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Les polymères super absorbants sont devenus une partie importante des couches au cours des 10 dernières années

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Les polymères super absorbants sont devenus une partie importante des couches au cours des 10 dernières années

 

Polymères super absorbants

 

 

INTRODUCTION

Polymères super absorbants (SAP):

Les polymères superabsorbants sont principalement utilisés comme absorbants pour l’eau et les solutions aqueuses pour les couches, les produits pour l’incontinence pour adultes, les produits d’hygiène féminine et les applications similaires. Sans aucun doute, dans ces applications, les matériaux super absorbants remplaceront les matériaux absorbants traditionnels tels que le tissu, le coton, le coton et les fibres de cellulose.

La production commerciale de polymères super absorbants a commencé au Japon en 1978 pour être utilisée dans les serviettes féminines. Ce superabsorbant précoce était un g-polyacrylate d’amidon réticulé. Les acides polyacryliques ont finalement remplacé les superabsorbants précédents et sont aujourd’hui le principal polymère utilisé pour les polymères superabsorbants.1 En 1980, les pays européens ont développé le polymère super absorbant à utiliser dans les couches pour bébés. Ces premières couches utilisant cette technologie n’utilisaient qu’une petite quantité de polymère, environ 1 à 2 g. En 1983, une couche plus mince contenant 4 à 5 grammes de polymère et moins de peluches a été commercialisée au Japon.

L’utilisation de polymères super absorbants a révolutionné l’industrie des couches. Les fabricants de couches ont commencé à concevoir des couches pour tirer parti de l’incroyable capacité de rétention des liquides du polymère. Les polymères super absorbants absorbent et conservent environ 30 fois leur poids dans l’urine sous une légère pression mécanique.2 Le gel gonflé maintient le liquide fermement et caoutchouteux et empêche le liquide de fuir sur la peau et les vêtements du bébé.1

Les polymères superabsorbants sont préparés à partir d’acide acrylique et d’un réticulant par polymérisation en solution ou en suspension. Le type et la quantité d’agent de reticulation contrôlent à la fois la capacité de gonflement et le module de gel.2 La synthèse et l’utilisation de polyacrylates superabsorbants réticulés sont un sujet populaire dans la littérature sur les polymères. Cependant, très peu d’informations sur les processus de production sont fournies en raison de son propre contenu.1

Les propriétés des polymères superabsorbants peuvent être utilisées dans de nombreuses applications différentes. Les polymères super absorbants sont les plus couramment utilisés dans les produits d’hygiène personnelle. Ces produits de consommation, par ordre de volume de superabsorbants utilisés, comprennent des couches jetables pour bébés, des pantalons d’entraînement pour enfants, des articles d’incontinence pour adultes et des serviettes hygiéniques féminines.1 AMCOL a estimé le total de leurs polymères super absorbants vendus en 1995 sur le graphique ci-dessous: 3

MARCHÉ

Demandez:

Depuis l’introduction des couches super absorbantes au Japon en 1983, le marché mondial des polymères super absorbants a connu une croissance et un changement spectaculaires au cours de la dernière décennie, les super absorbants ayant remplacé la pulpe de peluche dans les couches et autres articles d’hygiène personnelle. La capacité de production mondiale de polymères superabsorbants est passée de quelques millions de tonnes en 1985 à plus de 700 millions de tonnes en 1995, les États-Unis représentant 30% de cette demande de polymères superabsorbants.2

Fabricants de couches:

Environ 75% des polymères superabsorbants utilisés dans le monde sont vendus dans des produits pour couches de cinq grandes sociétés. Ces fabricants incluent Proctor & Gamble (P&G), Kimberly-Clark et d’autres fabricants de couches tels que Paragon Trade Brands, Molnycke et Unicharm.2

Aux États-Unis, Proctor & Gamble est un fabricant de couches bien connu, qui produit la populaire couche Pampers. Le polymère super absorbant utilisé dans la couche Pampers a environ trente fois son propre poids de fluide corporel.4 P&G Corporation a développé une couche unique en trois parties pour absorber l’humidité et la répartir uniformément. Le transfert de liquide vers le noyau absorbant permet au liquide d’être avalé et ne revient donc pas sur la peau. Les couches P&G sont maintenant vendues dans plus de 80 pays à travers le monde avec des ventes de 4 milliards de dollars.4

Fabricants de polymères super absorbants:

La production mondiale de polymères superabsorbants bat son plein en seulement 20 ans. De nombreux pays industriels de premier plan ont des entreprises qui produisent une sorte de polymère super absorbant. Aux États-Unis, les fabricants actuels de superabsorbants à base d’acrylique comprennent The Dow Chemical Company, Sanyo Chemical Industries, Nippon Shokubai Company et Chemdal Corporation, une filiale d’AMCOL International. Parmi les autres fabricants européens, citons AMCOL, Stockhausen GMBH, Dow Chemical, Hoechst Casella, Allied Colloids et Nippon Shokubai. La production de polymères super absorbants au Japon provient d’entreprises telles que Nippon Shokubai, Sanyo, Mitsubishi Petrochemical Company et Sumitomo Seika.

Les principaux producteurs de SAP sont Stockhausen GMBH, Nippon Shokubai, Chemdal Corporation, Hoechst Casella, Dow Chemical et Sanyo. Ces sociétés produisent 80% de la production mondiale de superabsorbants.

Le tableau suivant présente la production SAP pour ces leaders du marché:2

Stockhausen GMBH 162 000

Nippon Shokubai 137 000

Chemdal Corporation 120 000

Hoechst Casella 94 000

Dow Chemical 90 000

Sanyo 47 000 (tonnes)

Il est difficile d’obtenir des informations sur les processus de production SAP. La plupart des processus de production qui produisent SAP utilisent la polymérisation en solution, où le monomère d’acide acrylique est dissous dans un solvant avec des initiateurs de radicaux.1 Un autre procédé utilisé pour produire le SAP est la polymérisation en suspension, bien qu’en quantités beaucoup plus petites. En 1996, il y avait trois fabricants commerciaux de polymères super absorbants utilisant un processus de suspension. Il s’agissait de Kao Soap Co. et Sumitomo Seika au Japon et Elf Atochem S.A. en France.1 La polymérisation en suspension est un processus dans lequel des gouttes de monomère ou de solution de monomère sont dispersées dans une phase continue non miscible. La polymérisation est effectuée indépendamment dans ces gouttes dispersées.5 Sumitomo Seika et est l’utilisateur le plus important d’un processus de suspension pour fabriquer des polymères super absorbants.

 

 

CONSTRUCTION DE COUCHES

Construction générale:

Les couches jetables ont beaucoup changé au cours des 30 dernières années, mais trois composants de conception de base sont utilisés dans chaque couche. Une couche consiste en un noyau absorbant entre une feuille de dessus poreuse et une feuille arrière imperméable. La feuille de dessus doit faire trois choses: elle doit faire passer l’urine à travers elle, garder le liquide loin de la peau du bébé et maintenir l’intégrité structurelle du noyau absorbant. Habituellement, il est fait d’un tissu poreux hydrophobe, par exemple un tissu non tissé en polyester ou en polypropylène.1 La feuille arrière garde les vêtements du bébé au sec et est un tissu hydrophobe non poreux, comme un film de polyéthylène. Le noyau absorbant absorbe le liquide, le distribue à toutes les parties du noyau et maintient le liquide sous la pression du bébé.

Analyse des coûts:

AMCOL a publié une ventilation du marché des coûts des matériaux pour les couches en 1996, qui peut être vue ci-dessous:

 

RÉPARTITION DES COÛTS DES MATÉRIAUX PARFAITS

 

MATÉRIAU PARESSE% DU MATÉRIAU TOTAL

COÛT PAR LAZY

FLUFF PULP 19.7

SAP 27.7

SOIL BLADE 9.5

FEUILLE SUPÉRIEURE NON TISSÉE 15,5

CARRIER TISSUE 2.3

MATÉRIAU DE LYCRA OU CAOUTCHOUC 2.1

COLLE MULTIFONCTIONNELLE 2.5

ELASTIC GLUE 1.8

TAPE TAB PRESSURE SENSITIVE 5.5

AUTRES 13,4

COURTOISIE DES MARCHÉS NON TISSÉS, MAI 1996

(source: site AMCOL)

Critères de conception:

Au début des années 80, l’utilisation de polymères superabsorbants dans les couches s’est répandue. Les couches étaient initialement conçues exclusivement pour optimiser leur pouvoir absorbant. Cela nécessitait des superabsorbants avec une faible densité de réticulation.1 Cependant, cela a également entraîné un petit module de gel lorsqu’il est gonflé, provoquant un « bloc de gel ». Ce sont des masses gonflées de gel qui empêchaient le fluide entrant de pénétrer à l’intérieur de la couche. Les masses bloquées par du gel ont fait que l’urine est plus souvent en contact avec la peau du bébé pendant une période prolongée et fuit plus souvent. Pour éviter cela, de nouvelles structures composites ont été développées qui contiennent à la fois des peluches de pâte de cellulose et un polymère super absorbant. Cela a produit une matrice dans laquelle le liquide pouvait s’écouler. De plus, la densité de réticulation des particules de gel a été augmentée, résultant en des produits avec une rétention liquide plus élevée sous cisaillement, malgré une capacité inférieure. Bien que la capacité de gonflement de la balance soit légèrement inférieure, l’amélioration du module de gel a conduit à une amélioration globale des performances des couches.1

D’autres optimisations de conception ont été introduites à mesure que l’industrie des couches devenait de plus en plus compétitive. Au fur et à mesure que la compréhension de l’anatomie augmentait, le polymère était placé plus à l’avant et à l’arrière de l’utilisateur, plutôt qu’à l’entrejambe. De plus, des plis nervurés et longitudinaux ont été développés pour éviter les fuites. Des couches de densité différente ont été placées dans le tampon, ce qui a permis au fluide de se déplacer et de se stocker plus efficacement. La stratification est plus courante avec l’incorporation de polymère superabsorbant dans des noyaux absorbants. 1

Noyau de conception:

De nombreux aspects doivent être pris en compte dans la conception de la matrice polymère dans le cœur de la couche. Le taux d’absorption des couches ne doit pas être plus lent que le taux d’urination du bébé, sinon des fuites se produiront. La vitesse d’absorption du composite est affectée par la vitesse d’absorption du polymère superabsorbant. D’un autre côté, un gonflement rapide du polymère peut être souhaitable ou non. Dans certains modèles de couches, un gonflement rapide peut provoquer une fuite de la couche si la porosité et la perméabilité du composite sont réduites.1 Le taux d’absorption des polymères superabsorbants est affecté par l’absorbance maximale du polymère et la taille et la forme des particules. La mise en place de polymères à absorption rapide ou lente dans la structure composite a donc des implications importantes pour l’efficacité du composite. De nombreux schémas différents de mélange de polymères en duvet et super absorbants ont été explorés pour trouver une performance optimale des couches. De plus, la taille, le placement et les quantités relatives des particules jouent un rôle majeur dans l’optimisation de l’absorption. Lorsque le gonflement du matériau super absorbant est retardé dans la zone de mouillage de certains modèles de couches, il y a plus de temps pour distribuer l’urine à travers la couche. En répartissant mieux le liquide à travers la couche, il y a moins de saturation du noyau dans la zone de mouillage, ce qui permet d’absorber davantage d’humidité.

Avec une compréhension affinée de l’impact du polymère superabsorbant sur le noyau absorbant au début des années 1990, les couches ultra-minces sont devenues possibles. La quantité de pâte de cellulose utilisée dans ces couches a été réduite de moitié, donnant une couche plus mince avec une concentration plus élevée de polymère superabsorbant dans le noyau absorbant.2 Au fur et à mesure que les propriétés des polymères sont de plus en plus comprises, les couches deviennent plus minces à mesure que le rapport du polymère aux peluches augmente.

Une couche séparée de fibres non tissées a été ajoutée pour améliorer la distribution de l’urine dans la couche. Cette couche de distribution a été placée entre l’âme absorbante composite, qui se compose de la fibre de cellulose et du superabsorbant, et la feuille de couverture poreuse. La couche de distribution avait une capacité d’absorption inférieure à celle du duvet de cellulose standard ou du polymère superabsorbant et une densité plus faible, ce qui permettait une distribution rapide du liquide dans la couche. La couche était constituée soit de fibres de cellulose réticulées chimiquement, soit d’un matériau non tissé non absorbant, tel que des fibres de polypropylène, et était suffisamment poreuse pour laisser passer le liquide.1

Construction du SAP:

Le polymère super absorbant est ajouté aux couches pour bébés de deux manières: en couches ou mélangées. Les fabricants de couches japonaises utilisent généralement l’application en couches. Dans cette méthode, le polymère superabsorbant en poudre est d’abord étalé sur une couche de pulpe duveteuse. Le duvet est ensuite plié de sorte que le polymère se trouve dans une couche centralisée dans la structure absorbante. Cette structure est recouverte d’une couche de tissu non tissé. Dans l’application mixte, le polymère superabsorbant est d’abord mélangé de manière homogène avec la pulpe duveteuse. Ensuite, le mélange est déposé pour donner la structure absorbante, qui est ensuite recouverte d’un tissu non tissé. L’application mixte du SAP est représentative des fabricants de couches américains.

Dans tous les cas, le piégeage du polymère en poudre dans la structure poreuse et lâche de la couche est une préoccupation. Un développement récent au Japon est l’utilisation de fibres thermocollables dans la structure absorbante pour maintenir le superabsorbant en place. Dans cette méthode, une partie de la pulpe de duvet est remplacée par des fibres thermocollables.1

 

PROPRIÉTÉS CHIMIQUES

Structure – Relation immobilière:

La structure de l’acide polyacrylique est la suivante et contient un groupe ionisable sur chaque unité répétée (-COOH).6

 

Ces chaînes polymères sont ensuite réticulées au niveau -OH.

Le mécanisme de gonflement des réseaux de polymères réticulés ionisés est basé sur le concept de pression osmotique. Selon Flory9, le polymère agit comme une membrane semi-perméable, empêchant les substituants de charge de laisser le polymère dans la solution environnante. En effet, les unités monomères ionisées contiennent des charges solides qui attirent et fixent les ions de la solution externe. Par conséquent, un gradient de charge est établi dans lequel la concentration d’ions libres à l’extérieur du polymère est plus grande. Par conséquent, la pression osmotique exercée par le gradient fait gonfler la chaîne polymère à mesure que d’autres ions diffusent.

Synthèse des polymères:

La voie de synthèse de l’acide polyacrylique est indiquée ci-dessous:

Na2S2O.8 est un initiateur radicalaire, qui polymérise les monomères de sel d’acrylate de sodium. L’agent de réticulation est ajouté dans la même étape.1

Capacité de gonflement:

Le degré de gonflement est certainement la première propriété et peut-être la plus importante d’un super absorbant commercial utilisé sur le marché des soins personnels. Cela est vrai non seulement parce que le gonflement est lié aux propriétés du réseau, mais aussi parce que le critère de performance principal pour les couches est la quantité de fluide absorbé par coût unitaire de la couche.1 Dans ce cas, la capacité de gonflement est d’environ 20 à 40 ml d’urine par gramme de polymère.2

Lorsque le polymère superabsorbant est plus réticulé, il est plus rigide à l’état gonflé. En améliorant la rigidité des particules, les particules gonflantes peuvent réellement écarter le composant fibreux du composite, préservant la porosité et la perméabilité lors du contact ultérieur avec le liquide. Cependant, cela doit être optimisé, car des particules excessivement dures provoqueront des fuites en déchirant la fibre environnante.

Comment l’absorption fonctionne:

Les polymères superabsorbants sont des réseaux réticulés de chaînes polymères flexibles. Les absorbeurs d’eau les plus efficaces sont les réseaux de polymères qui contiennent des groupes fonctionnels ioniques dissociés. En plus des chaînes moléculaires qui composent le réseau, cette image d’un réseau est remarquablement similaire à la masse des fibres de coton. La différence est que le coton absorbe l’eau par convection – l’eau est « aspirée », ce qui rend les fibres sèches humides; Les SAP fonctionnent par diffusion au niveau moléculaire car leurs «fibres» sont en fait des molécules à longue chaîne.

L’eau diffuse dans une particule de polymère superabsorbant lorsque la concentration en eau est initialement plus faible à l’intérieur de la particule. Lorsque l’eau pénètre dans la particule, elle gonfle pour absorber les molécules supplémentaires. Parce que les molécules de polymère sont réticulées, elles ne se dissolvent pas dans le liquide absorbant.

L’absorption sous charge et la stabilité du gel contre le cisaillement sont des propriétés importantes des polymères superabsorbants et sont fortement liées aux performances des couches. La fuite des couches était étroitement corrélée à la stabilité du gel au cisaillement. Des particules super absorbantes plus rigides créées en augmentant la réticulation fournissent un module de gel plus élevé et aident la particule à résister au rasage du poids du bébé.

Granulé:

Les polymères superabsorbants les plus largement disponibles sont des poudres granulaires dures, sèches, tout comme le sable blanc propre ou le sucre de table granulaire. Lorsque ces particules de polymère sont placées dans l’eau, une suspension d’eau se forme et les particules se forment. Progressivement, le polymère super absorbant absorbe l’eau et se transforme en un gel doux et caoutchouteux. En moyenne, les fibres duveteuses issues de la pâte de cellulose absorbent environ 12 g d’eau par gramme de fibre sèche, tandis que les polymères superabsorbants absorbent jusqu’à 1 000 g d’eau par gramme de polymère. 1

Réticulants:

De petites quantités de réticulants jouent un rôle important dans la modification des propriétés des polymères superabsorbants. En plus de modifier le gonflement et les propriétés mécaniques, l’agent de réticulation affecte la quantité de polymère soluble trouvée pendant la polymérisation en raison de sa réactivité relative avec l’acide acrylique ou l’acrylate de sodium. L’efficacité de la réticulation dépendra également de l’encombrement stérique et de la mobilité réduite à la place des doubles liaisons pendantes, de la tendance d’un dispositif de réticulation particulier à subir des réactions d’addition intermoléculaires et de la solubilité de l’agent de réticulation dans le mélange de monomères.1

Tension superficielle:

Dans un noyau de couche, des capillaires existent entre les fibres de pulpe duveteuse, les particules de polymère ou les deux en combinaison. La distribution du fluide dans le noyau de la couche est affectée par la tension superficielle du fluide qui s’écoule dans ces capillaires. Lors de l’utilisation, les impuretés peuvent être extraites d’un polymère super absorbant gonflé dans la solution externe. La tension superficielle de la solution permet au mouvement du fluide à travers les capillaires dans un noyau de couche d’être affecté par ces impuretés.2

Changement de température:

Les polymères superabsorbants sont utilisés dans des conditions où la température du système peut changer avec le temps. Par exemple, dans une couche, le polymère superabsorbant sera d’abord baigné dans une solution de sel et d’urée à la température interne du corps humain, mais le gel résultant se refroidira lentement au contact de l’environnement externe. Le degré et la vitesse de refroidissement dépendent du climat et d’autres facteurs environnementaux. Le coefficient de diffusion des polymères en solution dépend de la température et cela devrait se refléter dans le taux d’absorption des polymères superabsorbants.1

 

ENVIRONNEMENT

Général:

Étant donné que 90% de tous les matériaux superabsorbants sont utilisés dans des articles jetables, dont la plupart sont mis en décharge dans des décharges aux États-Unis ou par incinération en Europe du Nord, un problème environnemental a été observé avec les polymères superabsorbants. À la fin des années 80, les interdictions ou les taxes sur les couches jetables ont été interdites dans au moins 20 États. Cependant, l’analyse des couches jetables et des couches lavables fabriquées à la fin des années 80 a montré qu’il n’y a pas de choix clairement supérieur en termes d’impact environnemental.

Depuis lors, les couches jetables ont été adaptées pour utiliser moins de matières premières, ce qui devrait se traduire par une taxe sur les déchets solides plus faible, des coûts d’emballage et des coûts de transport inférieurs. Malgré l’analyse technique, les consommateurs considèrent les produits absorbants clairement jetables, en particulier les couches, comme un impact négatif sur l’environnement. Par conséquent, les fabricants de polymères super absorbants souhaitent développer des couches biodégradables ou d’autres produits absorbants. Les articles contenant des superabsorbants biodégradables peuvent être jetés dans les usines de compostage municipales ou jetés dans les toilettes pour être décomposés dans les fosses septiques domestiques ou les usines de traitement des eaux usées municipales. Plusieurs couches ont été commercialisées en prétendant être biodégradables, mais aucune n’a connu de succès commercial.

De plus, les avantages d’un polymère superabsorbant biodégradable ne seront pleinement réalisés qu’en combinaison avec une structure entièrement biodégradable, par exemple, une couche avec une feuille arrière biodégradable, des rubans, des adhésifs et des élastiques.1

Quantité de décharge:

Dans la vie d’un bébé, environ 8 000 à 10 000 couches jetables seront utilisées lorsque chacune de ces couches mettra environ 500 ans à tomber en décharge. 7 Ces couches sont remplies d’excréments corporels non traités. Plus de cinq millions de tonnes, qui pourraient potentiellement contenir des virus intestinaux, sont mises en décharge. La pollution des eaux souterraines peut être attribuée à cette forme d’élimination, car les insectes sont attirés vers les égouts où ils sont porteurs de maladies potentiellement transmissibles. Rien qu’en 1990, plus de 18 milliards de couches jetables ont été jetées dans les décharges américaines, qui n’étaient pas facilement biodégradables. Les couches elles-mêmes doivent être exposées à l’air et au soleil pour que le papier se décompose. Il convient également de garder à l’esprit que trente pour cent d’une couche jetable est en plastique et n’est pas compostable. Les usines de recyclage ne peuvent traiter que 400 sur 10 000 tonnes de couches, qui ne sont pas entièrement recyclables, dans les décharges.8 Ce numéro n’est valable que s’ils n’ont pas à traiter d’autres déchets compostables.

 

CONCLUSION:

Il y a plusieurs raisons pour le développement continu de polymères super absorbants avancés. Les fabricants de couches veulent réduire leurs coûts de production. Un super absorbant qui peut prendre d’autres rouleaux dans le noyau absorbant peut déplacer d’autres composants dans le noyau, ce qui réduit le coût des matières premières et simplifie la construction. Par exemple, une fibre superabsorbante qui peut fournir une absorption rapide de l’humidité et un bon drainage et transport des fluides pourrait déplacer les peluches de cellulose dans l’âme absorbante, conduisant potentiellement à une couche plus simple ou moins chère. D’autre part, les fabricants de couches de haute qualité essaient de différencier leurs produits pour facturer un prix plus élevé. Un super absorbant avancé qui offre des avantages de performance commercialisables, tels que la biodégradabilité d’un produit absorbant, peut être d’une valeur spéciale pour les fabricants de couches.

 

Références:

    1. Buchholz et Peppas, Superabsorbent Polymers, ACS Symposium Series, 1994.
    2. Buchholz et Graham, Modern Superabsorbent Polymer Technology, John Wiley & Sons, 1998.
    3. Polymères absorbants

: AMCOL International, 1996
http://www.amcol.com/fctbook/absor.htm

    1. Couches

: Procter & Gamble, 1995
www.pg.com/about/rnd/pampers3.htm

    1. Fried, Polymer Science and Technology, Prentice Hall, 1995.
    2. Polyacrylates

, Macrogalleria, 1999
www.psrc.usm.edu/macrog//acrylate.htm

    1. Thierry Lavallee, Pourquoi les couches en coton, BummisTM, 1999

http://www.bummis.com/why.html

  1. Ginny Caldwell, Cloth contre Jetable, Ecobaby, 1999

www.ecomall.com/greenshopping/diaper2z.htm

9. Flory, Principes de chimie des polymères, Cornell U. Press, 1953.

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