Superabsorber

Superabsorberpulver

Superabsorber (Superabsorbent Polymers, SAP) werden Kunststoffe genannt, die in der Lage sind, ein Vielfaches ihres Eigengewichts an polaren Flüssigkeiten aufzusaugen. Dies sind vor allem Wasser bzw. wässrige Lösungen.  Bei der Aufnahme der Flüssigkeit quillt der Superabsorber auf und bildet ein Hydrogel. Die Summe aus dem Volumen der Flüssigkeit und dem Volumen des trockenen Superabsorbers bleibt dabei gleich.

Verwendung

Das Produkt kommt als weißes, grobkörniges Pulver mit Partikelgrößen von 100 - 1.000 µm (= 0,1 - 1,0 mm) zum Einsatz. Es findet größtenteils in Babywindeln, jedoch auch in Produkten für die Damenhygiene, der Inkontinenzversorgung, in Verbandmaterial und in geringen Mengen auch in Kabelummantelungen für Tiefseeleitungen Verwendung. Es etablieren sich jedoch auch nach und nach andere Anwendungszwecke, wie z. B. als Schlafunterlage in sog. Gelbetten, als gelbildende Löschmittel in der Brandbekämpfung, als mechanischer Stabilisator für Schnittblumen in einer Vase oder als Zusatz für Pflanzenerde, um dauerhaft Wasser zu speichern. Hierbei kommt jedoch wegen der besseren Umweltverträglichkeit kalilaugeneutralisierte Acrylsäure zum Einsatz. Große Hersteller für Superabsorber sind unter anderem die BASF SE, Evonik, oder Nippon Shokubai. Große Superabsorberabnehmer sind z. B. Procter & Gamble, Kimberly-Clark, Attends Healthcare Group oder SCA, in Deutschland Paul Hartmann AG und ONTEX GmbH.

In der Erprobungs- und Einführungsphase befinden sich Superabsorber zur Erhöhung der Wasserspeicherkapazität von Böden. Neben Kompositgranulaten, die aus einer hochporösen mineralischen Matrix und daran angelagerten Hydrogelpolymeren bestehen, wird auch die alternative Herstellung von Superabsorbern aus Stärke als nachwachsendem Rohstoff für den weltweiten Einsatz im Agrarbereich erforscht.

Chemische Beschaffenheit

Chemisch handelt es sich bei dem Superabsorber um ein Copolymer aus Acrylsäure (Propensäure, C₃H₄O₂) und Natriumacrylat (Natriumsalz der Acrylsäure, NaC₃H₃O₂), wobei das Verhältnis der beiden Monomere zueinander variieren kann. Zusätzlich wird ein so genannter Kernvernetzer (Core-Cross-Linker, CXL) der Monomerlösung zugesetzt, der die gebildeten langkettigen Polymermoleküle stellenweise untereinander durch chemische Brücken verbindet (sie „vernetzt“). Durch diese Brücken wird das Polymer wasserunlöslich.

Nach heutigem Entwicklungsstand nennt man das Produkt in dieser Form „Basispolymer“, da im Laufe der Jahre die Anforderungen an den Superabsorber gewachsen sind und weitere Veredelungsschritte angewandt werden. Als Wichtigster sei hier nur die so genannte Oberflächen-Nachvernetzung (Surface-Cross-Linking, SXL) genannt. Dabei wird eine weitere Chemikalie auf die Oberfläche eines jeden Partikels aufgebracht, und durch eine unter Hitze stattfindende Reaktion wird ein zweites Netzwerk nur auf der äußeren Schicht des Korns geknüpft.  Dieses Netzwerk hilft dem Partikel dabei, auch im aufgequollenen Zustand und unter Druck, seine Form zu behalten. Dies wiederum begünstigt das Haltevermögen des Superabsorbers selbst in Situationen während ein Baby mit seinem ganzen Gewicht auf der Windel sitzt.

Funktionsweise

Die Oberfläche von Superabsorberpartikeln sind, mikroskopisch betrachtet, zerklüftet und porös. Kanäle, die sich Richtung Partikelkern ziehen, wirken durch den Kapillareffekt Flüssigkeitsanziehend. Beim Kontakt zwischen Superabsorber und Flüssigkeit wird so bereits eine große Oberfläche der Partikel benetzt.  Durch die vorhandenen Natriumionen innerhalb der Polymerstruktur bildet das Molekül einen starken Salzcharakter aus und es kommt aufgrund eines osmotischen Drucks zur weiteren Flüssigkeitsabsorption.  Dieser osmotische Druck bedingt letztlich die Aufnahmekapazität des Superabsorbers. Daraus ergeben sich folgende Zusammenhänge:  Je mehr Natriumionen im Polymer eingebaut sind, desto größere Mengen Flüssigkeit können aufgenommen werden. Je höher die Konzentration an Salzen in der Flüssigkeit, desto geringer wird die Absorption ausfallen.  Dies erklärt, dass reines Wasser in Größenordnungen um das mehrere Hundertfache des Superabsorbereigengewichts absorbiert wird, wohingegen Salzlösungen — z. B. Urin — die Kapazität des Superabsorbers deutlich begrenzen.  Des Weiteren leitet sich aus der Funktionsweise auch ab, weshalb unpolare Flüssigkeiten — z. B. Öle — nicht absorbiert werden können. Innerhalb des Partikels ist die Flüssigkeit nun bestrebt das Molekül, welches sich wie ein Salz darstellt, aufzulösen — also in diesem Falle das Natrium vom Anion-Rest zu trennen. Dabei löst sich das Natrium tatsächlich in der Flüssigkeit auf und bildet durch seine elektrische Ladung (Na⁺) und den Dipolcharakter des Wassers eine Hydrathülle um sich herum.  Der organische Rest jedoch ist durch seine Polymersturktur und insbesondere durch die Vernetzung wasserunlöslich. An den Stellen, an welchen sich im trockenen Zustand noch Natriumionen befunden haben, bleiben nun aber unbesetzte Stellen mit negativer Ladung offen. Auch dort bilden sich Hydrathüllen, welche allerdings das Ladungsungleichgewicht nicht ausgleichen. Da diese unbesetzten Stellen in der Polymerkette unmittelbar nebeneinander auftreten können und gleiche Ladungen sich gegenseitig abstoßen, wird das Molekül immer weiter aufgespannt, um den größtmöglichen Abstand dazwischen zu erlangen. Dies ist beim Aufquellen während der Absorption deutlich sichtbar.

Literatur

Frederic L. Buchholz, Andrew T. Graham (Hrsg.): Modern Superabsorbent Polymer Technology. Wiley-VCH, New York 1998 ISBN 0-471-19411-5 (Englisch)
Michael Zeuke: Superabsorber aus nachwachsenden Rohstoffen. Die gezielte Synthese mit nachwachsenden Rohstoffen. In: CHEMKON. Bd. 12, Nr. 4, 2005, doi:10.1002/ckon.200510029, S. 155-159

Weblinks