil, basta con hinchar el polímero en el disolvente, aunque siempre es preferible disolverlo. Dado que las sales básicas son polares y no son solubles en los disolventes no polares que se utilizan 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 sintetizar un ionómero, ya que al variar el nivel de neutralización, varían las propiedades morfológicas y físicas del ionómero. Un método utilizado para hacerlo es examinar las alturas de los picos de las vibraciones infrarrojas de la forma ácida. Sin embargo, puede haber un error sustancial en la determinación de la altura de los picos, especialmente porque aparecen pequeñas cantidades de agua en el mismo rango de números de onda. La titulación de los grupos ácidos es otro método que se puede utilizar, aunque esto no es posible en algunos sistemas.

Surlyn es el nombre comercial 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]

• Cubiertas para pelotas de golf : los ionómeros se utilizan ampliamente para fabricar cubiertas para pelotas de golf. Son esenciales para estas cubiertas porque tienen resistencia al impacto, dureza y durabilidad. Los enlaces cruzados iónicos en la estructura del polímero permiten que el material resista las altas fuerzas de un swing de golf. Mantiene su forma y rendimiento a lo largo del tiempo. La resiliencia de los grupos iónicos ayuda a que la pelota mantenga sus características de vuelo. Esto garantiza que la pelota tenga una vida útil más larga. Además, la excelente resistencia a la abrasión del material reduce el desgaste de la superficie. Esto permite un rendimiento constante a lo largo de muchas rondas de juego. ^{[6] [7]}
• Películas para embalaje : En la industria del embalaje, los ionómeros son apreciados por su combinación de claridad óptica, dureza y propiedades de sellado. Pueden formar uniones fuertes y termosellables, lo que los hace ideales para las películas para embalaje de alimentos . Tanto la durabilidad como la transparencia son importantes para estas películas. Las películas pueden proteger el contenido de contaminantes externos. También proporcionan una visión clara del producto, lo que mejora el atractivo para el consumidor. Además, los ionómeros son resistentes a perforaciones y desgarros, lo que garantiza que el embalaje permanezca intacto durante el transporte y la manipulación. Además, los ionómeros son resistentes a aceites y grasas, lo que los hace especialmente útiles para envasar alimentos grasosos o aceitosos. El embalaje mantiene su integridad sin degradarse. ^{[6] [7]}
• Membranas semipermeables : los ionómeros se utilizan para fabricar membranas semipermeables. Estas membranas se utilizan en aplicaciones que requieren un transporte selectivo de iones. Esto incluye celdas de combustible y sistemas de purificación de agua. Los dominios iónicos en la estructura del ionómero permiten que los iones pasen a través de ellos de manera selectiva. Bloquean otras moléculas. Esto hace que los ionómeros sean ideales para su uso en membranas de intercambio de protones (PEM) en celdas de combustible . Este transporte selectivo de iones es crucial para la eficiencia y la eficacia de estos dispositivos. Permite reacciones químicas controladas y producción de energía. En la purificación del agua, las membranas basadas en ionómeros pueden eliminar contaminantes de manera selectiva. Permiten que pase agua pura. Esto contribuye a procesos de filtración seguros y eficientes. ^{[6] [8] [7]}
• Adhesivos y selladores : los ionómeros tienen fuertes propiedades adhesivas y son flexibles. Por eso se utilizan en adhesivos y selladores. Los ionómeros pueden formar uniones fuertes con diferentes materiales como metales, plásticos y vidrio. Esto los hace adecuados para su uso en la industria automotriz, la construcción y los bienes de consumo. En los selladores, los ionómeros brindan una excelente resistencia a factores ambientales como la humedad y los cambios de temperatura. Esto garantiza un rendimiento duradero incluso en condiciones adversas. Los ionómeros mantienen su flexibilidad, lo que es importante en aplicaciones donde los materiales se expanden o tienen estrés mecánico. ^{[6] [7]}
• Elastómeros termoplásticos : los ionómeros se utilizan como elastómeros termoplásticos (TPE). Su elasticidad y capacidad para ser remodelados sin una degradación significativa son ventajosas. Estos materiales se pueden estirar y deformar. Pueden volver a su forma original cuando se libera la tensión. Esto los hace útiles en aplicaciones que requieren tanto flexibilidad como resistencia. Los TPE basados ​​en ionómeros se encuentran en una amplia gama de productos. Estos incluyen calzado y dispositivos médicos. En estos productos, la comodidad, la durabilidad y la resiliencia son fundamentales. Además, su resistencia a la degradación química y ultravioleta los hace ideales para aplicaciones al aire libre. La exposición a largo plazo a los elementos es una preocupación en estas aplicaciones. ^{[6] [9] [7]}
• Recubrimientos y pinturas : Los ionómeros se utilizan en recubrimientos y pinturas. Sus propiedades de adhesión y resistencia al daño ambiental hacen que las superficies sean más duraderas. En los recubrimientos automotrices e industriales, los ionómeros crean capas protectoras. Estas capas resisten la corrosión, la abrasión y la exposición a sustancias químicas. Los ionómeros pueden formar recubrimientos lisos y uniformes. Esto los hace adecuados para aplicaciones que necesitan protección de superficies tanto estética como funcional. Además, los recubrimientos a base de ionómeros tienen propiedades autocurativas. Los pequeños rayones se pueden reparar mediante un tratamiento térmico. Esto extiende la vida útil de los productos recubiertos y reduce los costos de mantenimiento. ^{[6] [7]}
• Aplicaciones biomédicas : Los ionómeros tienen aplicaciones potenciales en el campo biomédico. Se pueden utilizar en sistemas de administración de fármacos e implantes médicos. Los ionómeros son biocompatibles. Pueden interactuar con tejidos biológicos. Esto los hace adecuados para dispositivos que requieren una liberación controlada de fármacos. También son adecuados para dispositivos que necesitan integrarse con tejido vivo. Se están realizando investigaciones para explorar el uso de ionómeros en aplicaciones médicas innovadoras. Sus propiedades únicas podrían ofrecer nuevas soluciones para los desafíos de la atención médica. Por ejemplo, los sistemas de administración de fármacos basados ​​en ionómeros pueden proporcionar una terapia dirigida. Pueden controlar la velocidad de liberación de los medicamentos. Esto puede mejorar la eficacia y reducir los efectos secundarios de los tratamientos. ^{[6] [7]}
• Resinas de intercambio iónico : Los ionómeros se utilizan para fabricar resinas de intercambio iónico. Estas resinas son importantes para el tratamiento y la purificación del agua. Las resinas están hechas de materiales ionómeros. Las resinas pueden intercambiar iones de forma selectiva en una solución. Esto les permite eliminar contaminantes no deseados como metales pesados. También pueden ablandar el agua intercambiando iones de calcio y magnesio con iones de sodio o potasio. Las resinas a base de ionómeros son estables y duraderas. Esto las hace adecuadas para un uso repetido en sistemas de tratamiento de agua industriales y domésticos. ^{[6] [7]}
• Dispositivos electroquímicos : En los dispositivos electroquímicos , los ionómeros desempeñan un papel crucial como electrolitos sólidos. Los ionómeros pueden conducir iones mientras actúan como una barrera aislante para los electrones. Esto los hace ideales para su uso en baterías, supercondensadores y celdas de combustible. La estabilidad de los ionómeros en condiciones electroquímicas garantiza el rendimiento y la eficiencia a largo plazo en estos dispositivos. En las celdas de combustible, los ionómeros se utilizan en el conjunto de membrana-electrodo (MEA). En el MEA, los ionómeros facilitan el transporte de protones desde el ánodo al cátodo. Esto permite la generación de electricidad. ^{[6] [7] [8]}

Nafión

• Imprimación de ionómeros con ejemplos

• Eisenberg, A. y Kim, J.-S., Introducción a los ionómeros , Nueva York: Wiley, 1998.
• Michel Pineri (31 de mayo de 1987). Estructura y propiedades de los ionómeros. Springer. ISBN 978-90-277-2458-8. Recuperado 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. Springer. pág. 16. ISBN 978-0-7514-0392-3. Recuperado 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. Impreso.
• Spencer, MW, MD Wetzel, C. Troeltzsch y DR Paul. "Efectos de la neutralización ácida en las propiedades de los ionómeros de poli(etileno-co-ácido metacrílico) K y Na". Polymer 53 (2011): 569-80. Versión impresa.