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高分子水凝膠

也許你還記得某次春晚魔術表演,魔術師讓助手或者主持人上杯子,然後往杯子裡倒水,一邊念念有詞,說你可要看好了,笃悠悠把杯子倒扣過來,發現:竟然沒有水流出。

以上情景,如果在一個材料出身的人看來,要做到把水變沒有了也許并非難事,他隻需要在杯底放一片SAP就行了。SAP乃Super Absorbent Polymer的縮寫,意為超強吸水性聚合物,或者也被叫做高吸水樹脂、超強吸水性高分子。不必被這些名字給鎮住了,得到這個聽起來很高級的魔術道具其實毫不麻煩,你隻要去超市買一包紙尿褲就行了。

好,暖場部分結束,還是讓我們言歸正傳,從頭來看看本文真正主角SAP的身世吧。

在早期,人類日常生活中凡涉及吸濕、吸水、止血之用,隻能依賴于棉花等天然纖維,但顯然它們幹的活并不那麼讓人滿意:吸水量不是很大(最多也就是20倍左右),而且吸完之後,若受到壓擠,液體還是會回滲出來,有時會造成意想不到的污染。

度過了漫漫長夜,對超吸水材料的呼聲日漸高漲,美國農業部的Northern Regional Laboratory實驗室1961年成功申請了一個專利,稱他們用一種“接枝”的特殊聚合手法,做出了一種丙烯酸單體合成的高分子聚合物,它能夠吸收400倍于己身質量的水!更妙的是,吸進去的水不會因為外界壓力的作用而回滲。這一發明立刻吸引了全世界工業家的目光,于是合成、加工等各項技藝都開始精進,原被寄望于改良土壤保濕性的新型功能材料進入日常民用也指日可待。1978年,UniCharm開創性地首度将這種材料用于女用衛生巾,而1982年左右,歐洲市場上出現了加有這種材料的嬰兒紙尿褲,此後UniCharm和美國的P&G都很快開始了這方面的研發。

不管是用于土壤保濕,還是用于生活衛生,這些超強吸水性物質統統都屬于高分子家的重量級寵兒SAP。

SAP材料不溶于水和有機溶劑,經過這些年的改良,功能也一再得到極大提升,吸水量通常可達自身重量的500~2000倍,最高可達5000倍。它吸水後立即溶脹為水凝膠,能夠将水分緊緊鎖住,而使用後的SAP經過幹燥,吸水能力仍可以恢複,也就是可以重複利用。為何如此神奇呢?

從化學結構上來分析,超強吸水性聚合物是分子中含有親水性基團和疏水性基團的交聯型高分子。也就是說,它“身上”有一部分看到水就會歡天喜地地迎上去,而另一部分則狠狠地把頭别開,這兩部分正好處于一條長鍊的兩端,于是造成了非常有趣的一些性質。請想象一下,當SAP分子們遇見H2O分子們,親水端定會不顧一切地想和對方套近乎,把它們團團圍住。這一端的金屬離子和水分子形成配位水合,含氧原子的負離子基團又通過一種叫做“氫鍵”的化學鍵抓住另外一些水分子,而疏水端正好露在了外頭,形成一圈屏障。不知不覺中,它們已經和吸進來的水結合成為一個整體,你中有我,我中有你。

比起僅僅通過毛細管作用吸水的棉花來說,SAP的手段要高明得多,請記住這條真理:就囚禁效果而言,抓住敵人以後想辦法把它們變成自己人,比起僅僅将它們關在牢房裡,其實要好得多。

但,結合隻是故事的部分,而非故事的全部,就像所有的童話在說到“王子和公主舉行了盛大的婚禮”就戛然而止一樣,這樣子對讀者根本是不負責的,其實後面還有更多有待挖掘的意味深長呢。

細心的科學家發現,能夠通過和親水性基團之間發生水合而吸附在高分子聚合物周圍的水分子,其厚度充其量最多不過2~ 3層,第一層水分子是由親水性基團與水分子形成的配位鍵或氫鍵的水合水,第二或三層則是水分子和水合水形成的氫鍵結合層。3層以外,裡面的分子們也有點鞭長莫及了,則如此計算一下,1克高分子連抓帶鎖的水最多不過15克左右。這個數字隻不過與棉花、海綿的吸水量相當,與其實際吸水量比起來,相差1~2個數量級,差距如此之大,可見一定還有其他機制在發揮作用。

繼續考察,終于找到了SAP吸水如此之強的原因所在:隻有形成勾肩搭背的高分子,也就是交聯出一種網狀結構能夠對吸水有真正的貢獻。未經交聯基本上沒有吸水功能;少量交聯後,吸水率則會成千上百倍地增加;不過,随着交聯度增加,吸水率反而下降,這是因為密度太大空隙就減少了,水分子也不易擠進來。實驗證明,保持适量交聯才有利于吸水能力的提高。網狀結構同時也是造成這種材料不會被水浸濕成一灘面糊糊的重要保障,這和抗洪搶險的時候,大家手拉手站着就不會被水給卷走是一個道理。據測定,當網格的有效鍊長為10-9~10-10米時,這種材料具有最大的吸水性。

上個世界七八十年代幾乎是全球規模的嬰兒潮,對推動SAP在紙尿褲領域的普及起到了至關重要的作用,它所具有的優異吸水性能,為很多上班族媽媽提供了難以替代的便利。

作為一類高分子電解質,水中鹽類物質的存在實際上會很大程度地影響SAP的吸水能力,在一定程度上也限制了它的應用。所以這些年來的相關研究,基本上都把重點放在提高超吸水性聚合物對含鹽液體(尿液、血液、肥料水等)的吸收能力之上,也取得了不錯的成績,有些著名品牌的吸尿量可以達到50倍左右,就平常應用來說已經綽綽有餘。

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