最初の講演—高吸水性ポリマー

最近注目されているSAPについてご紹介します！高吸水性ポリマー（SAP）は、新しいタイプの機能性高分子素材です。自身の数百～数千倍の重さの水を吸収する高い吸水機能と、優れた保水性能を有しています。一度水分を吸収してハイドロゲル状に膨潤すると、加圧しても水分が分離しにくくなります。そのため、パーソナルケア用品、工業生産、農業生産、土木工学など、様々な分野で幅広い用途があります。

高吸水性樹脂は、親水性基と架橋構造を有する高分子の一種で、ファンタ社などがデンプンにポリアクリロニトリルをグラフト重合し、鹸化することで初めて製造しました。原料によって、デンプン系（グラフト重合、カルボキシメチル化など）、セルロース系（カルボキシメチル化、グラフト重合など）、合成ポリマー系（ポリアクリル酸、ポリビニルアルコール、ポリオキシエチレン系など）に分類されます。デンプンやセルロースと比較して、ポリアクリル酸系高吸水性樹脂は、製造コストが低く、製造工程が簡単で、生産効率が高く、吸水力が強く、製品の保存期間が長いなど、多くの利点があり、現在、この分野の研究のホットスポットとなっています。

この製品の原理は何ですか？現在、ポリアクリル酸は世界の高吸水性樹脂生産量の80%を占めています。高吸水性樹脂は一般的に親水基と架橋構造を含む高分子電解質です。吸水前は、ポリマー鎖が互いに近接し、絡み合って架橋し、ネットワーク構造を形成することで、全体的な固定を実現しています。水と接触すると、水分子は毛細管現象と拡散によって樹脂に浸透し、鎖上のイオン化基は水中でイオン化します。鎖上の同じイオン間の静電反発により、ポリマー鎖は伸張して膨潤します。電気的に中性である必要があるため、対イオンは樹脂の外部に移動できず、樹脂内外の溶液のイオン濃度差によって逆浸透圧が形成されます。逆浸透圧の作用により、水はさらに樹脂内に浸透し、ハイドロゲルを形成します。同時に、樹脂自体の架橋ネットワーク構造と水素結合は、ゲルの無制限な膨張を制限します。水に少量の塩が含まれている場合、逆浸透圧が低下し、同時に対イオンの遮蔽効果によりポリマー鎖が収縮し、樹脂の吸水能力が大幅に低下します。一般的に、0.9％NaCl溶液における高吸水性樹脂の吸水能力は、脱イオン水の約1/10にすぎません。吸水性と保水性は、同じ問題の2つの側面です。林潤雄らは熱力学でこれらを議論しました。特定の温度と圧力下では、高吸水性樹脂は自発的に水を吸収することができ、水が樹脂に入り込み、平衡に達するまでシステム全体の自由エンタルピーを低下させます。樹脂から水が逃げて自由エンタルピーが増加すると、システムの安定性に役立ちません。示差熱分析の結果、150℃以上でも高吸水性樹脂に吸収された水の50%はゲルネットワーク内に留まっていることが分かりました。そのため、常温で圧力を加えても高吸水性樹脂から水分が逃げることはありません。これは高吸水性樹脂の熱力学的特性によるものです。

次回は、SAP の具体的な目的について説明します。