Đầu năm 1960, Sở Nông nghiệp Hoa Kỳ (USDA) đã tiến hành các nghiên cứu trên nguyên vật liệu để cải thiện việc giữ nước trong đất. Họ phát triển một loại nhựa dựa vào việc ghép các polyme Acrylonitrile lên khung của những nguyên tử tinh bột.

Sản phẩm của các quá trình thuỷ phân tạo ra co-polymer Acrylonitrile-tinh bột đã hấp thu lượng nước lớn hơn 400 lần trọng lượng của nó. Ngoài ra, các gel này có khả năng giữ lại nước, điều mà các sợi hấp thụ không làm được. Các polymer được biết đến như là “Super Slurp”. USDA đã chuyển giao các kỹ thuật cho một số công ty Hoa Kỳ để phát triển các công nghệ cơ bản này. Hàng loạt các kết hợp công nghệ đã được thử với acrylic, acid acrylamide và polyvinyl rượu (PVA).

Do những công ty Nhật không được USDA chuyển giao công nghệ nên họ bắt đầu nghiên cứu độc lập cách sử dụng tinh bột, cacboxyl methyl cellulose (CMC), axít acrylic, polyvinyl alcohol (PVA) và isobutylene maleic anhydride (IMA). Trên toàn cầu đã có nhiều công ty tham gia vào việc phát triển hoá học siêu thấm bao gồm Dow Chemical, Hercules, General Mills Chemical, Dupont, National starch & Chemical, Enka (Akzo), Sanyo Chemical, Sumitomo Chemical, Kao, Nihon Starch và Japan Exlan.

Trong những năm đầu thập niên 1970, lần đầu tiên polyme siêu thấm đã được sử dụng trong thương mại, không chỉ dùng cho việc cải tạo đất mà còn được ứng dụng trong các sản phẩm vệ sinh sử dụng một lần. Những sản phẩm đầu tiên được đưa ra thị trường là băng vệ sinh dành cho phụ nữ và sản phẩm dành cho người lớn. Trong năm 1978, Davis Park sử dụng polymers siêu thấm trong giấy vệ sinh. Năm 1982, lần đầu tiên ở Châu Âu, Schickendanz và Beghin - Say đã thêm polymer siêu thấm vào lõi thấm hút của tã giấy em bé. Sau đó, UniCharm giới thiệu sản phẩm tã trẻ em siêu thấm tại Nhật Bản trong khi ở Hoa Kỳ Proctor & Gamble và Kimberly - Clark mới bắt đầu sử dụng.

Sự phát triển của công nghệ siêu thấm và nhu cầu ngày càng cao của xã hội nên các sản phẩm dùng trong vệ sinh và y tế ngày càng được hoàn thiện trên cơ sở các vật liệu thấm hút trước đây. Bên cạnh Polymers siêu thấm dạng hạt, ARCO phát triển một công nghệ siêu thấm dạng sợi vào đầu những năm 1990. Công nghệ này cuối cùng đã được bán cho Camelot Absorbents. Hiện nay dù giá thành cao hơn polymer siêu thấm dạng hạt, polymer siêu thấm dạng sợi được ứng dụng khá nhiều trong kỹ thuật như sản xuất vỏ cáp, thiết bị y tế và bao bì thực phẩm.

Bột siêu thấm (SAP - SuperAborbent Polymer) thường có 2 loại:

- Dạng hạt, thường thấy trong các sản phẩm cây trồng không cần đất, các hạt polyme tròn, trong suốt, được nhuộm nhiều màu sắc, hút no nước nên căng tròn. Nhà sản xuất thường bổ sung thêm các dưỡng chất cung cấp cho cây trồng phát triển bằng cách hòa tan chất dinh dưỡng chung với nước, khi hút nước, hạt polyme sẽ hút luôn chất dinh dưỡng vào các khoang rỗng và giữ chất dinh dưỡng cho cây (thường thấy trong siêu thị, chợ, hội chợ nông sản ,,,,)

- Dạng bột, thường thấy trong tã em bé, khi hút nước, polyme sẽ giữ nước lại và không chảy ngược trở lại, lượng nước hút >=100 lần trọng lượng polyme. Đây là một trong những ưu điểm lớn nhất của polyme siêu thấm hút.

Polymer siêu thấm được ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp và vật liệu xây dựng; trong công nghiệp như hoá dầu, sản xuất cáp, giấy, bộ cảm biến, thiết bị phòng cháy chữa cháy, các sản phẩm sợi, trong công nghệ bảo quản thực phẩm, đồ chơi trẻ em; trong y tế và các lĩnh vực khác.

1. Ứng dụng trong nông nghiệp

- Được sử dụng để giữ nước cho đất, tiêu biểu là SAP - SuperAborbent Polymer.

- SAP được tổng hợp từ acid acrylic và tinh bột sắn biến tính. Ngay khi gặp nước, nó nở ra thành khối gel trong suốt, giống một miếng bọt xốp. Gel giữ nước khá chặt, tuy nhiên, thực vật vẫn có thể dễ dàng hút nước từ vật liệu này để sinh trưởng và phát triển. Nhờ vậy, SAP có thể được xem như một loại vật liệu chứa và điều tiết nước cho đất: nó hút nước khi mưa và nhả ra từ từ, khiến cây không bị chết khát trong những ngày khô hạn.

- Loại vật liệu này khi gặp nước có thể nở ra gấp 300-400 lần, giúp giữ ẩm cho những vùng đất khô hạn, đất cát hoặc trên đồi núi, nơi nước dễ trôi đi. Đây là lối thoát hữu ích cho những vùng đang khát của Việt Nam.

- Sản phẩm đã được thử nghiệm trong việc trồng keo tai tượng trên đất cát Quảng Trị, cà phê tại Đăk Lăk, bông tại Đồng Nai, ngô tại Hoàng Su Phì (Hà Giang), cỏ sữa tại Thanh Ba (Phú Thọ)… Kết quả cho thấy, SAP có khả năng giữ ẩm rất tốt, giảm thất thoát nước đáng kể, làm tăng gấp đôi năng suất cỏ sữa.

- Ước tính sau một trận mưa, do quá trình bay hơi chậm, đất bổ sung SAP có thể giữ được nước lâu hơn 10-15 ngày so với đất không chứa SAP. Cũng do đặc tính trương nở, loại vật liệu này còn có tác dụng cải tạo đất thịt, đất sét, giúp cho việc thoát, lưu thông và giữ nước hợp lý. SAP phát huy hiệu quả tốt nhất trên những vùng đất canh tác phải dùng nhiều nước tưới, như: đất trồng cà phê, bông, đất cát, đất trên các đồi núi thiếu thảm phủ thực vật…

- SAP có thể được bón cùng với phân vi lượng, nó sẽ hút các chất dinh dưỡng và nhả dần ra cho cây trồng. Do đó, các chất này không bị thất thoát khi mưa xuống, giúp tiết kiệm phân và làm tăng năng suất, đồng thời giảm được ảnh hưởng tới môi trường.

- SAP không độc hại, là chất có khả năng phân huỷ sinh học, nên không hề gây hại đến môi trường. Nó có thể phát huy tác dụng trữ nước trong 2 năm, và phân huỷ sau khoảng 3-4 năm.

- Polymer siêu thấm cũng rất có ích trong việc trồng cây cảnh, là loại cây sống trong bồn, ít đất và không thông thoáng, cụ thể là dạng đất tinh thể (crystal soil) có tính chất tương tự như VICHEMSAP400,  được sử dụng trong lĩnh vực trang trí cây cảnh. Nó có khả năng thấm hút nước từ 1200-1800lần; vừa có tác dụng giữ nước, chứa các chất dinh dưỡng cung cấp cho cây, vừa có thể tạo mỹ quan cho cây cảnh.

2. Ứng dụng trong y tế

- Hỗn hợp giữa bông và bột siêu thấm (Super Absobent Polymer) có tính thấm hút và giữ nước tốt nên được ứng dụng trong sản xuất các sản phẩm chăm sóc cá nhân như tã giấy và băng vệ sinh,...

- Bột siêu thấm (Super Absobent Polymer - SAP): Là linh hồn của tã giấy. Tính hút nước của tã là nhờ vào vai trò của một loại polymer - polyacrylate; loại đơn giản nhất của vật liệu này là Natri polyacrylate.

- Khi hút nước phản ứng hoá học xảy ra khiến bột SAP giữ chất lỏng lại bên trong phân tử mà không cho nó thoát ra ngoài, chính điều này khiến cho bề mặt tã giấy trở nên khô ráo sạch sẽ. Bột SAP trông li ti như hạt muối tinh, khi hút nước có thể trương nở gấp rất nhiều lần so với trọng lượng ban đầu.

Cơ chế:

- Trong phân tử, các nhóm cacboxylate đươc đính vào mạch chính. Khi tiếp xúc với nước, Na bị tách ra chỉ để lại ion cacboxyl. Do mang điện tích âm nên các ion này đã đẩy lẫn nhau làm cho mạch polymer dãn ra và hút các phân tử nước có tương tác với các nguyên tử Na. Ngoài ra vật liệu polymer có khối lượng phân tử lớn hơn một triệu nên nó không hoàn tan trong nước mà lại hoá rắn thành dạng gel.

- Chất siêu thấm trên cơ sở polymer acrylate có khả năng thấm một lượng nước lớn gấp 800-8000 lần trọng lượng của nó. Tuy nhiên, độ hút nước của chất liệu này đối với dung dịch muối khoáng (như nước tiểu chứa khoảng 0.9% khoáng chất) bị giảm đi 10 lần vì trong dung dịch muối khoáng có các ion hoà tan gây cản trở tính hút nước.

3. Ứng dụng trong các lĩnh vực khác

- Trong thiết bị phòng cháy chữa cháy: có thể trộn vật liệu polymer siêu thấm cùng với chất kết dính, tạo thành một hỗn hợp hỗ trợ cho việc dập tắt đám cháy.

Cơ chế:

- Khi dung dịch cứu hoả phun ra sẽ kết hợp với hỗn hợp này ngay, nhờ vậy dung dịch cứu hỏa sẽ được phân tán rộng do polymer trương nở bao lấy đám cháy, đồng thời do nó giữ dung dịch, nên tác dụng giữ nhiệt sẽ lâu hơn.

- Trong đồ chơi trẻ em: ứng dụng trong việc tạo tuyết nhân tạo cũng dưa trên cơ sở hấp thụ nước và trương nở của polymer siêu thấm.

Thanh Hòa