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高分子水凝胶

也许你还记得某次春晚魔术表演,魔术师让助手或者主持人上杯子,然后往杯子里倒水,一边念念有词,说你可要看好了,笃悠悠把杯子倒扣过来,发现:竟然没有水流出。

以上情景,如果在一个材料出身的人看来,要做到把水变没有了也许并非难事,他只需要在杯底放一片SAP就行了。SAP乃Super Absorbent Polymer的缩写,意为超强吸水性聚合物,或者也被叫做高吸水树脂、超强吸水性高分子。不必被这些名字给镇住了,得到这个听起来很高级的魔术道具其实毫不麻烦,你只要去超市买一包纸尿裤就行了。

好,暖场部分结束,还是让我们言归正传,从头来看看本文真正主角SAP的身世吧。

在早期,人类日常生活中凡涉及吸湿、吸水、止血之用,只能依赖于棉花等天然纤维,但显然它们干的活并不那么让人满意:吸水量不是很大(最多也就是20倍左右),而且吸完之后,若受到压挤,液体还是会回渗出来,有时会造成意想不到的污染。

度过了漫漫长夜,对超吸水材料的呼声日渐高涨,美国农业部的Northern Regional Laboratory实验室1961年成功申请了一个专利,称他们用一种“接枝”的特殊聚合手法,做出了一种丙烯酸单体合成的高分子聚合物,它能够吸收400倍于己身质量的水!更妙的是,吸进去的水不会因为外界压力的作用而回渗。这一发明立刻吸引了全世界工业家的目光,于是合成、加工等各项技艺都开始精进,原被寄望于改良土壤保湿性的新型功能材料进入日常民用也指日可待。1978年,UniCharm开创性地首度将这种材料用于女用卫生巾,而1982年左右,欧洲市场上出现了加有这种材料的婴儿纸尿裤,此后UniCharm和美国的P&G都很快开始了这方面的研发。

不管是用于土壤保湿,还是用于生活卫生,这些超强吸水性物质统统都属于高分子家的重量级宠儿SAP。

SAP材料不溶于水和有机溶剂,经过这些年的改良,功能也一再得到极大提升,吸水量通常可达自身重量的500~2000倍,最高可达5000倍。它吸水后立即溶胀为水凝胶,能够将水分紧紧锁住,而使用后的SAP经过干燥,吸水能力仍可以恢复,也就是可以重复利用。为何如此神奇呢?

从化学结构上来分析,超强吸水性聚合物是分子中含有亲水性基团和疏水性基团的交联型高分子。也就是说,它“身上”有一部分看到水就会欢天喜地地迎上去,而另一部分则狠狠地把头别开,这两部分正好处于一条长链的两端,于是造成了非常有趣的一些性质。请想象一下,当SAP分子们遇见H2O分子们,亲水端定会不顾一切地想和对方套近乎,把它们团团围住。这一端的金属离子和水分子形成配位水合,含氧原子的负离子基团又通过一种叫做“氢键”的化学键抓住另外一些水分子,而疏水端正好露在了外头,形成一圈屏障。不知不觉中,它们已经和吸进来的水结合成为一个整体,你中有我,我中有你。

比起仅仅通过毛细管作用吸水的棉花来说,SAP的手段要高明得多,请记住这条真理:就囚禁效果而言,抓住敌人以后想办法把它们变成自己人,比起仅仅将它们关在牢房里,其实要好得多。

但,结合只是故事的部分,而非故事的全部,就像所有的童话在说到“王子和公主举行了盛大的婚礼”就戛然而止一样,这样子对读者根本是不负责的,其实后面还有更多有待挖掘的意味深长呢。

细心的科学家发现,能够通过和亲水性基团之间发生水合而吸附在高分子聚合物周围的水分子,其厚度充其量最多不过2~ 3层,第一层水分子是由亲水性基团与水分子形成的配位键或氢键的水合水,第二或三层则是水分子和水合水形成的氢键结合层。3层以外,里面的分子们也有点鞭长莫及了,则如此计算一下,1克高分子连抓带锁的水最多不过15克左右。这个数字只不过与棉花、海绵的吸水量相当,与其实际吸水量比起来,相差1~2个数量级,差距如此之大,可见一定还有其他机制在发挥作用。

继续考察,终于找到了SAP吸水如此之强的原因所在:只有形成勾肩搭背的高分子,也就是交联出一种网状结构能够对吸水有真正的贡献。未经交联基本上没有吸水功能;少量交联后,吸水率则会成千上百倍地增加;不过,随着交联度增加,吸水率反而下降,这是因为密度太大空隙就减少了,水分子也不易挤进来。实验证明,保持适量交联才有利于吸水能力的提高。网状结构同时也是造成这种材料不会被水浸湿成一滩面糊糊的重要保障,这和抗洪抢险的时候,大家手拉手站着就不会被水给卷走是一个道理。据测定,当网格的有效链长为10-9~10-10米时,这种材料具有最大的吸水性。

上个世界七八十年代几乎是全球规模的婴儿潮,对推动SAP在纸尿裤领域的普及起到了至关重要的作用,它所具有的优异吸水性能,为很多上班族妈妈提供了难以替代的便利。

作为一类高分子电解质,水中盐类物质的存在实际上会很大程度地影响SAP的吸水能力,在一定程度上也限制了它的应用。所以这些年来的相关研究,基本上都把重点放在提高超吸水性聚合物对含盐液体(尿液、血液、肥料水等)的吸收能力之上,也取得了不错的成绩,有些著名品牌的吸尿量可以达到50倍左右,就平常应用来说已经绰绰有余。

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