Ionomeri, proprietà e applicazioni

Gli ionomeri sono polimeri in cui i gruppi ionici, neutralizzati da ioni mobili di carica opposta, sono legati in modo covalente alla loro struttura. Questi contro-ioni conferiscono a uno ionomero le sue proprietà di conduttività ionica.

Gli ionomeri hanno proprietà versatili e hanno suscitato un notevole interesse come elettroliti solidi per una varietà di applicazioni. I gruppi legati alla struttura polimerica possono essere elettricamente neutri o ionizzati che sono distribuiti in modo random o regolare lungo la catena.

A causa del fatto che il contenuto ionico è in genere minore del 10-15%  la maggior parte degli ionomeri è insolubile o poco solubile in acqua. Dipendentemente dal gruppo legato alla catena polimerica gli ionomeri possono essere classificati in policationi, polianioni e polianfoliti ovvero contengono gruppi caricati sia positivamente che negativamente.

A seconda del valore del pH possono avere una o più cariche e conducono ioni e non elettroni e sono quindi usati nei dispositivi di conversione e stoccaggio dell’energia, nell’elettrodialisi per il trattamento dell’acqua e nella desalinizzazione a energia solare. Gli ionomeri di nuova generazione sono usati in celle a combustibile, batterie al litio, elettrolizzatori e dispositivi elettrochimici.

Struttura e proprietà degli ionomeri

Sono caratterizzati da una forte aggregazione molecolare dei gruppi portatori di ioni in domini ricchi di ioni o cluster ionici che fungono da legami pertanto le loro proprietà sono influenzate da interazioni ioniche in regioni discrete del materiale. Gli ionomeri sono polimeri termoplastici trasparenti che hanno una scarsa resistenza agli agenti atmosferici e devono essere stabilizzati se sono esposti alla luce solare o alle intemperie.

A causa del contenuto di legami ionici e legami secondari come legami dipolo-dipolo o ione-dipolo, hanno la potenzialità di essere usati quali materiali autoriparanti supramolecolari. A seguito di riscaldamento i legami e i cluster ionici si rompono ma, a seguito di raffreddamento si formano nuovamente. Presentano quindi caratteristiche uniche a causa del fatto che a bassa temperatura di comportano come elastomeri mentre a temperature elevate come polimeri termoplastici.

La gran parte degli ionomeri presenta una catena polimerica di tipo polivinilico e poliallilico a cui sono legati gruppi anionici come lo ione  carbossilato -COO^– , solfonato –SO₃^–  e fosfonato  –PO₃ ^2- in cui, come controioni, sono presenti lo ione sodio e lo ione zinco.

Generalmente solo meno dell’80% dei gruppi anionici è neutralizzato da una base mentre il 20% rimanente costituisce un sito per la formazione di legami a idrogeno che sono più forti dei legami secondari. Quindi, la presenza di un’alta quantità di gruppi anionici conferisce al polimero una maggiore resistenza meccanica, e tenacità.

Applicazioni degli ionomeri

Gli ionomeri perfluoropolimerici sono noti dalla fine degli anni ’60 e tra essi il più noto è il Nafion che è stato sviluppato e commercializzato dalla DuPont, ed è diventato uno dei materiali più utilizzati per le membrane a scambio protonico avendo una struttura a reticolo con catene laterali ioniche contenenti gruppi acidi solfonici, che permettono il trasporto selettivo dei protoni attraverso la membrana.

Esso è un copolimero-fluoropolimero a base di tetrafluoroetilene solfonato. Esso presenta una buona conduttività protonica e una notevole stabilità chimica e termica, rendendolo una scelta comune per le applicazioni delle celle a combustibile elettrochimiche.

Oltre alla DuPont anche Honeywell, Iotek, Exxon-Mobil e Dow Chemical producono ionomeri per applicazioni che spaziano da alimenti, cosmetici, dispositivi medici, imballaggi, rivestimenti per palline da golf e additivi plastici. Sotto forma di film sono usati nel packaging degli alimenti per l’elevato grado di trasparenza, resistenza, resilienza, rigidità, tenacità e inerzia ai solventi organici e agli oli.

Destano particolare interesse, per applicazioni mediche, ionomeri biodegradabili ottenuti tramite incorporazione di un piccolo numero di unità ioniche in materiali tradizionalmente biodegradabili che subiscono un significativo deterioramento del loro peso molecolare, proprietà fisiche e chimiche sotto l’influenza di microrganismi, enzimi o reazioni chimiche.

Nelle applicazioni biomediche, le unità ioniche possono essere incorporate per conferire proprietà dinamiche di superficie e bagnabilità mentre gli ionomeri degradabili contenenti unità cationiche sono molto promettenti per materiali e rivestimenti antimicrobici.