Les polymères superabsorbants

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Quel est le rapport entre la neige artificielle, les couches pour bébé ou l'isolation de câbles électriques ?

Tous ont un lien avec les polymères superabsorbants qui ont fait leur apparition dans notre quotidien à la fin des années 80. Ces matériaux de synthèse ont en effet peu à peu supplanté leurs équivalents naturels, telles les éponges, grâce à des propriétés d'absorption de l'eau modulables et à leur efficacité exceptionnelle : ils sont capables d'absorber plusieurs centaines de fois leur masse en eau !

Durée de la vidéo : 5min21

Les polymères superabsorbants (SAP) ont fait leur apparition en 1938, puis ont été étudiés en détail dans les années 50⁽¹⁾. Il a fallu attendre la fin des années 80 pour les voir apparaître dans nos magasins en Europe⁽²⁾. D'abord composées d'un mélange de SAP et de cellulose, les parties absorbantes des couches-culottes ne contiennent maintenant plus que des superabsorbants, rendant ces dernières à la fois plus fines et plus efficaces⁽³⁾. Les évolutions de la production en SAP sont étroitement liées à la fabrication des produits d'hygiène corporelle, malgré une utilisation relativement diversifiée, avec une consommation mondiale de l'ordre de 700 000 tonnes en 1999⁽³⁾.

Les polyacrylates sont synthétisés par polymérisation radicalaire de l'acide acrylique, initiée photochimiquement ou chimiquement, en utilisant un initiateur de radicaux tel le peroxodisulfate d'ammonium ((NH₄)₂S₂O₈). La copolymérisation avec des agents ramifiants permet de contrôler la taille et la structure des chaînes polymériques, donc les propriétés du matériau obtenu.

Les polymères superabsorbants forment un réseau de chaînes carbonées portant des fonctions acide carboxylique et carboxylate dans des proportions contrôlées au moment de la polymérisation.

Figure 1. 

D'un point de vue macroscopique, l'aspect des polymères varie selon leur degré de réticulation. Cet aspect structurel est directement lié aux propriétés physico-chimiques du polymère obtenu, en particulier l'absorption de l'eau par cette matrice hydrosoluble.

Les forces motrices expliquant l'absorption de l'eau par les polymères superabsorbants sont principalement la formation de liaisons hydrogène (des molécules d'eau s'insèrent dans le réseau polymérique et minimisent les répulsions électrostatiques) et la pression osmotique (milieu ionique à l'intérieur du polymère, milieu neutre à l'extérieur). Pratiquement, pour un polymère donné, le pH (protonation des fonctions carboxylates) et la force ionique du liquide absorbé influencent très fortement l'absorption. Ce dernier point est un facteur très limitant : l'absorption des SAP utilisés dans les couches est dix fois moins importante pour du liquide physiologique que pour de l'eau pure. C'est d'ailleurs la raison pour laquelle les couches superabsorbantes contiennent jusqu'à 15 g de SAP alors que 5 g sont suffisants pour absorber un litre d'eau pure.

Les méthodes de polymérisation et la réticulation sont également deux facteurs importants : ils permettent de jouer sur la surface spécifique du polymère et donc sur sa vitesse d'absorption. Ainsi, les SAP pour les couches de bébé se présentent sous forme de petites billes dont la structure est hautement réticulée ; ils absorbent donc très lentement. En revanche, les SAP utilisés pour l'isolation des câbles de communication offrent une très haute surface spécifique : ils absorbent les liquides si rapidement qu'une couche de gel imperméable se crée à l'interface liquide / polymère, empêchant la diffusion de l'eau. On appelle ce dernier phénomène le "gel-blocking".

Beaucoup d'autres applications des SAP peuvent être énumérées, telle la fabrication de neige artificielle (le polymère prend un aspect floconneux après absorption de l'eau), l'utilisation en agriculture (rétention de l'eau au voisinage des plants) ou encore le contrôle de l'humidité.