پلیمرهای سوپرجاذب: از سیستم‌های تولیدکننده میکروپلاستیک قدیمی تا جایگزین‌های پایدار، زیست تخریب‌پذیر و آینده‌نگر

چکیده

مرجع پلیمر در بازار ایران (پلیم پارت) : پلیمرهای سوپرجاذب[1] (SAP) نقش مهمی در زندگی روزمره ما دارند، به دلیل اینکه در محصولات بهداشتی، کشاورزی، ساختمانی و غیره استفاده می‌شوند. موفق‌ترین نوع SAPهای تجاری مورد استفاده، بر پایه آکریلات هستند که شامل پلی‌(اسید اکریلیک)ها، پلی‌(اکریلامید)ها، پلی‌(اکریلونیتریل)ها و نمک‌های آنها می‌باشند.  SAPهای مبتنی بر آکریلات خواص جاذب آب بهتری دارند، اما وزن مولکولی بالایی دارند و علاوه بر آن، زنجیره اصلی پیوند عرضی شده و کاملا مبتنی بر اتم­های کربن می­باشند. این عوامل موجب تجزیه پذیری (زیستی) ضعیفی در آن­ها می‌شوند، که تأثیر مخربی بر محیط زیست دارند. به گونه‌ای که مواد حاوی SAP ممکن است در پایان عمر خود به پایان برسند. علاوه بر این، مواد خام جهت تولید SAPهای مبتنی بر آکریلات عمدتاً مبتنی بر منابع نفتی هستند. از نقطه نظر پایداری، منابع زیستی، جایگزینی ایده‌آل برای انواع مبتنی بر منابع فسیلی خواهند بود. برای غلبه بر نواقص SAPهای موجود، SAPهای زیستی و تجزیه پذیر مورد نیاز می­باشد. در این مقاله مروری، در ادامه موضوعات نامبرده شده مورد بحث قرار خواهند گرفت: (1) تاریخچه توسعه فناوری و جدیدترین SAPهای فعلی. (2) اصول طراحی SAPها. (3) معرفی عمیق و بحث در مورد ویژگی‌های ساختاری و ویژگی‌های انواع مختلف SAPهای مشتق شده از منابع فسیلی یا تجدیدپذیر و (4) SAP‌های جدید مبتنی بر پلیمریزاسیون تراکمی[2]، زیست تخریب‌پذیر با کاربردهای بالقوه صنعتی.

نتیجه گیری و چشم انداز

با توجه به افزایش جمعیت جهان و همچنین افزایش میانگین سنی جامعه، مصرف پوشک بچه و محصولات مرتبط با بی‌اختیاری بزرگسالان نیز افزایش یافته است. این روند نقش حیاتی در شکل‌دهی بازار جهانی سوپرجاذب­ها را دارد. امروزه، SAPهای مبتنی بر پلی‌اکریلات بر بازار تسلط دارند. اما، آنها زیست تخریب پذیر نبوده و در طبیعت رها شده یا در معرض سوزاندن قرار گرفته که هر کدام، آسیب زیادی به محیط زیست وارد می‌کنند. علاوه بر این، مقررات جدیدی که استفاده از محصولات پلاستیکی یکبار مصرف به ویژه گونه‌های تولید کننده میکروپلاستیک­های ماندگار را ممنوع می‌کند که در آینده (نزدیک) لازم الاجرا خواهند شد. ما معتقدیم که توسعه SAPهای زیست تخریب پذیر جایگزین می­تواند راه حل نهایی سازگار با محیط زیست برای مقابله با مسائل فوق باشد. در کنار مسائل زیست محیطی ذکر شده، کاهش ذخایر نفتی یکی دیگر از مشکلات بزرگی است که بشر با آن مواجه است. برای غلبه بر کمبود منابع نفتی، استفاده از پلیمرهای تجدیدپذیر شامل سلولز، نشاسته و غیره برای تولید SAPها، راه حل خوبی به نظر می‌رسد. متأسفانه، SAPهای مبتنی بر پلیمرهای طبیعی معمولاً دارای ظرفیت جذب نامناسب یا استحکام ژل بسیار اندکی پس از متورم شدن هستند که کاربرد گسترده آنها را به عنوان محصولات بهداشتی محدود می‌کند.

فارغ از استفاده از ماکرومولکول‌های موجود، SAPهای قابل هیدرولیز و از نوع پلیمریزاسیون تراکمی سنتز شده از مونومرهای تجدیدپذیر، می­توانند با دو مشکل بزرگ فوق مقابله کنند. تاکنون، تنها یک مثال در مطالعات صورت گرفته، موجود می­باشد که نشان می‌دهد این نوع SAP احتمالا می­تواند راه حل عملی ارائه دهند، اما فرآیند گزارش شده نیازمند اصلاح است (ظرفیت جذب: فقط 22 گرم آب مقطر/گرم SAP) [1]. متأسفانه، زیست تخریب پذیری SAP مبتنی بر پلی‌استر گزارش شده، مورد بررسی قرار نگرفته است. چالش اساسی این است که به طور قابل توجهی ظرفیت جذب آب این نوع SAPها را افزایش داده شود. با انتخاب مونومرها و اتصال دهنده­های بیشتر آبدوست، نگهداشتن غلظت بسیار بالایی از اسید کربوکسیلیک خنثی شده و بهینه سازی دانسیته پیوند عرضی با استفاده از واحدهای اتصال دهنده زیست تخریب پذیر، امکان تولید SAPهای زیست تخریب پذیر بیولوژیکی فراهم می­شود.  در این مقاله مروری، با ارائه یک نمای کلی از انواع مختلف SAPها، تلاش شد تا برای محققان دانشگاهی و صنعتی به منظور شروع کار بر روی طراحی SAPهای زیستی و زیست تخریب پذیر انگیزه ایجاد کند. از نظر ما، SAPهای زیستی مبتنی بر پلیمریزاسیون تراکمی و با ویژگی زیست تخریب‌پذیر بودن، امیدوارکننده‌ترین و مقاوم‌ترین انواع پلیمرهای سوپرجاذب است که کاملاً مطابق با راهبرد جدید آینده­نگرانه است که با هدف جلوگیری از تشکیل میکروپلاستیک‌های پایدار در محیط زیست انجام می‌شود.

تاکنون، SAPهای زیست تخریب پذیر اساساً با استفاده از پلیمرهای طبیعی مانند سلولز، کیتوزان و نشاسته تولید می‌شدند. برای به دست آوردن ظرفیت جذب آب کافی، استفاده از آکریلات‌های اضافی روی این بسترها اجتناب ناپذیر است. زیست تخریب پذیری آنها، عمدتاً از قسمت پلیمری طبیعی ناشی می‌شود و اجزای اکریلیک آویز غیر قابل تجزیه باقی می‌مانند. وزن کل اجزا آکریلات به‌طور کلی بیش از 50 درصد وزنی است. قابل ذکر است که به صورت منطقی،  پس از تخریب شدن زنجیره اصلی پلیمری، محصولات ذکر شده تولید میکروپلاستیک می­نمایند. بنابراین، ما معتقدیم که تمرکز علمی باید بر روی ابداع SAPهای جدید با شبکه کاملاً زیست تخریب پذیر باشد. این کار از نظر چگونگی به دست آوردن تعادل بین جذب آب مناسب، خواص مکانیکی کافی و زیست تخریب پذیری خوب حتی در دانسیته‌های اتصال عرضی بالا چالش برانگیز است. همانطور که در این مطالعه مورد بحث قرار داده شد، نوع  پلیمریزاسیون تراکمی SAPها به ویژه آنهایی که از واحدهای سازنده زیستی با ساختارهای شیمیایی منحصر به فرد استفاده می‌کنند، می‌تواند یک مسیر تحقیقاتی امیدوارکننده باشد، اما پروتکل‌های نوآورانه‌تری برای ایجاد پیشرفت‌های واقعی در این زمینه کماکان مورد نیاز است. بدون شک، زمانی که از محصولات بهداشتی زیست تخریب پذیر بحث می­شود، موفقیت در ساخت SAPهای زیست تخریب پذیر مرحله تعیین کننده‌ای می­باشد.

[1] superabsorbent polymers (SAPs)

[2]  polycondensate-based

source : Superabsorbent Polymers

ترجمه و ویرایش : ملیحه سبزه کار