イオノマー

イオノマー（/ ˌ aɪ ˈ ɑː n ə m ər /）（イオノ- + -マー）は、電気的に中性な繰り返し単位と、ペンダント基部分としてポリマー骨格に共有結合したイオン化単位の両方の繰り返し単位で構成されるポリマーです。通常、15モルパーセント以下がイオン化されます。イオン化単位は、多くの場合、カルボン酸基です。

ポリマーをイオノマーとして分類するかどうかは、イオン基の置換レベルと、イオン基がポリマー構造に組み込まれる方法によって決まります。たとえば、ポリ電解質もポリマー骨格に共有結合したイオン基を持っていますが、イオン基のモル置換レベルははるかに高くなっています (通常 80% 以上)。イオネンは、イオン基が実際のポリマー骨格の一部であるポリマーです。イオン基を含むポリマーのこれらの 2 つのクラスは、形態的および物理的特性が大きく異なるため、イオノマーとは見なされません。

イオン性ポリマーは、電気伝導性や粘度（イオン性ポリマー溶液の粘度は温度の上昇とともに増加する）などの独自の物理的特性を備えています（導電性ポリマーを参照）。また、イオン性ポリマーの非極性骨格は極性イオン基とエネルギー的に相容れないため、イオン性ポリマーは独自の形態特性も備えています。その結果、ほとんどのイオン性ポリマーのイオン基はミクロ相分離を起こし、イオンが豊富なドメインを形成します。

イオノマーの商業的用途には、ゴルフボールカバー、半透膜、シーリングテープ、熱可塑性エラストマーなどがあります。イオノマーの一般的な例としては、ポリスチレンスルホン酸、ナフィオン、ハイカーなどがあります。

通常、イオノマー合成は、ポリマー骨格への酸基の導入と、金属カチオンによる酸基の一部の中和という 2 つのステップから構成されます。非常にまれなケースですが、導入された基がすでに金属カチオンによって中和されている場合もあります。最初のステップ (酸基の導入) は、2 つの方法で行うことができます。中性の非イオン性モノマーをペンダント酸基を含むモノマーと共重合するか、反応後の変更によって酸基を非イオン性ポリマーに追加することができます。たとえば、エチレンメタクリル酸とスルホン化パーフルオロカーボン(ナフィオン) は共重合によって合成され、ポリスチレンスルホン酸は反応後の変更によって合成されます。

ほとんどの場合、コポリマーの酸形態が合成され（すなわち、カルボン酸基の 100% が水素カチオンによって中和される）、その後適切な金属カチオンによる中和によってイオノマーが形成されます。中和する金属カチオンの種類は、イオノマーの物理的特性に影響を及ぼします。最も一般的に使用される金属カチオン（少なくとも学術研究において）は、亜鉛、ナトリウム、マグネシウムです。中和またはイオノマー化も、2 つの方法で行うことができます。酸性コポリマーを塩基性金属と溶融混合するか、溶液プロセスによって中和を達成することができます。商業的には前者の方法が好まれます。ただし、商業メーカーは手順を公開したがらないため、金属カチオンを提供するために一般に水酸化物が使用されること以外、溶融混合中和プロセスの正確な条件についてはほとんどわかっていません。学術的な環境では、後者の溶液中和プロセスが一般的に使用されます。酸性コポリマーを溶解し、適切な金属カチオンを含む塩基性塩をこの溶液に加えます。酸性コポリマーの溶解が困難な場合は、溶媒中でポリマーを単に膨潤させるだけで十分ですが、溶解させることが常に望ましいです。塩基性塩は極性があり、ほとんどのポリマーを溶解するために使用される非極性溶媒には溶けないため、混合溶媒（例：トルエン/アルコール 90:10）がよく使用されます。

中和レベルは、イオン性化合物の合成後に決定する必要があります。中和レベルを変えると、イオン性化合物の形態的および物理的特性が変わるためです。これを行う方法の 1 つは、酸形態の赤外線振動のピーク高さを調べることです。ただし、特に少量の水が同じ波数範囲に現れるため、ピーク高さの決定には大きな誤差が生じる可能性があります。酸基の滴定も使用できる別の方法ですが、一部のシステムでは不可能です。

サーリンはデュポン社が開発したアイオノマー樹脂のブランド名で、コーティング材や包装材として使用されるエチレンとメタクリル酸の共重合体です。 ^{[3]デュポン社は}NaOH で酸を中和し、ナトリウム塩を生成します。^[4] エチレン-メタクリル酸アイオノマーの結晶は二重融解挙動を示します。^[5]

• ゴルフボールカバー：アイオノマーはゴルフボールカバーの製造に広く使用されています。アイオノマーは耐衝撃性、強靭性、耐久性を備えているため、これらのカバーには不可欠です。ポリマー構造のイオン架橋により、この素材はゴルフスイングの大きな力に耐えることができます。時間の経過とともに形状と性能が維持されます。イオンクラスターの弾力性により、ボールの飛行特性が維持されます。これにより、ボールの寿命が長くなります。さらに、この素​​材の優れた耐摩耗性により、表面の摩耗が軽減されます。これにより、多くのラウンドで一貫したパフォーマンスが得られます。^{[6] [7]}
• 包装フィルム: 包装業界では、光学的透明性、強靭性、密封性を兼ね備えたイオノマーが評価されています。イオノマーは強力で熱シール可能な結合を形成できるため、食品包装フィルムに最適です。これらのフィルムでは耐久性と透明性の両方が重要です。フィルムは内容物を外部汚染物質から保護します。また、製品をはっきりと見ることができるため、消費者の関心を高めます。さらに、イオノマーは穴が開いたり裂けたりしにくいため、輸送中や取り扱い中に包装が無傷のままになります。さらに、イオノマーは油や脂肪に耐性があります。そのため、油分の多い食品の包装に特に役立ちます。包装は劣化することなく完全性を維持します。^{[6] [7]}
• 半透膜：イオン交換樹脂は半透膜の製造に使用されます。これらの膜は、選択的なイオン輸送を必要とする用途で使用されます。これには、燃料電池や浄水システムが含まれます。イオン交換樹脂構造のイオンドメインは、イオンが選択的に通過することを可能にします。それらは他の分子をブロックします。そのため、イオン交換樹脂は燃料電池のプロトン交換膜（PEM）での使用に最適です。この選択的なイオン輸送は、これらのデバイスの効率と有効性にとって非常に重要です。これにより、制御された化学反応とエネルギー生成が可能になります。浄水では、イオン交換樹脂ベースの膜は汚染物質を選択的に除去できます。純水が通過できるようにします。これは、安全で効率的なろ過プロセスに貢献します。^{[6] [8] [7]}
• 接着剤とシーラント：イオン交換樹脂は強力な接着特性と柔軟性を備えています。そのため、接着剤やシーラントに使用されています。イオン交換樹脂は、金属、プラスチック、ガラスなどのさまざまな材料と強力な結合を形成できます。そのため、自動車、建設、消費財での使用に適しています。シーラントでは、イオン交換樹脂は湿気や温度変化などの環境要因に対して優れた耐性を発揮します。これにより、過酷な条件でも長期間の性能が保証されます。イオン交換樹脂は柔軟性を維持するため、材料が膨張したり機械的ストレスがかかる用途では重要です。^{[6] [7]}
• 熱可塑性エラストマー：イオノマーは熱可塑性エラストマー（TPE）として使用されます。その弾力性と、大幅な劣化なしに再成形できる能力は利点です。これらの材料は引き伸ばして変形することができます。応力が解放されると元の形状に戻ります。これにより、柔軟性と強度の両方が求められる用途で役立ちます。イオノマーベースのTPEは、幅広い製品に使用されています。これには履物や医療機器が含まれます。これらの製品では、快適性、耐久性、弾力性が重要です。さらに、化学的劣化や紫外線劣化に対する耐性があるため、屋外での使用に最適です。これらの用途では、長期間の風雨への曝露が懸念されます。^{[6] [9] [7]}
• コーティングと塗料：イオン交換樹脂はコーティングと塗料に使用されています。イオン交換樹脂の接着特性と環境によるダメージに対する耐性により、表面の耐久性が向上します。自動車や工業用コーティングでは、イオン交換樹脂が保護層を形成します。これらの層は腐食、摩耗、化学物質への暴露に耐えます。イオン交換樹脂は滑らかで均一なコーティングを形成できます。そのため、美観と機能の両方の表面保護を必要とする用途に適しています。さらに、イオン交換樹脂ベースのコーティングには自己修復特性があります。小さな傷は熱処理で修復できます。これにより、コーティングされた製品の寿命が延び、メンテナンスコストが削減されます。^{[6] [7]}
• バイオメディカル用途: イオン交換樹脂はバイオメディカル分野での潜在的な用途があります。イオン交換樹脂は薬物送達システムや医療用インプラントに使用できます。イオン交換樹脂は生体適合性があり、生物組織と相互作用することができます。そのため、イオン交換樹脂は薬物の制御放出を必要とするデバイスに適しています。また、生体組織と統合する必要があるデバイスにも適しています。革新的な医療用途でのイオン交換樹脂の使用を探求する研究が進行中です。イオン交換樹脂のユニークな特性は、医療の課題に対する新しいソリューションを提供できる可能性があります。たとえば、イオン交換樹脂ベースの薬物送達システムは、標的治療を提供できます。イオン交換樹脂は薬物の放出速度を制御できます。これにより、治療の有効性が向上し、副作用が軽減されます。^{[6] [7]}
• イオン交換樹脂：イオン交換樹脂の製造にはイオン交換樹脂が使用されます。これらの樹脂は水処理と浄化に重要です。樹脂はイオン交換樹脂材料から作られています。樹脂は溶液中のイオンを選択的に交換することができます。これにより、重金属などの不要な汚染物質を除去することができます。また、カルシウムイオンとマグネシウムイオンをナトリウムイオンまたはカリウムイオンと交換することで水を軟水化することもできます。イオン交換樹脂は安定しており、耐久性があります。そのため、工業用および家庭用水処理システムで繰り返し使用するのに適しています。^{[6] [7]}
• 電気化学デバイス：電気化学デバイスでは、イオン交換樹脂が固体電解質として重要な役割を果たします。イオン交換樹脂は、電子の絶縁バリアとして機能しながらイオンを伝導します。このため、バッテリー、スーパーキャパシタ、燃料電池に最適です。電気化学条件下でのイオン交換樹脂の安定性により、これらのデバイスの長期的な性能と効率が保証されます。燃料電池では、イオン交換樹脂は膜電極アセンブリ（MEA）に使用されます。MEAでは、イオン交換樹脂が陽極から陰極への陽子の輸送を促進します。これにより、電気が生成されます。^{[6] [7] [8]}

ナフィオン

• イオン性ポリマープライマーと例

• Eisenberg, A. および Kim, J.-S., Introduction to Ionomers , ニューヨーク: Wiley, 1998.
• ミシェル・ピネリ（ 1987年5月31日）。イオノマーの構造と特性。Springer。ISBN 978-90-277-2458-8. 2012年6月30日閲覧。
• Martin R. Tant、KA Mauritz、Garth L. Wilkes (1997 年 1 月 31 日)。イオノマー: 合成、構造、特性、および応用。Springer。p . 16。ISBN 978-0-7514-0392-3. 2012年6月30日閲覧。
• Grady, Brian P.「さまざまな長さスケールにわたるランダムイオノマーの形態のレビューと批判的分析」Polymer Engineering and Science 48 (2008): 1029-051。印刷。
• Spencer, MW、MD Wetzel、C. Troeltzsch、および DR Paul。「K および Na ポリ (エチレン-コ-メタクリル酸) イオノマーの特性に対する酸中和の影響」Polymer 53 (2011): 569-80。印刷。