superabsorberende polymerer

Superabsorberende polymerer kan komme i form av pulver, granulat, fiber eller tynnfilm. De kan lages enten syntetisk eller basert på naturlige byggeklosser. Helsyntetiske superabsorberende polymerer lages gjerne ved hjelp av akrylater eller akrylamider. Dette kan for eksempel være natriumpolyakrylat, som er natriumsaltet av polyakrylsyre. Natriumpolyakrylat er biokompatibel og regnes ikke som giftig, men fremstilles ved hjelp av olje og kan ikke lett nedbrytes i naturen.

Man har etter hvert begynt å fremstille superabsorberende polymerer basert på naturlige byggeklosser bestående av polysakkarider (for eksempel stivelse) eller polypeptider. Det har også blitt utviklet superabsorberende polymerer fra naturlig cellulose, metylcellulose, celluloseacetat og karboksymetylcellulose, der noen av disse kan absorbere mer enn tusen ganger sin egen vekt i vann.

Man har også kombinert syntetiske og naturlige byggeklosser for å lage halvsyntetiske polymerer som for eksempel polyakrylsyre tverrbundet med polysakkarider.

En polymer som har ioniserbare grupper, for eksempel karboksyl eller hydroksyl, har mye større tendens til å svelle opp og absorbere vann enn en polymer som består av ikke-ioniserbare grupper som for eksempel metyl. For at materialet lett skal kunne svelle, må polymerkjedene være lange, og derfor ha relativt stor molekylmasse. Polymerkjedene kan ikke være bundet tett sammen, som for eksempel i en tett fiberstruktur, da dette vil hindre svelling ved opptak av væske. Det betyr at tverrbindingene mellom polymerkjedene ikke kan være særlig sterke, fordi da vil polymeren være for fast til å kunne svelle opp. Likevel er det viktig at polymeren er tverrbundet slik at den har en viss mekanisk styrke, og ikke faller fra hverandre når den sveller. Det er derfor vanlig å bruke polymerer som har en relativt lav tetthet av tverrbindinger.

Natriumpolyakrylat er en mye brukt superabsorberende polymer, og kan brukes til å forklare hvordan de virker. I denne polymeren er et hydrogenatom i karboksylgruppen på polyakrylsyre byttet ut med et natriumion. I tørr pulverform er polymerkjedene kveilet opp, fordi natriumionet binder seg til COO- gruppen og blir elektrisk nøytral. Når pulveret kommer i kontakt med vann, vil vannmolekylene dra til seg natriumionene slik at polymerkjedene sitter igjen med en negativ ladet COO- gruppe. Polymerkjeden vil nå bestå av en rekke negative ladninger som vil frastøte hverandre på grunn av elektriske krefter, slik at polymerkjedene rettes ut. Ved opptak av vann vil derfor natrium polyakrylat svelle opp og bli et gel-lignende materiale.

Superabsorberende polymerer kan også lages av cellulose, som har en rekke hydroksylgrupper langs polymerkjedene som gjør materialet i stand til svelle ved opptak av vann. I karboksymetylcellulose er hydrogenet i noen hydroksylgrupper (-OH) byttet ut med karboksymetylgrupper (-CH₂-COOH), og dette ser ut til å gi ekstra god evne til å ta opp vann.

I de aller fleste superabsorberende polymerer vil evnen til å ta opp rent vann være større enn evnen til å ta opp saltvann. Dette er fordi saltvann inneholder ioner som for eksempel Na+, som forskyver den kjemiske likevekten og driver vannet ut.

For å absorbere olje trenger man hydrofobe materialer. Polyolefiner som polyetylen og polypropylen er de vanligste hydrofobe polymerer som har blitt brukt til absorbsjon av olje på liten skala. På grunn av sin krystallinske og fiberstruktur er imidlertid disse polymerene per i dag ikke i stand til å absorbere mer enn rundt 10 ganger sin egen vekt i olje.

Nyere forskning har demonstrert at polyolefin-kopolymerer bestående av amorft og tverrbundet poly(1-decene-co-divinylbenzene) kan absorbere over 40 ganger sin egen vekt i toluen. Dette er imidlertid ikke nok til å definere disse materialene som superabsorberende.

Det finnes også forskning som rapporterer aerogel basert på grafén og lignin som kan absorbere flere hundre ganger sin egen vekt i oljelignende væsker. Imidlertid virker disse materialene mer som svamper som ikke er i stand til å holde på væsken ved mekaniske påkjenninger, så mer forskning foregår for å utvikle slike materialer.

Superabsorberende polymerer blir gjerne brukt i dagligdagse produkter som engangsbleier og enkelte typer våtservietter. På grunn av sin store evne til å ta opp væske kan de også brukes til bandasjering av sår og til levering av medisiner i form av plaster.

Videre benyttes superabsorberende polymerer i agrikultur som bærere av næringsstoffer til planter eller som vannreservoarer i tørre områder. Disse begrenses helst til lukkede systemer som drivhus for å hindre at ikke-degraderbare polymerer havner som mikroplast i naturen.

De kan også brukes til å ta opp og blokkere vann i konstruksjoner der man trenger en vannbarriere. Det siste tiåret har man forsket på om superabsorberende polymerer kan brukes i selvhelende materialer, for eksempel betong. Tanken er at sprekker i betong kan fylles med superabsorberende materialer i tørr tilstand, som deretter påtrykkes vann og dermed fyller sprekkene slik at vannlekkasjer blokkeres samtidig som den mekaniske strukturen holdes på plass.

Utvikling av oljeabsorberende polymerer kan tenkes å være nyttig for eksempel til oppsuging av oljesøl, men også her må man forsikre seg om at de ikke fører til mer mikroplast i naturen.

• polymerer
• hydrogel
• polyakrylsyre
• cellulose
• karboksymetylcellulose
• superabsorberende fibre

• B.H. Cipriano, S.J. Banik, R. Sharma, D. Rumore, W. Hwang, R.M. Briber og S.R. Raghavan, ‘Superabsorbent hydrogels that are robust and highly stretchable’, Macromolecules, Vol. 47, s. 4445-4452, 2014.
• J. Ma, X. Li and Y. Bao, ‘Advances in cellulose-based superabsorbent hydrogels’, RSC Advances, Vol. 5, s. 59745, 2015.
• C. Nam, H. Li, G. Zhang og T.C.M Chung, ‘Petrogel: New hydrocarbon (oil) absorbent polyolefin polymers’, Macromolecules, Vol. 49, s.24773-24779, 2016.
• C. Chen, F. Li, Y. Zhang, B. Wang, Y. Fan, X. Wang and R. Sun, ‘Compressive, ultralight and fire-resistant ligning-modified graphene aerogels as recyclable absorbents for oil and organic solvents’, Chemical Engineering Journal, Vol. 350, s. 173-180, 2018.