Superabsorbent w pieluszce pęcznieje dzięki naładowanej sieci polimerowej — i dlatego słona woda osłabia jego działanie
Rdzeń wielu produktów higienicznych zawiera usieciowany poliakrylan sodu. Po kontakcie z wodą grupy –COO⁻ pozostają związane z polimerem, a Na⁺ może się przemieszczać w fazie wodnej. Duże stężenie ruchliwych jonów wewnątrz sieci tworzy ciśnienie osmotyczne zasysające wodę, a wzajemne odpychanie ujemnie naładowanych segmentów pomaga rozciągać łańcuchy. Kowalencyjne mostki zapobiegają rozpuszczeniu polimeru, więc tworzy się miękki hydrożel. W roztworze soli różnica osmotyczna maleje, a kationy ekranują odpychanie –COO⁻, dlatego ten sam gram superabsorbentu chłonie znacznie mniej płynu niż czystej wody.
Poliakrylan jest polielektrolitem
Każda powtarzająca się jednostka może nieść grupę karboksylanową. Ładunki są przywiązane do długiego łańcucha, a przeciwjony pozostają bardziej ruchliwe. To tworzy nierównomierny rozkład jonów pomiędzy żelem i otoczeniem.
Równowagę pęcznienia polielektrolitu opisuje połączenie teorii mieszania Flory’ego–Hugginsa, sprężystości sieci i wkładu Donnana od nierównomiernego rozkładu jonów. Woda jest chemicznie dobrym rozpuszczalnikiem dla grup karboksylanowych, przeciwjony zwiększają ciśnienie osmotyczne, a rozciągnięte łańcuchy stawiają opór entropowy. Wielokrotne „chłonie wodę, bo lubi wodę” pomija właśnie ten bilans konkurujących terminów energii swobodnej.
Osmotyczna różnica napędza napływ wody
W czystej wodzie stężenie ruchliwych jonów w sieci jest większe niż na zewnątrz. Rozpuszczalnik dyfunduje do żelu, aby zmniejszyć tę różnicę potencjału chemicznego.
Ładunki na łańcuchach wzajemnie się odpychają
Grupy –COO⁻ mają tendencję do oddalania się. Rozciągnięcie polimeru zwiększa objętość porów i pozwala sieci pomieścić więcej wody. Elektrostyczny wkład współpracuje z osmozą i dobrym powinowactwem grup karboksylanowych do H₂O.
W płynie fizjologicznym znajdują się Na⁺, K⁺, Cl⁻ i inne jony, dlatego laboratoryjna chłonność SAP podawana dla wody dejonizowanej może być wielokrotnie większa niż praktyczna chłonność moczu czy soli fizjologicznej. Producenci oceniają więc zarówno free swell, jak i retencję pod naciskiem w roztworach jonowych. Rekordowa liczba gramów czystej wody na gram proszku nie opisuje automatycznie działania produktu higienicznego.
Sieciowanie zapobiega rozpłynięciu się polimeru
Gdyby łańcuchy były całkowicie niezależne, dobrze uwodniony poliakrylan po prostu rozpuściłby się. Niewielka liczba mostków kowalencyjnych łączy je w jedną makroskopową sieć, która może pęcznieć, ale nie odpływa.
Elastyczność sieci zatrzymuje pęcznienie
W miarę wzrostu objętości rozciągnięte łańcuchy wywierają coraz większą siłę sprężystą przeciwną dalszemu napływowi. Stan równowagi powstaje, gdy osmotyczne i mieszaniowe korzyści zrównoważą koszt rozciągania.
Jony wielowartościowe, np. Ca²⁺, mogą osłabiać pęcznienie jeszcze silniej niż Na⁺. Oprócz ekranowania ładunku mogą tworzyć mostki pomiędzy dwiema grupami –COO⁻, działając jak dodatkowe odwracalne usieciowanie. Sieć kurczy się i staje sztywniejsza. Ten sam mechanizm jonowego sieciowania występuje w pektynach i alginianach, pokazując wspólną fizykochemię bardzo różnych hydrożeli.
Sól zmniejsza różnicę potencjału osmotycznego
NaCl dodany na zewnątrz podnosi stężenie jonów poza żelem. Jednocześnie Na⁺ ekranuje ujemne grupy polimeru, zmniejszając ich wzajemne odpychanie. Oba efekty ograniczają pęcznienie.
Więcej usieciowania to mniej pojemności, ale większa wytrzymałość
Rzadsza sieć może napęcznieć mocniej, lecz staje się miękka i łatwiej deformowalna. Gęstsza utrzymuje kształt pod obciążeniem, ale mieści mniej wody. Projekt superabsorbentu jest kompromisem pomiędzy maksymalną chłonnością i retencją płynu pod naciskiem.
W pieluszce SAP współpracuje z włóknami celulozowymi i warstwami transportującymi ciecz. Proszek nie może pęcznieć w jedną zwartą bryłę blokującą dalszy przepływ — zjawisko gel blocking ograniczałoby dostęp cieczy do głębszych ziaren. Rozmiar cząstek, powierzchniowe dodatkowe usieciowanie i architektura wkładu są projektowane tak, by połączyć szybkość wchłaniania, pojemność i retencję pod naciskiem.
Superabsorbent nie tylko zatrzymuje wodę, ale zmienia jej ruchliwość. Większość cząsteczek H₂O pozostaje ciekła w nanometrowych i mikrometrowych przestrzeniach sieci, lecz dyfuzja jest spowolniona przez tortuozję i oddziaływania z grupami jonowymi. Dlatego napęczniały żel nie zachowuje się jak woreczek z wolną wodą: może utrzymywać płyn przy umiarkowanym nacisku. Pod większym obciążeniem równowaga się przesuwa i część wody zostaje wypchnięta, co prowadzi do praktycznej miary absorbency under load. Chłonność produktu jest zatem właściwością mechaniczną i osmotyczną jednocześnie.