Polymères superabsorbants (PSAs)

Polymères superabsorbants (PSAs)

Les PSAs sont classés comme des gels hyper hydrophiles ou hydrogels (Bahaj et al., 2010). Ils sont formés d’une part par des chaînes macromoléculaires réticulées qui empêchent leur dissolution et d’autre part par des groupes fonctionnels ioniques dissociés, qui leur confèrent une capacité d’absorption et de rétention d’eau (ou toute solution aqueuse) très importante par rapport à leur propre masse (Farkish, 2013). Les solutions absorbées par les PSA sont difficilement récupérables même sous l’effet de la pression et de la température comparativement aux autres matériaux absorbants traditionnels tel que les tissus en coton ou en soie, les éponges et les papiers (ZohuriaanMehr et Kabiri, 2008). Les chaines de polymère s’étalent et s’élargissent par l’effet de la répulsion électrostatique des charges négatives attirées par les liaisons d’hydrogène avec des quantités supplémentaires d’eau tout en maintenant la structure dimensionnelle physique (Kinney et Scranton, 1994). Il s’agit de matières organiques avec une capacité extraordinaire d’absorption de liquide.

Les PSAs se présentent généralement sous forme granulaire (poudre blanche similaire à celle du sucre ou du sel de table). Ils ont été commercialisés au Japon à la fin des années 1980. Leurs premières utilisations, sous formes de couches et des articles de soins pour adultes, étaient dédiées au secteur de l’hygiène pour l’absorption des fluides corporels (Mechtcherine et Reinhardt, 2012). La production mondiale de PSA durant l’année 2010 a été évaluée à environ 2,8 millions de tonnes par an (EDANA, 2010).

Types de PSA

Différentes classifications peuvent être utilisées pour les PSAs et elles sont basées sur l’origine, la structure chimique de polymère, les propriétés thermiques et mécaniques et les charges électriques (Zohuriaan-mehr et kabiri, 2008a; El Mahboub,2017).

Selon l’origine on peut distinguer deux classes qui sont les polymères synthétiques et naturels :

• Les polymères naturels peuvent être constitués de cellulose, de caoutchouc, de protéine, de laine ou d’amidon;
• Les polymères synthétiques peuvent être soit des polyéthylène (PE), des polychlorures de vinyle (PVC), des polystyrène (PS) et de polyéthylène téréphtalate (PET).

Les polymères d’origines naturelles sont obtenus à partir de sources végétales ou animales. Cette catégorie appartient à toutes les familles de polysaccharides (cellulose, amidon, etc.), protéines (laine, soie, etc.), caoutchouc naturel. Ils sont préparés actuellement par l’addition de produits synthétiques dans un substrat naturel. À titre d’exemple, on peut citer la copolymérisation par greffage de monomères vinyliques sur des polysaccharides. Ces polymères naturels peuvent être divisés en deux groupes principaux à savoir : les hydrogels à base de polysaccharides et hydrogels à base de polypeptides.

Les polymères polysynthétiques qui constituent la plupart des polymères commerciaux sont principalement constitués à base de matériaux synthétiques issus de produits pétrochimiques. Ils sont généralement obtenus par polymérisation de molécules monomères à partir de l’acide acrylique (AA), de ses sels et d’acrylamide (AM) (Ehrnsperger et al., 2006).

La structure chimique peut être également utilisée dans la classification des polymères. Ainsi on peut distinguer les polymères linéaires, ramifiés et réticulés (Willay et al., 2007). On peut aussi différencier les polymères selon le type de monomère utilisé :
• Les homopolymères : formés à partir d’un monomère unique comme le Polystyrène (PS);
• Les copolymères : formés à partir de monomères différents (Exemple Polyéthylène téréphtalate PET).

Les propriétés thermiques et mécaniques peuvent être également utilisées dans la classification des polymères. La variété de propriétés résulte de la différence au niveau de la structure des polymères et des interactions ou liaisons entre les chaînes.

Finalement, la présence ou l’absence d’une charge électrique dans les chaînes réticulées peut être également utilisée dans la classification des PSAs. Ainsi on peut distinguer : les groupes ioniques comprenant des anions et des cations, les électrolyte amphotère (ampholyte) contenant à la fois les groupes basiques et les acides et les zwittérionique (bétaïnes) contenant à la fois des groupes ioniques et cationiques, dans chaque motif structural répétitif (Zohuriaan-mehr et kabiri, 2008a; Farkish, 2013).

Propriétés des PSAs

Les PSAs sont utilisés dans divers secteurs d’activité en raison de leurs propriétés (Farkish, 2013; Zohuriaan-Mehr et Kabiri, 2008 ; Buchholz et al., 1994). Parmi les propriétés les plus importantes des PSAs on peut citer :
• La capacité d’absorption élevée qui est l’une des propriétés la plus importante des PSAs. Ces matériaux peuvent absorber et retenir des quantités de liquide très importantes par rapport à leur propre masse (10-1000 g/g).
• L’absorption sous charge (Absorption Under Load) : en raison de la réticulation entre les chaines des PSAs formant une structure solide, ces matériaux ne se dissolvent pas sous une pression modérée. Cette caractéristique est la clé de succès de la commercialisation des PSAs.
• L’équilibre de gonflement : le potentiel chimique de l’eau à l’intérieur et à l’extérieur d’un gel doit être égal à l’équilibre de gonflement. Ainsi, les contributions élastiques entre les PSAs et la solution s’équilibreront mutuellement. Ce paramètre est très utile notamment dans les applications biomédicales (Ratne et al., 2004).
• La non-toxicité : les PSAs sont des matériaux facilement utilisables qui ne libèrent pas des substances toxiques dans l’environnement lors de leur dégradation.
• La réutilisabilité : le coût élevé des PSAs peut être considéré comme un inconvénient; toutefois ce coût peut être réduit en ayant recours au recyclage ou à la réutilisation des polymères. Ainsi, les PSAs peuvent être réutilisés plusieurs fois (jusqu’à cinq à sept fois) avec des taux de gonflement à peu près similaires après chaque désorption.
• La photo-stabilité : une autre caractéristique importante des PSAs réside dans le fait qu’ils résistent aux variations de l’énergie rayonnante et notamment à la lumière. Un avantage permettant une durabilité de leur application et leur stabilité dans différentes situations.

Toutefois, il est évident qu’un seul type de PSA ne présente pas forcément toutes ces caractéristiques et que l’obtention de certaines d’entre elles entraîne l’inefficacité des autres (Buchholz, 1998), d’où la nécessité de sélectionner adéquatement le type de PSA et en fonction de l’utilisation à laquelle ils sont destinés en vue de garantir les meilleurs résultats (Kabiri et Zohuriaan-Mehr, 2003; Farkish et al., 2013).