Superabsorbierendes Polymer - Superabsorbent polymer

Ein superabsorbierendes Polymer (SAP) (auch Slush-Pulver genannt ) ist ein wasserabsorbierendes Polymer, das im Verhältnis zu seiner eigenen Masse extrem große Mengen einer Flüssigkeit aufnehmen und zurückhalten kann.

Wasserabsorbierende Polymere , die beim Mischen als Hydrogele klassifiziert werden , absorbieren wässrige Lösungen durch Wasserstoffbrückenbindungen mit Wassermolekülen. Die Fähigkeit eines SAP, Wasser zu absorbieren, hängt von der Ionenkonzentration der wässrigen Lösung ab. In entionisiertem und destilliertem Wasser kann ein SAP das 300-fache seines Eigengewichts (vom 30- bis 60-fachen seines Eigenvolumens) aufnehmen und kann bis zu 99,9 % flüssig werden, und wenn es in eine 0,9 %ige Salzlösung gegeben wird, sinkt die Absorptionsfähigkeit auf etwa das 50-Fache seines Eigenvolumens Last. Das Vorhandensein von Valenzkationen in der Lösung behindert die Fähigkeit des Polymers, sich an das Wassermolekül zu binden.

Die Gesamtabsorptions- und Quellfähigkeit des SAP wird durch die Art und den Grad der Vernetzer kontrolliert, die zur Herstellung des Gels verwendet werden . Vernetzte SAPs niedriger Dichte haben im Allgemeinen eine höhere Absorptionskapazität und quellen stärker. Diese Arten von SAPs haben auch eine weichere und klebrigere Gelbildung. Polymere mit hoher Vernetzungsdichte weisen eine geringere Absorptionskapazität und Quellung auf, und die Gelfestigkeit ist fester und kann die Partikelform sogar unter mäßigem Druck beibehalten.

Der größte Einsatz von SAPs wird in persönlichen gefunden Einweghygieneprodukten, wie Babywindeln , Erwachsenen - Windeln und Damenbinden . SAP wurde aufgrund von Bedenken bezüglich eines Zusammenhangs mit dem toxischen Schocksyndrom in den 1980er Jahren nicht mehr in Tampons verwendet . SAP wird auch verwendet, um das Eindringen von Wasser in unterirdische Strom- oder Kommunikationskabel, in selbstheilenden Beton, Wasserrückhaltemittel im Gartenbau , zur Kontrolle von verschütteten und wässrigen Abfallflüssigkeiten und Kunstschnee für Film- und Bühnenproduktionen zu blockieren . Der erste kommerzielle Einsatz erfolgte 1978 für Damenbinden in Japan und Einweg-Betteinlagen für Pflegeheimpatienten in den USA. Erste Anwendungen auf dem US-Markt waren bei kleinen regionalen Windelherstellern sowie bei Kimberly Clark .

Geschichte

Bis in die 1920er Jahre waren wasserabsorbierende Materialien faserbasierte Produkte. Zur Auswahl standen Seidenpapier , Baumwolle, Schwamm und Zellstoff. Die Wasseraufnahmekapazität dieser Art von Materialien beträgt nur bis zum 11-fachen ihres Gewichts und das meiste davon geht bei mäßigem Druck verloren.

In den frühen 1960er Jahren arbeitete das Landwirtschaftsministerium der Vereinigten Staaten (USDA) an Materialien zur Verbesserung des Wasserschutzes in Böden. Sie entwickelten ein Harz, das auf der Pfropfung von Acrylnitril- Polymer auf das Rückgrat von Stärkemolekülen (dh Stärkepfropfung) basiert . Das hydrolysierte Produkt der Hydrolyse dieses Stärke-Acrylnitril-Copolymers ergab eine Wasserabsorption von mehr als dem 400-fachen seines Gewichts. Außerdem gab das Gel kein flüssiges Wasser ab, wie dies bei faserbasierten Absorptionsmitteln der Fall ist.

Das Polymer wurde als „Super Slurper“ bekannt. Das USDA hat mehreren US-amerikanischen Unternehmen das technische Know-how zur Weiterentwicklung der Basistechnologie zur Verfügung gestellt. Es wurde eine breite Palette von Pfropfkombinationen versucht, einschließlich Arbeiten mit Acrylsäure , Acrylamid und Polyvinylalkohol (PVA).

Die heutige Forschung hat die Fähigkeit natürlicher Materialien, zB Polysaccharide und Proteine, in reinem Wasser und Kochsalzlösung (0,9 Gew.-%) im gleichen Bereich wie synthetische Polyacrylate in aktuellen Anwendungen superabsorbierende Eigenschaften zu zeigen, bewiesen. Sojaprotein/Poly(acrylsäure)-superabsorbierende Polymere mit guter mechanischer Festigkeit wurden hergestellt. Polyacrylat / Polyacrylamid- Copolymere wurden ursprünglich für den Einsatz unter Bedingungen mit hohem Elektrolyt-/Mineralgehalt und dem Bedarf an Langzeitstabilität einschließlich zahlreicher Nass-/Trockenzyklen entwickelt. Die Verwendungen umfassen Landwirtschaft und Gartenbau. Mit der zusätzlichen Stärke des Acrylamidmonomers, verwendet als medizinischer Spritzschutz, Draht- und Kabelwasserblockierung.

Copolymerchemie

Superabsorbierende Polymere werden heute üblicherweise aus der Polymerisation von Acrylsäure hergestellt, die mit Natriumhydroxid in Gegenwart eines Initiators vermischt wird , um ein Polyacrylsäure-Natriumsalz (manchmal als Natriumpolyacrylat bezeichnet ) zu bilden. Dieses Polymer ist heute der weltweit am häufigsten hergestellte SAP-Typ. Laut der US-amerikanischen Food & Drug Administration ist Natriumpolyacrylat in der Lebensmittelzusatzstoff-Statusliste aufgeführt, und es gibt strenge Einschränkungen.

Andere Materialien werden auch verwendet, um ein superabsorbierendes Polymer herzustellen, wie Polyacrylamid-Copolymer, Ethylen- Maleinsäureanhydrid- Copolymer, vernetzte Carboxymethylcellulose , Polyvinylalkohol-Copolymere, vernetztes Polyethylenoxid und stärkegepfropftes Copolymer von Polyacrylnitril, um nur einige zu nennen. Letzteres ist eines der ältesten erstellten SAP-Formulare.

Heute werden superabsorbierende Polymere nach einem von drei Hauptverfahren hergestellt: Gel-, Suspensions- oder Lösungspolymerisation . Jedes der Verfahren hat seine jeweiligen Vorteile, aber alle liefern eine gleichbleibende Produktqualität.

Gelpolymerisation

Eine Mischung aus Acrylsäure, Wasser, Vernetzern und UV-Initiatorchemikalien wird gemischt und entweder auf ein Laufband oder in große Wannen gegeben. Die flüssige Mischung gelangt dann in einen "Reaktor", der eine lange Kammer mit einer Reihe von starken UV-Lichtern ist. Die UV-Strahlung treibt die Polymerisations- und Vernetzungsreaktionen an. Die resultierenden "Logs" sind klebrige Gele, die 60-70% Wasser enthalten. Die Stämme werden geschreddert oder gemahlen und in verschiedene Trockner gegeben. Zusätzliches Vernetzungsmittel kann auf die Oberfläche der Partikel gesprüht werden; diese "Oberflächenvernetzung" erhöht die Quellfähigkeit des Produkts unter Druck – eine Eigenschaft, die als Absorption unter Last (AUL) oder Absorption Against Pressure (AAP) gemessen wird. Die getrockneten Polymerteilchen werden dann auf die richtige Teilchengrößenverteilung und Verpackung gesiebt. Das Gelpolymerisationsverfahren (GP) ist derzeit das beliebteste Verfahren zur Herstellung der superabsorbierenden Natriumpolyacrylat-Polymere, die jetzt in Babywindeln und anderen wegwerfbaren Hygieneartikeln verwendet werden.

Lösungspolymerisation

Lösungspolymere bieten die Saugfähigkeit eines granulären Polymers, das in Lösungsform geliefert wird. Lösungen können vor dem Auftragen mit Wasser verdünnt werden und können die meisten Substrate beschichten oder sättigen. Nach dem Trocknen bei einer bestimmten Temperatur für eine bestimmte Zeit ist das Ergebnis ein beschichtetes Substrat mit Superabsorption. Diese Chemie kann zum Beispiel direkt auf Drähte und Kabel aufgetragen werden, ist jedoch speziell für den Einsatz auf Bauteilen wie Rollenware oder Plattensubstraten optimiert.

Die lösungsbasierte Polymerisation wird heute häufig für die SAP-Herstellung von Copolymeren verwendet, insbesondere von solchen mit dem toxischen Acrylamidmonomer. Dieser Prozess ist effizient und hat im Allgemeinen eine niedrigere Kapitalkostenbasis. Das Lösungsverfahren verwendet eine wasserbasierte Monomerlösung, um eine Masse von polymerisiertem Reaktantgel herzustellen. Die eigene exotherme Reaktionsenergie der Polymerisation wird verwendet, um einen Großteil des Prozesses voranzutreiben, wodurch die Herstellungskosten gesenkt werden. Das reagierende Polymergel wird dann zerhackt, getrocknet und auf seine endgültige Körnchengröße gemahlen. Alle Behandlungen zur Verbesserung der Leistungsmerkmale des SAP werden normalerweise durchgeführt, nachdem die endgültige Körnchengröße erzeugt wurde.

Suspensionspolymerisation

Das Suspensionsverfahren wird nur von wenigen Firmen praktiziert, da es während des Polymerisationsschrittes ein höheres Maß an Produktionskontrolle und Produktentwicklung erfordert. Dieses Verfahren suspendiert den Reaktanten auf Wasserbasis in einem Lösungsmittel auf Kohlenwasserstoffbasis. Das Nettoergebnis ist, dass die Suspensionspolymerisation die primären Polymerteilchen im Reaktor erzeugt und nicht mechanisch in den Nachreaktionsstufen. Leistungssteigerungen können auch während oder unmittelbar nach der Reaktionsphase vorgenommen werden.

Verwendet

Siehe auch

• Natriumpolyacrylat
• Kaliumpolyacrylat

Zitate

Verweise

• K. Horie; M. Baron; RB-Fuchs; J. Er; M. Heß; J. Kahovec; T. Kitayama; P. Kubisa; E. Maréchal; W. Mormann; RFT-Stepto; D. Tabak; J. Vohlídal; ES Wilks & WJ-Arbeit (2004). "Definitionen von Begriffen in Bezug auf Reaktionen von Polymeren und funktionellen Polymermaterialien (IUPAC-Empfehlungen 2003)" (PDF) . Reine und Angewandte Chemie . 76 (4): 889–906. doi : 10.1351/pac200476040889 .
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• Buchholz, Fredric L; Graham, Andrew T, Hrsg. (1997). Modern Superabsorbent Polymer Technology (1. Aufl.). John Wiley & Söhne. ISBN 978-0-471-19411-8.

Externe Links

• Vliesstoffe mit immobilisierten superabsorbierenden Polymerpartikeln