Ionómeros

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Ionómeros

El término ionómeros se refiere a una familia de copolímeros de polietileno modificado. En septiembre de 1964, se anunció materiales que tenían características tanto de termoplásticos como de materiales termoendurecibles. Estos materiales, conocidos como ionómeros, se preparan copolimerizando etileno con una pequeña cantidad (1-10% en la patente básica) de un ácido carboxílico insaturado como el ácido acrílico usando el proceso de alta presión. A continuación, dichos copolímeros se tratan con el derivado de un metal, como metóxido de sodio o acetato de magnesio, con el resultado de que el grupo carboxílico parece ionizarse. Parecería que esto conduce a alguna forma de reticulación iónica que es estable a temperaturas ambientales normales pero que se descompone de manera reversible con el calentamiento. De esta manera es posible obtener materiales que poseen las ventajas de la reticulación a temperatura ambiente, por ejemplo tenacidad y rigidez mejoradas, pero que se comportan como polímeros lineales a temperaturas elevadas y pueden procesarse e incluso reprocesarse sin dificultad indebida. En el caso de los materiales comerciales ya disponibles, la copolimerización ha tenido el efecto no inesperado de reducir la cristalinidad aunque no eliminarla por completo, de modo que los materiales también son transparentes. Otras propiedades reivindicadas para los ionómeros son una excelente resistencia al aceite y la grasa, una excelente resistencia al agrietamiento por tensión y una mayor permeabilidad al vapor de humedad (debido a la menor cristalinidad) que el polietileno. Los grados comerciales disponibles en la década de 1970 usaban zinc o sodio como ión de reticulación y tenían un índice de fluidez en estado fundido de 0,4 a 14. La principal aplicación de las resinas ionoméricas ha sido para películas de envasado. El polímero es particularmente útil en estructuras compuestas para proporcionar una capa exterior con buena capacidad de termosellado. La resistencia a la perforación de una película basada en una película de ionómero tiene la resistencia a la perforación de una película de LDPE del doble del calibre. En la actualidad, las resinas ionómeras tienen una gran parte del mercado de cubiertas de pelotas de golf. Se consideran superiores al trans-poliisopreno sintético porque son prácticamente a prueba de cortes en el uso normal y también conservan una mayor elasticidad en un rango de temperatura más amplio. En el momento de redactar este informe, todavía no se prefieren al producto natural, la balata, para las pelotas de golf de la más alta calidad porque este último material natural confiere mejores características de vuelo a la pelota. Otros usos de las resinas ionoméricas se encuentran en el calzado. Se han utilizado grados de bajo costo para partes de tacones de zapatos, mientras que los grados de mayor flexibilidad se encuentran entre una amplia gama de polímeros que compiten en el mercado de botas de esquí. Cabe señalar que los polímeros con grupos iónicos unidos a lo largo de la cadena y que muestran las propiedades tanto de los polímeros como de los electrolitos se conocen desde hace algún tiempo. Conocidos como polielectrolitos, estos materiales muestran disociación iónica en agua y encuentran uso para una variedad de propósitos tales como agentes espesantes. Los ejemplos son poliacrilato de sodio, polimetacrilato de amonio (ambos polielectrolitos aniónicos) y bromuro de poli (N-butil-4-vinil-piridinio), un polielectrolito catiónico. También están algo relacionadas las resinas de intercambio iónico, polímeros reticulados que contienen grupos iónicos que pueden intercambiarse de forma reversible y que se utilizan en el ablandamiento del agua, en cromatografía y para diversos fines industriales. Sin embargo, en general, los polielectrolitos y las resinas de intercambio iónico son materiales intratables y no procesables en maquinaria de plásticos convencional. El valor del ionómero es que la cantidad de enlace iónico ha sido limitada y, por lo tanto, produce materiales plásticos útiles y manejables. También es posible ahora contemplar una gama de cauchos que vulcanizan por reticulación iónica simplemente cuando se enfrían al salir de una extrusora o en el molde de una máquina de moldeo por inyección.Básicamente, se preparan agregando 1 a 10% de un ácido carboxílico insaturado (típicamente ácido metacrílico) al etileno, durante la fase de polimerización; El componente ácido se neutraliza con sales orgánicas (acetatos, metilatos) de cationes metálicos (sodio, magnesio). La estructura resultante se caracteriza por enlaces iónicos que dan una tenacidad particular a las soldaduras hechas con este material. En comparación con el polietileno, los ionómeros tienen una excelente resistencia a los aceites y grasas, al "agrietamiento por tensión", son más transparentes y tienen mayores valores de permeabilidad al vapor de agua. Son termoplásticos, pero tienen una resistencia y tenacidad comparables a las de los polímeros termoendurecibles. Son similares a los metales (se pueden acoplar fácilmente con láminas de metal) y se caracterizan por un excelente sellado por calor (Hot Tak): la soldadura ya es tenaz incluso a altas temperaturas. Son capaces de soldar en presencia de "suciedad" (migajas, polvo, grasa, salpicaduras de líquidos). Los ionómeros útiles para endurecer plásticos se basan en copolímeros de etileno y ácido acrílico o metacrílico. Contienen menos de aproximadamente un 10% en moles de monómero ácido y están parcialmente neutralizados con cationes de zinc o sodio. En estos polímeros, los grupos iónicos interactúan para formar dominios ricos en iones que actúan como enlaces cruzados físicos y tienen una fuerte influencia en las propiedades mecánicas del ionómero. La estructura y propiedades de los ionómeros están influenciadas por el tipo de polímero, el contenido iónico (cantidad de funcionalidad carboxilo y grado de neutralización) y el tipo de catión.

Resinas de intercambio iónico

Las resinas de intercambio iónico de tipo catiónico se producen haciendo una polimerización en suspensión de estireno con varios por ciento de divinilbenceno. El producto, en forma de esferas uniformes, se sulfona en la medida de aproximadamente un grupo -SO, H por anillo de benceno. Las resinas de intercambio iónico aniónicas se preparan copolimerizando estireno con divinilbenceno y viniletilbenceno. El polímero se trata con éter clorometílico para poner grupos clorometilo en los anillos de benceno. Las sales de amonio cuaternario se forman por reacción con aminas terciarias como trimetilamina, metildietanolamina y dimetilpropanolamina.

Copolimerización

Los ionómeros se obtienen por copolimerización de un monómero no polar con un monómero polar. Hay varias monografías sobre ionómeros. El término ionómero fue introducido originalmente en 1964 para indicar un polímero termoplástico que contiene enlaces covalentes e iónicos. Por definición, los ionómeros son copolímeros termoplásticos estadísticos que constan de:

1. Una monoolefina

2. Un ácido monoolefínicamente insaturado

3. Opcionalmente comonómeros adicionales con el fin de modificar las propiedades químicas y físicas de estos copolímeros, por lo que

4. Los grupos ácidos de estos copolímeros están parcial o totalmente neutralizados con cationes inorgánicos.

Monómeros

Los copolímeros iónicos se componen de una α-olefina con un contenido de olefina del 80% en moles y un ácido carboxílico etilénicamente insaturado. Las olefinas adecuadas incluyen etileno, propileno, 1-buteno, 1-penteno, 1- hexeno, etc. El segundo componente esencial del copolímero base son los monómeros, tales como ácido acrílico, ácido metacrílico, ácido itacónico, ácido maleico, ácido fumárico, etc. Aunque el anhídrido maleico no es un ácido carboxílico en el sentido de que no tiene hidrógeno unido a los grupos carboxilo, se puede considerar un ácido para los propósitos de ser incorporado en el copolímero. Los monómeros preferidos son aquellos en los que los grupos de ácido carboxílico están distribuidos aleatoriamente sobre las moléculas de copolímero. Además de las olefinas como materias primas, también se utilizan otros compuestos de vinilo.

Polimerización y fabricación

Se pueden fabricar copolímeros de etileno y ácidos insaturados. por:

Injerto del ácido sobre poli (etileno) (PE), por lotes o con Ionómeros 139 polimerización continua de mezclas de monómeros de etileno y el ácido insaturado
Por polimerización de mezclas de monómeros de etileno y el ácido en un reactor tubular e hidrólisis de copolímeros de etileno y acrilatos de alquilo, que convierte los grupos éster en grupos ácido carboxílico
Se pueden fabricar copolímeros de bloque, mediante los cuales los segmentos de cadena de poli (ácido acrílico) y los segmentos de cadena de PE forman largas cadenas de polímero

Procesamiento

Los ionómeros pueden procesarse mediante métodos convencionales, como el moldeo por inyección, el moldeo continuo y el moldeo por soplado. Sin embargo, en la etapa de procesamiento, el grupo funcional que afecta las propiedades ionoméricas aún debe estar enmascarado. En otras palabras, el ionómero en su forma final con el resto iónico no se puede procesar mediante termoformado. Después del procesamiento, el grupo funcional se activa en su forma iónica. Un procesamiento especial es la formación de membranas. Aquí, el material se puede moldear a partir de la solución.

Tipos de alto contenido de ácido

Un tipo de alto contenido de ácido contiene más del 16% de monómero ácido. Los tipos de ionómeros de alto contenido ácido se han descrito ampliamente en la producción de pelotas de golf. Se utilizan en pelotas de varias piezas que exhiben una distancia de recorrido mejorada al tiempo que mantienen las características de jugabilidad y durabilidad necesarias para el juego repetitivo. Los ionómeros de alto contenido ácido son neutralizados en diversos grados por varios tipos diferentes de cationes metálicos, como los cationes de manganeso, litio, potasio, calcio y níquel. Se pueden mezclar varios tipos. Se ha encontrado que estas mezclas de ionómeros de alto contenido ácido neutralizadas por cationes adicionales producen composiciones que exhiben mayor dureza y resiliencia debido a sinergias, que ocurren durante el procesamiento. En consecuencia, estas resinas de ionómero altamente ácido neutralizadas con cationes metálicos se pueden mezclar para producir coeficientes de restitución sustancialmente más altos que los producidos por las composiciones de ionómero de bajo contenido ácido.

Propiedades

Los grupos polares de los ionómeros están suprimiendo la tendencia a la cristalización. Además, se efectúa una reticulación iónica. Por tanto, tanto las fuerzas de valencia secundaria como las fuerzas iónicas están activas. Los tipos especiales de enlaces producen una dureza especial de los materiales. Sin embargo, los ionómeros son verdaderos materiales termoplásticos.

Propiedades mecánicas

Las propiedades mecánicas a temperaturas elevadas aún pueden mejorarse formando compuestos que contengan la resina de ionómero que se reticula iónicamente con un oligómero de poliamida (PA). Además, se agrega una resina de PA a la composición. La resistencia mecánica a altas temperaturas se mejora obviamente por el efecto de la aleación de polímero, en comparación con la resistencia mecánica alcanzada por el uso único del componente de la resina de PA o el oligómero.

Propiedades térmicas

El punto de fusión de los ionómeros es alto, es decir, en el rango de 300°C, que está cerca de la degradación.

Propiedades eléctricas

A diferencia de la mayoría de los otros materiales termoplásticos, los ionómeros pueden servir como electrolitos.

Aplicaciones

Los ionómeros se utilizan en un amplio campo de aplicaciones, tales como: • Membranas electrolíticas, • Piezas automotrices, • Artículos deportivos, • Embalajes, • Membranas para humedecer y • Catalizadores de perlas sólidas. Aquí presentamos algunos desarrollos recientes en el campo.