含离子聚合物的应用摘要：本文对含离子聚合物的定义、制备、结构、分类和性质进行了介绍，并着 重介绍了在木塑复合材料、涂料、生物、钻井液和弹性体中的应用关键词：含离子聚合物；应用1 含离子聚合物的简介1.1 含离子聚合物的定义含离子聚合物（Ion-containing Polymer）又称离聚物（Ionomer）,是指碳氢 分子链中含有少量离子基团的聚合物，通常认为离子基团的摩尔含量不超过 15%[1]它的主要部分是一个非离子性的主链，次要部分是一种可离子化的或离 子性的共聚单体这个次要部分通常为侧酸基的形式，可通过共聚单体与主链部 分共聚而形成，也可用化学方法使非离子性部分改性成部分离子化的高分子材 料离聚物中由于离子键的缔合，在常温下分子链间形成物理交联，具有许多优 良的、独特的物理性能1.2 含离子聚合物的制备1.2.1 共聚合把含有可离子化官能团（如羧基）的单体与烯类单体共聚合，再用所需抗衡 离子的氢氧化物、醋酸盐或其它类似的盐中和共聚物形成离聚物 1）将烯烃类单体与含酸基（如羧酸基、磺酸基）的单体进行游离基共聚 生成的共聚物再与金属的氧化物、氢氧化物或乙酸盐等在溶液中或熔融状态下反 应，即生成离聚体。
如乙烯酸-甲基丙烯酸、苯乙烯-甲基丙烯酸等共聚物的离聚 体 2）将烯烃类单体与丙烯酸酯共聚,生成的共聚物再进行部分水解或皂化， 使部分酯基变成酸基或盐基如苯乙烯-甲基丙烯酸酯离聚体1.2.2 接枝即将聚合物分子直接官能团化该方法对于只需低程度官能团化的情况非常 适合，特别是用来制备含磺酸基的离聚物即用适当的磺化剂将选定的聚合物直 接磺化接枝上磺酸基团，再用与前法相同的手段将其中和成盐形式的离聚物 1）将含双键或芳基的高聚物用试剂进行改性，在双键部位生成酸基例 如，将浓度为 50~100g/L EPDM 己烷溶液与磺化剂乙酰基硫酸在室温下反应 30mi n,加醇终止磺化将所得磺化聚合物用乙酸金属盐或碱的水-醇溶液处理， 除去溶液后便得到 EPDM 磺酸盐离聚体2）先合成分子量为 1500~6000 的两端带羧基的遥爪预聚物，再与金属化合物反应，生成所谓“ ha-lato ”遥爪离聚体1.3 含离子聚合物的结构段型、远螯型、鸡冠型（正反）） 物质的性质是由其结构所决定的，许多作者 [2-5]对离聚物的形态结构与性能 的关系进行了深入的研究他们认为，在离聚物中，离子对依靠静电力聚集起来 形成离子聚集区。
关于离子聚集区的形态结构，目前虽有不同的看法，但较多人 认为主要以 8 对以下离子对聚集在一起而形成的聚集体称为多重离子对（Multiplet）,它的尺寸较小，分布在基体中，不产生相分离多重离子对又相 互聚集，或以一个多重离子对为中心，其它离子对或多重离子对聚集在其周围而 形成一个较大的离子聚集区，称为离子簇（cluster）离子簇分布在基体中，呈 相分离状态现在通常认为离聚物具有一种“壳一芯”结构（Shell-Core model）， 其结构示意图见图 2，由于这种特殊的结构，赋予离聚物具有较高的模量和玻璃 化温度以及较高的枯度等特性图 2 离聚物的“壳—芯”结构模型离聚物的研究表征采用最多的是X射线小角散射（SAXS）、电子显微镜、 中子衍射、热分析和动态力学方法目前证明离聚物中存在离子聚集体的最令人 信服的证据是来自 SAXS 的数据分析［6,7］和电镜的直接观察［8］，用它们可以测定 粒度在数十到数千埃大小的粒子或微相畴大小，形状和分布状况通过 SAXS 试验，可得到离聚物中是否存在离子簇及离子簇的大小，间距、界面层厚度等信 息1.4 含离子聚合物的分类离聚物分类常见有两种方法，即 Eisenberg 法［9］和 Holliday 分类法［10］，如 下所示：（聚电解质Eisenberg分类法低离子含量聚合物网络结构睥子聚合物晶态含离子聚合物非晶态含离子聚合物线型低分子聚合物K M'-①聚阴离子I-共价薙网络+离子賤②聚阳离子M-RR M-③混合离子RM-M十M-材亠RRRM- 怕”R- W RHolliday2-长共价键链+离子键〈②聚阳离子分类进〕 ①聚阴离子③混合离子f① 艮 尺M—R RM短共价性锥+离子链［② M， M - R IVT M_R在高分子材料领域，常用的都是长共价键链的线性低离子含量聚合物，按含 酸性基团的类型分为梭酸盐类和磺酸盐类。
羧酸盐类，如：壬CHr-CH』* CH ——CH? >磺酸盐类，如：1.5 含离子聚合物的特性离聚物的性能不仅取决于它的化学结构，同时也依赖于离子聚集态结构因 此，研究离聚物微观结构与性能的关系引起各国学者的重视聚合物接上离子基 团后，其性质发生相应变化由于离子基团的引入，离聚物与其母体聚合物相比， 力学性能和热稳定性大大提高，最明显的是 Tg 升高另外，离聚物的力学抗疲 g 劳性、模量、熔体及溶液粘度、特征松驰时间等性质都会增加，断裂伸长下降 这些变化都是由于离聚物的特殊结构造成的，而变化的程度又与离聚物的类型 （是侧酸基还是侧磺酸基等）、离子基团的含量、中和离子的种类（是过渡金属 还是非过渡金属离子，是一价金属离子还是二价金属离子）、中和程度等因素有 关甚至同样组成的离聚物，因制备方法不同，二者性能也有差异［11］2 含离子聚合物的应用2.1 含离子聚合物在木塑复合材料改性中的应用木塑复合材料（WPC ）是一类涵盖面广、产品种类多、形态结构多样的材 料，具有优良的耐水和耐腐蚀性能以及可循环使用等优点但是在WPC的生产 过程中，含极性基团的植物纤维与热塑性塑料基体之间难以形成良好的界面强 度。
为了提高这种界面结合强度，通常会在体系中添加偶联剂或界面相容剂另 外，目前很多商业木塑复合产品中的木粉的含量很高，产生了较低的应变极限和 较差的抗冲击韧性因此开发新的材料体系来增强WPC的界面强度及提高木粉 填充量的 WPC 的抗冲击韧性有重要意义具有塑料和橡胶特性的有机离子聚合物（Ion Polymer）被证明可以有效地改 进产品的韧性［121已经商品化的一种乙烯基离子聚合物——商品名Surlyn,它是 乙烯-甲基丙烯酸的共聚物它们首次被杜邦公司于1960 年进行商业化生产，并 且被广泛应用在包装工业上［13］以高密度聚乙烯（HDPE）为基体材料，木粉作为填充材料，选择的Surlyn 离子聚合物为钠离子聚合物，研究钠离子聚合物改性杨木粉/HDPE木塑复合材 料的性能发现：离子聚合物可以明显提高杨木粉/HDPE木塑复合材料的拉伸强 度和弯曲强度，并且有突出的增韧效果，但是由于离子聚合物本身的弹性模量较 低，导致复合材料的弹性模量出现了一定程度的降低，表明离子聚合物可以改进 木粉和 HDPE 之间的界面相容性，传统的木塑复合材料由于抗冲击韧性较低， 目前大多用于户外景观#门窗等场合，利用离子聚合物进行改性后，有望在汽车 内饰板、共挤复合地板表层材料等方面的应用取得突破，从而提高整个木塑复合 材料的产品附加值［14］。
2.2 含离子聚合物在涂料中的应用由于社会需要使得涂料研究、涂料工业飞速发展，一方面迫切要求具有多种 优良性能的涂料出现，另一方面，要求生产涂料的合成单休易得，合成涂料的价 格便宜、无毒性和无污染等这就使人们对离聚体在涂料方面的应用问题开始进 行探讨和研究近十几年来，有关这方面的专利文献不断涌现，通过对这些专利 进行总结，我们得知，离聚体应用于涂料中，既可以作为涂料的主要成膜物质， 又可以作为涂料的次要或辅助成膜物质，如羧酸型、磷酸型、磺酸型等离聚体均 可以用在涂料中今后离聚体涂料的研制应从以下两个方面着手：一方面是通过利用离子聚合 物的特性，进一步解决各种已有涂料的优良性能的互补利用问题，另一方面是把 离聚体应用于涂料中，研制出新型的特种涂料当前最引人注目的可说是阻尼涂 料、防腐蚀涂料对于阻尼涂料，从目前来看，高聚物是阻尼涂料的主要基料由于聚合物在 粘弹状态下，具有很大的内摩擦，从而可将声波的一部分振动消耗，达到减振消 声的目的对于防腐蚀涂料，以前的一些防腐涂料都是在涂料的基料里加入一些 无机或有机防腐剂其实，这些防腐剂有相当一部分本身就是一种污染物，有一 定的毒性如果在涂料中加入离聚体（羧酸型或磷酸型），或涂料基料本身就是 离聚体，这样既可以起到缓蚀剂的作用，又会降低毒性且减少污染。
总之，离聚 体在涂料中应用得越来越多，可以预言，它将会使涂料领域更富有生气［15］2.3 含离子聚合物在生物中的应用两性离子聚合物具有亲水的阴、阳离子基团，能够高度水化从而具有独特的 抗生物污染性能，即能够阻抗非特异性蛋白质的吸附、细菌黏附和生物膜的形成 它的这种性能使得它们在生物相关领域有着广泛的应用基于该背景，目前对两 性离子聚合物材料的应用研究主要集中于用作防污涂层、抗菌涂层、抗凝血材料、 生物医学诊断材料、药物传输载体和基因传递载体材料，此外还有生物分离膜和 船体涂料等其他方面的应用经过研究者的不断探索与研究，相信在不久的将来，具有抗生物污染背景的 两性离子聚合物能够真正用于实际的生物医用相关领域，改善人类的生活质量， 为社会带来相应的经济效益与社会效益［16］2.4 含离子聚合物在钻井液中的应用石油勘探开发技术不断发展，钻遇地层日趋复杂，深井、超深井 ［17］、多分 支井等特殊工艺井增多，这对钻井液的性能也提出了更高要求普通聚合物钻井 液在现场应用中出现了许多问题，耐温抗盐性能差，造壁性差，对泥页岩抑制能 力差，静结构力强，井壁稳定性差而两性离子聚合物用作钻井液处理剂既降低 水眼能耗，抑制泥页岩水化膨胀，又可提高机械钻速。
大量钻井实践表明，钻井 液性能对保证深井和超深井的安全、快速钻进起着重要作用两性离子聚合物钻 井液是以两性离子聚合物为主处理剂配制的钻井液两性离子聚合物泥浆密度 低、对泥页岩抑制性强、水眼黏度低，高温下性能稳定，且能显著提高机械钻速 降低综合钻井成本［18］目前，两性离子聚合物钻井液在全国各大油田得到了推广与应用，并形成了 两性离子无固相聚合物钻井液、两性离子低固相聚合物钻井液、两性离子聚磺体 系钻井液及两性离子聚合物完井液体系［19］钻井液处理剂的研发推动了两性离子聚合物钻井液体系的发展普通聚合物 处理剂不耐高温，易交联［20］，而两性离子聚合物处理剂高温下性能稳定两性 离子聚合物分子链上因含阳离子和阴离子基团而与阴离子聚合物和阳离子聚合 物的配伍性较好［21］，受到各大油田的青睐2.5 含离子聚合物在弹性体中的应用表1 列出了已商品化的和尚在实验阶段的离聚体，其中属于离聚体弹性体的 有聚丁二烯离聚体 Hycar、EPDM 磺酸盐离聚体 Ionic Elastomer 以及磺化丁基胶 和磺化聚戊二烯离聚体特别是 EPDM 磺酸锌离聚体的性能很突出根据磺酸 盐基的含量不同，其性质可从柔性塑料变化到硫化橡胶。
它可用作热塑性橡胶、 软或硬泡沫塑料、弹性纤维、粉末橡胶、胶乳、涂料、胶粘剂等，还可用于聚合 物改性EPDM 磺酸锌盐离聚体是粉末状产品，能与填料、橡胶操作油等混炼，制成 耐老化且强度大的橡胶制品，如鞋底、垫片、胶管等它与增塑剂硬脂酸锌共混 后则呈热塑性橡胶性质，可在 150~260oC 加工成型，其制品的物理机械性能接近 聚氨基甲酸醋［22］表 1 几个商品化及实验阶段的离聚体实例聚合物商品名性质商品化产品乙烯-甲基丙烯酸离聚体 丁二烯-丙烯腈-丙烯酸离聚体 过氟化磺酸离聚体 遥爪聚丁二烯离聚体 磺化EPDM离聚体Surl。