高吸水性ポリマー

高吸水性ポリマー（SAP）（スラッシュパウダーとも呼ばれる）は、自身の質量に比べて非常に大量の液体を吸収し保持することができる、吸水性の親水性ホモポリマーまたはコポリマー^[1]です。^[2]

混合するとハイドロゲルに分類される吸水性ポリマー^[3]は、水分子との水素結合によって水溶液を吸収します。SAP の吸水能力は、水溶液のイオン濃度に依存します。脱イオン水および蒸留水では、 SAPは重量の 300 倍^[4] (自身の体積の 30～60 倍) を吸収し、最大 99.9% の液体になる可能性があり、0.9% の生理食塩水に入れると、吸収性は重量の約 50 倍に低下します。^[要出典]溶液中に価カチオンが存在すると、ポリマーが水分子と結合する能力が妨げられます。

SAP の総吸収力と膨潤能力は、ゲルの製造に使用される架橋剤の種類と程度によって制御されます。低密度の架橋 SAP は、一般的に吸収力が高く、膨潤度合いも大きくなります。また、これらのタイプの SAP は、より柔らかく粘着性のあるゲルを形成します。高架橋密度のポリマーは、吸収力と膨潤度が低く、ゲルの強度が強く、適度な圧力がかかっても粒子の形状を維持できます。

高吸水性ポリマーは溶解を防ぐために架橋されています。SAP には主に 3 つのクラスがあります。

1. 架橋ポリアクリレートおよびポリアクリルアミド

2. セルロースまたはデンプンアクリロニトリルグラフト共重合体

3. 架橋無水マレイン酸共重合体^[1]

SAPの最大の用途は、ベビー用おむつ、大人用おむつ、生理用ナプキンなどの個人用使い捨て 衛生用品です。^[6] SAPは、地下の電力ケーブルや通信ケーブルへの水の浸入防止、自己修復コンクリート、^{[7] [8]}園芸用保水剤、水性液体の流出や廃棄の制御、映画や舞台製作用の人工雪にも使用されています。最初の商業利用は1978年で、日本で女性用ナプキンに、米国では老人ホームの患者用の使い捨てベッドライナーに使用されました。米国市場での初期の用途は、小規模な地域のおむつメーカーとキンバリークラークによるものでした。^[9]

1920 年代まで、吸水性材料は繊維ベースの製品でした。選択肢には、ティッシュ ペーパー、綿、スポンジ、フラッフ パルプがありました。これらの種類の材料の吸水能力は、重量の 11 倍までで、そのほとんどは中程度の圧力で失われます。

1960 年代初頭、米国農務省(USDA) は土壌の水分保持を改善する材料に関する研究を行っていました。彼らは、デンプン分子の骨格にアクリロニトリルポリマーをグラフトした樹脂 (デンプン グラフト) を開発しました。このデンプンアクリロニトリルコポリマーの加水分解生成物は、重量の 400 倍を超える水分を吸収しました。また、このゲルは繊維ベースの吸収剤のように液体の水を放出しませんでした。

このポリマーは「スーパースラーパー」として知られるようになった。^{[10] USDAは基礎技術のさらなる開発のためにいくつかの米国企業に技術的ノウハウを提供した。}アクリル酸、アクリルアミド、ポリビニルアルコール（PVA） を含む幅広いグラフトの組み合わせが試みられた。

今日の研究では、多糖類やタンパク質などの天然素材が、現在の用途で合成ポリアクリレートが発揮するのと同じ範囲で、純水や生理食塩水（0.9重量％）中で超吸収性を発揮できることが証明されています。 ^{[11]優れた機械的強度を持つ} 大豆タンパク質/ポリアクリル酸超吸収性ポリマーが調製されています。^[12] ポリアクリレート/ポリアクリルアミド共重合体は、もともと電解質/ミネラル含有量が高く、多数の湿潤/乾燥サイクルを含む長期安定性が必要な条件で使用するために設計されました。用途には、農業や園芸が含まれます。アクリルアミドモノマーの強度が加わることで、医療用流出制御、電線やケーブルの防水に使用されます。

高吸水性ポリマーは現在、開始剤の存在下でアクリル酸と水酸化ナトリウムを混合して重合し、ポリアクリル酸ナトリウム塩（ポリアクリル酸ナトリウムと呼ばれることもある）を形成することで一般的に作られています。このポリマーは、現在世界で製造されているSAPの最も一般的なタイプです。米国食品医薬品局によると、ポリアクリル酸ナトリウムは食品添加物リストに記載されており、厳しい制限があります。^{[13] [説明が必要]}

超吸収性ポリマーの製造には、ポリアクリルアミド共重合体、エチレン 無水マレイン酸共重合体、架橋カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール共重合体、架橋ポリエチレンオキシド、ポリアクリロニトリルのデンプングラフト共重合体など、他の材料も使用されます。後者は、作成された最も古い SAP フォームの 1 つです。^[要出典]

現在、高吸収性ポリマーは、ゲル重合、懸濁重合、溶液重合という 3 つの主な方法のいずれかを使用して製造されています。各プロセスにはそれぞれ利点がありますが、すべて一貫した品質の製品を生み出します。

アクリル酸、水、架橋剤、UV 開始剤の混合物を混合し、移動ベルトまたは大きな容器に入れます。次に、液体混合物は、一連の強力な UV ライトを備えた長いチャンバーである「リアクター」に入ります。UV放射によって、重合および架橋反応が促進されます。結果として得られる「ログ」は、60 ～ 70% の水分を含む粘着性のあるゲルです。ログは細断または粉砕され、さまざまなタイプの乾燥機に入れられます。追加の架橋剤が粒子の表面にスプレーされる場合があります。この「表面架橋」により、製品の圧力下での膨張能力が向上します。この特性は、荷重下吸収性 (AUL) または圧力に対する吸収性 (AAP) として測定されます。乾燥したポリマー粒子は、適切な粒度分布とパッケージングのためにふるいにかけられます。ゲル重合 (GP) 法は現在^{[いつ? ]、}現在ベビー用おむつやその他の使い捨て衛生用品に使用されているポリアクリル酸ナトリウム高吸収性ポリマーを製造する最も一般的な方法です。

溶液ポリマーは、溶液の形で供給される粒状ポリマーの吸収性を提供します。溶液は塗布前に水で希釈することができ、ほとんどの基材をコーティングまたは飽和させることができます。特定の温度で特定の時間乾燥させると、超吸収性を備えたコーティングされた基材が得られます。たとえば、この化学物質はワイヤーやケーブルに直接塗布できますが、ロール製品やシート状基材などのコンポーネントに使用するように特に最適化されています。

溶液ベースの重合は、今日ではコポリマーの SAP 製造に広く使用されています。特に、有毒なアクリルアミドモノマーを含むコポリマーの製造に使用されています。このプロセスは効率的で、一般的に資本コストベースが低くなっています。溶液プロセスでは、水性モノマー溶液を使用して、反応物重合ゲルの塊を生成します。重合自体の発熱反応エネルギーがプロセスの大部分の駆動に使用され、製造コストの削減に役立ちます。反応物ポリマーゲルは、その後、最終的な顆粒サイズに切り刻まれ、乾燥され、粉砕されます。SAP の性能特性を向上させる処理は、通常、最終的な顆粒サイズが作成された後に行われます。

懸濁法は、重合段階で高度な生産管理と製品エンジニアリングが必要となるため、少数の企業でのみ実施されています。このプロセスでは、水ベースの反応物を炭化水素ベースの溶媒に懸濁させます。その結果、懸濁重合によって、反応後の段階で機械的にではなく、反応器内で主要なポリマー粒子が生成されます。反応段階中または反応直後にパフォーマンスを向上させることもできます。

2010年4月13日、スラバヤ発香港行きのキャセイパシフィック航空780便が香港国際空港への降下中に両エンジンの失速に遭遇したが、同機は無事着陸し、死者は出なかった。調査の結果、ジュアンダ国際空港の給油機に設置された燃料フィルターモニターの部品である高吸収性ポリマー（SAP）球が、燃料計量ユニットの主計量バルブの固着を引き起こしたと結論付けられた。ジュアンダ国際空港の燃料供給が塩水で汚染され、フィルターモニターが損傷してSAP球が航空機の燃料に放出され、最終的に主燃料供給ラインに入ったことが判明した。^[14]

• ポリアクリル酸ナトリウム
• ポリアクリル酸カリウム

• K. Horie; M. Báron; RB Fox; J. He; M. Hess; J. Kahovec; T. Kitayama; P. Kubisa; E. Maréchal; W. Mormann; RFT Stepto; D. Tabak; J. Vohlídal; ES Wilks & WJ Work (2004). 「ポリマーの反応および機能性ポリマー材料に関する用語の定義 (IUPAC 勧告 2003)」(PDF) . Pure and Applied Chemistry . 76 (4): 889–906. doi :10.1351/pac200476040889. S2CID  98351038.
• カティメ・トラバンカ、ダニエル。カティメ・トラバンカ、オスカー。カタイム・アマシュタ、イッサ・アントニオ（2004年9月）。ロスマテリアルインテリジェンテスデエステミレニオ：ロスハイドロゲレス巨大分子。 Síntesis、propiedades y aplicaciones (第 1 版)。ビルバオ: Servicio Editor de la Universidad del País Vasco (UPV/EHU)。ISBN 978-84-8373-637-1。
• Buchholz, Fredric L; Graham, Andrew T, 編 (1997)。現代の超吸収性ポリマー技術(第 1 版)。John Wiley & Sons。ISBN 978-0-471-19411-8。