بوليمر فائق الامتصاص

البوليمر فائق الامتصاص (SAP) (يسمى أيضًا مسحوق الثلج ) هو بوليمرات متجانسة أو بوليمرات مشتركة محبة للماء تمتص الماء ^{[ 1 ]} ويمكنها امتصاص كميات كبيرة للغاية من السائل والاحتفاظ بها مقارنة بكتلتها . ^{[ 2 ]}

تمتص البوليمرات الماصة للماء ، والتي تُصنف كهيدروجيلات عند مزجها، ^{[ 3 ]} المحاليل المائية عبر روابط هيدروجينية مع جزيئات الماء . وتعتمد قدرة البوليمر الماص للماء على امتصاص الماء على التركيز الأيوني للمحلول المائي . ففي الماء منزوع الأيونات والماء المقطر ، قد يمتص البوليمر الماص للماء ما يصل إلى 300 ضعف وزنه ^{[ 4 ]} (من 30 إلى 60 ضعف حجمه) ويمكن أن يصبح سائلاً بنسبة تصل إلى 99.9%، وعند وضعه في محلول ملحي بتركيز 0.9%، تنخفض قدرته على الامتصاص إلى حوالي 50 ضعف وزنه. ويؤدي وجود الكاتيونات ذات التكافؤ الموجب في المحلول إلى إعاقة قدرة البوليمر على الارتباط بجزيء الماء.

تُتحكم قدرة امتصاص البوليمر فائق الامتصاص (SAP) وقدرته على الانتفاخ بنوع ودرجة الروابط المتشابكة المستخدمة في تكوين الهلام . تتميز البوليمرات فائقة الامتصاص ذات الروابط المتشابكة منخفضة الكثافة بقدرة امتصاص أعلى وانتفاخ أكبر، كما تتميز بتكوين هلام أكثر ليونة ولزوجة. أما البوليمرات ذات الروابط المتشابكة عالية الكثافة، فتتميز بقدرة امتصاص وانتفاخ أقل، ويكون الهلام أكثر صلابة ويحافظ على شكل الجزيئات حتى تحت ضغط معتدل.

تُربط البوليمرات فائقة الامتصاص بروابط متقاطعة لتجنب الذوبان. وهناك ثلاثة أنواع رئيسية من هذه البوليمرات:

1. البولي أكريلات والبولي أكريلاميدات المتشابكة
2. بوليمرات مشتركة مطعمة من السليلوز أو النشا والأكريلونيتريل
3. البوليمرات المشتركة من أنهيدريد الماليك المتشابكة ^{[ 1 ]}

يُستخدم البوليمر فائق الامتصاص (SAPs) على نطاق واسع في منتجات النظافة الشخصية ذات الاستخدام الواحد ، مثل حفاضات الأطفال ، وحفاضات البالغين ، والفوط الصحية . ^{[ 6 ]} كما يُستخدم أيضًا لمنع تسرب المياه في كابلات الطاقة أو الاتصالات تحت الأرض، وفي الخرسانة ذاتية الترميم، ^{[ 7 ] [ 8 ]} وفي ري الحدائق ، والتحكم في انسكاب السوائل المائية، وفي صناعة الثلج الاصطناعي للأفلام والمسرح. وكان أول استخدام تجاري له عام 1978 في الفوط الصحية النسائية في اليابان ، وفي بطانات الأسرة ذات الاستخدام الواحد لمرضى دور رعاية المسنين في الولايات المتحدة. وشملت التطبيقات المبكرة في السوق الأمريكية شركات تصنيع حفاضات إقليمية صغيرة، بالإضافة إلى شركة كيمبرلي كلارك . ^{[ 9 ]}

حتى عشرينيات القرن العشرين، كانت المواد الماصة للماء منتجات مصنوعة من الألياف. وشملت الخيارات ورق المناديل ، والقطن ، والإسفنج ، ولب الورق . ولا تتجاوز قدرة هذه المواد على امتصاص الماء أحد عشر ضعف وزنها، ويُفقد معظمها تحت ضغط متوسط.

في أوائل الستينيات، كانت وزارة الزراعة الأمريكية تُجري أبحاثًا على مواد لتحسين حفظ المياه في التربة . وقد طوّرت راتنجًا قائمًا على تطعيم بوليمر الأكريلونيتريل على هيكل جزيئات النشا (أي تطعيم النشا). وقد أعطى ناتج التحلل المائي لهذا البوليمر المشترك من النشا والأكريلونيتريل قدرة امتصاص للماء تفوق 400 ضعف وزنه. كما أن هذا الجل لم يُطلق الماء السائل كما تفعل المواد الماصة القائمة على الألياف.

أصبح البوليمر يُعرف باسم "سوبر سلوربر". ^{[ 10 ]} وقد منحت وزارة الزراعة الأمريكية المعرفة التقنية لعدد من الشركات الأمريكية لمواصلة تطوير التكنولوجيا الأساسية. وجُرِّبت مجموعة واسعة من تركيبات التطعيم، بما في ذلك العمل مع حمض الأكريليك والأكريلاميد وكحول البولي فينيل (PVA).

أثبتت الأبحاث الحديثة قدرة المواد الطبيعية، مثل السكريات المتعددة والبروتينات، على إظهار خصائص امتصاص فائقة في الماء النقي والمحلول الملحي (0.9% وزناً) ضمن نفس نطاق خصائص البولي أكريلات الاصطناعية المستخدمة حالياً. ^{[ 11 ]} وقد تم تحضير بوليمرات فائقة الامتصاص من بروتين الصويا /حمض البولي أكريليك تتميز بقوة ميكانيكية جيدة. ^{[ 12 ]} صُممت بوليمرات البولي أكريلات / بولي أكريلاميد المشتركة في الأصل للاستخدام في ظروف ذات محتوى عالٍ من الإلكتروليتات/المعادن، مع الحاجة إلى استقرار طويل الأمد يشمل دورات ترطيب/تجفيف متعددة. تشمل استخداماتها الزراعة والبستنة. وبفضل القوة الإضافية التي يوفرها مونومر الأكريلاميد، تُستخدم في مكافحة الانسكابات الطبية، ومنع تسرب المياه إلى الأسلاك والكابلات.

تُصنع البوليمرات فائقة الامتصاص حاليًا بشكل شائع من خلال بلمرة حمض الأكريليك الممزوج بهيدروكسيد الصوديوم بوجود مُحفز لتكوين ملح الصوديوم لحمض البولي أكريليك (يُشار إليه أحيانًا باسم بولي أكريلات الصوديوم ). يُعد هذا البوليمر النوع الأكثر شيوعًا من البوليمرات فائقة الامتصاص المُصنعة في العالم اليوم. ووفقًا لإدارة الغذاء والدواء الأمريكية ، فإن بولي أكريلات الصوديوم مُدرج في قائمة حالة المضافات الغذائية، ويخضع لقيود صارمة. ^{[ 13 ]}

تُستخدم مواد أخرى أيضًا في صناعة البوليمرات فائقة الامتصاص، مثل كوبوليمر بولي أكريلاميد، وكوبوليمر إيثيلين ماليك أنهيدريد، وكربوكسي ميثيل السليلوز المتشابك ، وكوبوليمرات كحول البولي فينيل، وأكسيد البولي إيثيلين المتشابك ، وكوبوليمر بولي أكريلونيتريل المُطعّم بالنشا ، على سبيل المثال لا الحصر. ويُعدّ الأخير من أقدم أنواع البوليمرات فائقة الامتصاص المُبتكرة.

تُصنع البوليمرات فائقة الامتصاص اليوم باستخدام إحدى ثلاث طرق رئيسية: بلمرة الهلام، أو بلمرة التعليق ، أو بلمرة المحلول . ولكل عملية من هذه العمليات مزاياها الخاصة، ولكن جميعها تُنتج منتجًا بجودة ثابتة.

يُخلط مزيج من حمض الأكريليك والماء وعوامل الربط المتشابك ومواد كيميائية مُحفزة للأشعة فوق البنفسجية، ثم يُوضع إما على سير متحرك أو في أحواض كبيرة. بعد ذلك، يُنقل المزيج السائل إلى "مفاعل"، وهو عبارة عن حجرة طويلة مزودة بسلسلة من مصابيح الأشعة فوق البنفسجية القوية . تُحفز الأشعة فوق البنفسجية تفاعلات البلمرة والربط المتشابك. ينتج عن ذلك "قوالب" هلامية لزجة تحتوي على 60 إلى 70% من الماء. تُفرم هذه القوالب أو تُطحن وتُوضع في أنواع مختلفة من المجففات. يمكن رش عوامل ربط متشابك إضافية على سطح الجزيئات؛ يزيد هذا "الربط المتشابك السطحي" من قدرة المنتج على الانتفاخ تحت الضغط، وهي خاصية تُقاس بقدرة الامتصاص تحت الحمل (AUL) أو قدرة الامتصاص ضد الضغط (AAP). بعد ذلك، تُغربل جزيئات البوليمر المجففة لضمان توزيع حجم الجزيئات بشكل مناسب، ثم تُعبأ. تُعد طريقة بلمرة الهلام (GP) حاليًا الطريقة الأكثر شيوعًا لصنع بوليمرات بولي أكريلات الصوديوم فائقة الامتصاص، والتي تُستخدم الآن في حفاضات الأطفال وغيرها من المنتجات الصحية التي تُستخدم لمرة واحدة.

توفر البوليمرات السائلة قدرة امتصاص مماثلة للبوليمرات الحبيبية المتوفرة في صورة محلول. يمكن تخفيف المحاليل بالماء قبل الاستخدام، ويمكنها تغطية أو تشبيع معظم الركائز. بعد التجفيف عند درجة حرارة محددة لفترة زمنية محددة، تكون النتيجة ركيزة مطلية ذات قدرة امتصاص فائقة. على سبيل المثال، يمكن تطبيق هذه التركيبة الكيميائية مباشرة على الأسلاك والكابلات، على الرغم من أنها مُحسَّنة بشكل خاص للاستخدام على مكونات مثل المنتجات الملفوفة أو الركائز الصفائحية.

تُستخدم عملية البلمرة القائمة على المحلول على نطاق واسع اليوم في تصنيع البوليمرات المشتركة فائقة الامتصاص، وخاصةً تلك التي تحتوي على مونومر الأكريلاميد السام. تتميز هذه العملية بالكفاءة وانخفاض التكلفة الرأسمالية عمومًا. تعتمد هذه العملية على استخدام محلول مونومر مائي لإنتاج كتلة من هلام البوليمر المتفاعل. وتُستخدم طاقة التفاعل الطاردة للحرارة الناتجة عن البلمرة نفسها لتشغيل جزء كبير من العملية، مما يُسهم في خفض تكلفة التصنيع. بعد ذلك، يُقطع هلام البوليمر المتفاعل ويُجفف ويُطحن إلى حجم الحبيبات النهائي . وعادةً ما تُجرى أي معالجات لتحسين خصائص أداء البوليمر فائق الامتصاص بعد الوصول إلى حجم الحبيبات النهائي.

لا تستخدم عملية التعليق إلا من قبل عدد قليل من الشركات، لأنها تتطلب مستوى عالٍ من التحكم في الإنتاج وهندسة المنتج خلال مرحلة البلمرة. تعتمد هذه العملية على تعليق المادة المتفاعلة المائية في مذيب هيدروكربوني . والنتيجة النهائية هي أن بلمرة التعليق تُنتج جزيئات البوليمر الأولية داخل المفاعل، بدلاً من إنتاجها ميكانيكياً في مراحل ما بعد التفاعل. كما يمكن تحسين الأداء أثناء مرحلة التفاعل أو بعدها مباشرة.

في 13 أبريل 2010، واجهت رحلة الخطوط الجوية الكاثاي باسيفيك رقم 780 المتجهة من سورابايا إلى هونغ كونغ عطلاً في محركيها أثناء هبوطها في مطار هونغ كونغ الدولي . هبطت الطائرة بسلام دون وقوع أي وفيات. خلص التحقيق إلى أن كريات البوليمر فائق الامتصاص (SAP)، وهي أحد مكونات جهاز مراقبة فلتر الوقود المثبت في موزع وقود بمطار جواندا الدولي، تسببت في تعطل صمامات القياس الرئيسية في وحدة قياس الوقود . تبين أن مياه البحر المالحة لوثت إمدادات الوقود في مطار جواندا الدولي، مما أدى إلى تلف أجهزة مراقبة الفلتر وتسرب كريات البوليمر فائق الامتصاص إلى وقود الطائرة، لتتسرب في النهاية إلى خطوط إمداد الوقود الرئيسية. ^{[ 14 ]}

• بولي أكريلات الصوديوم
• بولي أكريلات البوتاسيوم

• ك. هوري؛ م. بارون؛ ر. ب. فوكس؛ ج. هي؛ م. هيس؛ ج. كاهوفيتش؛ ت. كيتاياما؛ ب. كوبيسا؛ إ. مارشال؛ و. مورمان؛ ر. ف. ت. ستيبتو؛ د. تاباك؛ ج. فوهليدال؛ إ. س. ويلكس؛ و. ج. وورك (2004). "تعريفات المصطلحات المتعلقة بتفاعلات البوليمرات والمواد البوليمرية الوظيفية (توصيات الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية 2003)" (ملف PDF) . الكيمياء البحتة والتطبيقية . 76 (4): 889-906 . doi : 10.1351/pac200476040889 . S2CID 98351038 . 
• كاتيم ترابانكا، دانيال؛ كاتيم ترابانكا، أوسكار؛ كاتيم أماشتا، عيسى أنطونيو (سبتمبر 2004). المواد الذكية لهذا العصر: الجزيئات المائية الكبيرة. Síntesis, Propiedades y Aplicaciones (1  ed.). بلباو: خدمة التحرير لجامعة بايز فاسكو (UPV/EHU). رقم ISBN 978-84-8373-637-1.
• بوخهولز، فريدريك ل؛ غراهام، أندرو ت، محرران. (1997). تكنولوجيا البوليمرات فائقة الامتصاص الحديثة (  الطبعة الأولى). جون وايلي وأولاده. ISBN 978-0-471-19411-8.