Ionómero

Un ionómero ( / ˌ aɪ ˈ ɑː n ə m ər / ) ( iono- + -mero ) es un polímero compuesto por unidades repetitivas, tanto eléctricamente neutras como ionizadas , unidas covalentemente a la cadena principal del polímero como grupos colgantes . Generalmente, no más del 15 % molar están ionizadas. Las unidades ionizadas suelen ser grupos de ácido carboxílico .

La clasificación de un polímero como ionómero depende del grado 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 poseen grupos iónicos unidos covalentemente a la cadena principal del polímero, pero con un grado de sustitución molar mucho mayor (generalmente superior al 80%); los ionenos son polímeros en los que los grupos iónicos forman parte de la propia cadena principal. Estas dos clases de polímeros con grupos iónicos presentan propiedades morfológicas y físicas muy diferentes y, por lo tanto, no se consideran ionómeros.

Los ionómeros poseen propiedades físicas únicas, como conductividad eléctrica y viscosidad (la viscosidad de las soluciones de ionómero aumenta con la temperatura; véase polímero conductor ). Además, presentan propiedades morfológicas únicas, ya que la cadena principal polimérica no polar es energéticamente incompatible con los grupos iónicos polares. Como resultado, los grupos iónicos en la mayoría de los ionómeros experimentan una separación de microfases para formar dominios ricos en iones.

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 son el sulfonato de poliestireno , el Nafion y el Hycar .

Generalmente, 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 estos grupos mediante un catión metálico. En casos muy excepcionales, los grupos introducidos ya están neutralizados por un catión metálico. El primer paso (introducción de grupos ácidos) puede realizarse de dos maneras: se puede copolimerizar un monómero no iónico neutro con un monómero que contenga grupos ácidos colgantes, o bien se pueden añadir grupos ácidos a un polímero no iónico mediante modificaciones posteriores a la reacción. Por ejemplo, el ácido etilenmetacrílico 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 con cationes de hidrógeno) y el ionómero se forma mediante la posterior neutralización con el catión metálico apropiado. La identidad del catión metálico neutralizante afecta 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 puede realizarse de dos maneras: el copolímero ácido puede mezclarse en estado fundido con un metal básico o la neutralización puede lograrse mediante procesos en solución. El primer método es el preferido comercialmente. Sin embargo, dado que 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, salvo que generalmente se utilizan hidróxidos para proporcionar el catión metálico. El segundo proceso de neutralización en 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 resulta difícil, basta con hinchar el polímero en el disolvente, aunque siempre se prefiere la disolución completa. 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 emplean disolventes mixtos (por ejemplo, tolueno/alcohol en proporción 90:10).

Tras la síntesis de un ionómero, es necesario determinar su nivel de neutralización, ya que este nivel altera sus propiedades morfológicas y físicas. Un método para ello consiste en analizar la altura de los picos de vibración infrarroja de la forma ácida. Sin embargo, puede existir un margen de error considerable al determinar la altura del pico, especialmente porque pequeñas cantidades de agua aparecen en el mismo rango de número de onda . La titulación de los grupos ácidos es otro método que se puede utilizar, aunque no es posible en algunos sistemas.

Surlyn es la marca 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 , obteniendo la sal sódica. ^{[ 4 ]} Los cristales de ionómeros de etileno-ácido metacrílico presentan un comportamiento de fusión dual. ^{[ 5 ]}

• Fundas para pelotas de golf : Los ionómeros se utilizan ampliamente para fabricar fundas para pelotas de golf. Son esenciales para estas fundas debido a su resistencia al impacto, tenacidad y durabilidad. Los enlaces cruzados iónicos en la estructura del polímero permiten que el material soporte las altas fuerzas de un swing de golf. Mantiene su forma y rendimiento con el tiempo. La resiliencia de los cúmulos iónicos ayuda a que la pelota mantenga sus características de vuelo. Esto garantiza una mayor vida útil de la pelota. 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 de embalaje : En la industria del embalaje, los ionómeros son muy apreciados por su combinación de claridad óptica, resistencia y propiedades de sellado. Pueden formar uniones fuertes y termosellables, lo que los hace ideales para películas de embalaje de alimentos . Tanto la durabilidad como la transparencia son importantes para estas películas, ya que protegen el contenido de contaminantes externos y permiten una visión clara del producto, lo que aumenta su 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. Asimismo, son resistentes a aceites y grasas, lo que los hace especialmente útiles para envasar alimentos grasos o aceitosos. El embalaje mantiene su integridad sin degradarse. ^{[ 6 ] [ 7 ]}
• Semipermeable Membranes: Ionomers are used to make semipermeable membranes. These membranes are used in applications that require selective ion transport. This includes fuel cells and water purification systems. The ionic domains in the ionomer structure allow ions to pass through selectively. They block other molecules. This makes ionomers ideal for use in proton exchange membranes (PEMs) in fuel cells. This selective ion transport is crucial for the efficiency and effectiveness of these devices. It allows for controlled chemical reactions and energy production. In water purification, ionomer-based membranes can selectively remove contaminants. They allow pure water to pass through. This contributes to safe and efficient filtration processes.^[6][8][7]
• Adhesives and Sealants: Ionomers have strong adhesive properties and are flexible. That's why they are used in adhesives and sealants. Ionomers can form strong bonds with different materials like metals, plastics, and glass. This makes them suitable for use in automotive, construction, and consumer goods. In sealants, ionomers provide excellent resistance to environmental factors like moisture and temperature changes. This ensures long-lasting performance even in harsh conditions. Ionomers maintain their flexibility, which is important in applications where materials expand or have mechanical stress.^[6][7]
• Thermoplastic Elastomers: Ionomers are used as thermoplastic elastomers (TPEs). Their elasticity and ability to be remolded without significant degradation are advantageous. These materials can be stretched and deformed. They can return to their original shape when the stress is released. This makes them useful in applications requiring both flexibility and strength. TPEs based on ionomers are found in a wide range of products. These include footwear and medical devices. In these products, comfort, durability, and resilience are critical. Long-term exposure to the elements is a concern in outdoor applications due to poor resistance to UV amongst other usual concerns.^[6][9][7]
• Recubrimientos y pinturas : Los ionómeros se utilizan en recubrimientos y pinturas. Sus propiedades adhesivas y resistencia al daño ambiental hacen que las superficies sean más duraderas. En recubrimientos automotrices e industriales, los ionómeros crean capas protectoras que resisten la corrosión, la abrasión y la exposición química. Los ionómeros pueden formar recubrimientos lisos y uniformes, lo que los hace adecuados para aplicaciones que requieren protección superficial tanto estética como funcional. Además, los recubrimientos a base de ionómeros tienen propiedades de autorreparación. Los pequeños arañazos se pueden reparar mediante tratamiento térmico, lo que prolonga 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 y pueden interactuar con los tejidos biológicos, lo que los hace adecuados para dispositivos que requieren la 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 terapia dirigida , ya que permiten controlar la velocidad de liberación de los medicamentos, lo que 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. Se elaboran a partir de materiales ionoméricos y pueden intercambiar iones de forma selectiva en una solución, lo que les permite eliminar contaminantes no deseados como metales pesados. También pueden ablandar el agua mediante el intercambio de iones de calcio y magnesio por iones de sodio o potasio. Las resinas a base de ionómeros son estables y duraderas, lo que las hace adecuadas para su 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 a la vez que actúan como barrera aislante para los electrones. Esto los hace ideales para su uso en baterías, supercondensadores y pilas de combustible. La estabilidad de los ionómeros en condiciones electroquímicas garantiza un rendimiento y una eficiencia a largo plazo en estos dispositivos. En las pilas de combustible, los ionómeros se utilizan en el conjunto membrana-electrodo (MEA). En el MEA, los ionómeros facilitan el transporte de protones del ánodo al cátodo, lo que permite la generación de electricidad. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}

Nafion

• 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 978-90-277-2458-8Consultado 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 978-0-7514-0392-3Consultado el 30 de junio de 2012 .
• Grady, Brian P. "Revisión y análisis crítico de la morfología de ionómeros aleatorios en diversas escalas de longitud." Polymer Engineering and Science 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. Impreso.