吸水高分子水凝膠

高分子水凝膠那些貌似或神似劉謙小子的民間版非著名魔術(shù)師，信誓旦旦以娛樂民眾為己任，在他們素常的節(jié)目單中，大多會設(shè)置以下環(huán)節(jié)：觀眾排排坐定，這位表演者先奉獻一通似是而非的插科打諢，比如說本人自幼年起就在學(xué)著把有的東西變作沒有，或者把沒有的東西變作有，苦苦鉆研數(shù)年，而今終于有了小成，說著說著拍拍手，讓助手或者主持人上杯子，擺好了，又要了一壺水，然后往杯子里倒將下去，一邊念念有詞，說你可要看好了，篤悠悠把杯子倒扣過來，哇噻，竟然沒有水流出耶……特別聲明一下：該魔術(shù)十分適合朋友聚會之類，其他較為嚴肅的場合比如春晚或賑災(zāi)晚不建議使用，否則于全國人民面前穿幫丟臉，后果自負。一般來說，看到以上場景我總是默默地低下頭來，以免嘴角不屑的譏笑打擊了表演者的自信心，因為在一個學(xué)材料專業(yè)出身的非著名觀察家看來，要做到把水變沒有了實在是太容易的一件事，他只需要在杯底放一片SAP就行了。SAP乃SuperAbsorbentPolymer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。別急，不必被這些名字給鎮(zhèn)住了，得到這個聽起來很高級的魔術(shù)道具其實毫不麻煩，你只要去超市買一包紙尿褲就行了。好，暖場部分結(jié)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，只能依賴于棉花、紙帛等天然纖維，但顯然它們干的活并不那么讓人滿意：除卻吸水量不是很大（最多也就是20倍左右）之外，還有一個非常大的缺陷，就是吸完之后，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(nóng)業(yè)部的NorthernRegionalLaboratory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，它的奇妙之處是能夠吸收400倍于己身質(zhì)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(fā)明立刻吸引了全世界工業(yè)家的目光，強生、陶氏、杜邦……等巨頭紛紛往上面砸錢，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。而日本的商業(yè)公司為了避開美國人的專利，自行開發(fā)出另外一些其他單體合成的超吸水性聚合物，鑒于丙烯酸、丙烯酸胺、乙烯醇類單體都已經(jīng)得到了較充分的開發(fā)，他們就結(jié)合原有的這些體系，在淀粉、羥甲基纖維素和丙烯酸/馬來酸酐體系中下了一些功夫。1978年，UniCharm開創(chuàng)性地首度將這種材料用于女用衛(wèi)生巾，而1982年左右，歐洲市場上出現(xiàn)了加有這種材料的嬰兒紙尿褲，此后UniCharm和美國的P&G都很快開始了這方面的研發(fā)。不管是用于土壤保濕，還是用于生活衛(wèi)生，這些超強吸水性物質(zhì)統(tǒng)統(tǒng)都屬于我們高分子家的重量級寵兒SAP。SAP材料不溶于水和有機溶劑，經(jīng)過這些年的改良，功能也一再得到極大提升，吸水量通?？蛇_自身重量的500?2000倍，最高可達5000倍。它吸水后立即溶脹為水凝膠,能夠?qū)⑺志o緊鎖住，而使用后的SAP經(jīng)過干燥，吸水能力仍可以恢復(fù)，也就是可以重復(fù)利用。唔，為何如此神奇呢？圖說：撕開一片尿布或衛(wèi)生護墊就可發(fā)現(xiàn)這些）圖說：左邊和右邊的差別皆因為吸水量不同所致。）從化學(xué)結(jié)構(gòu)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(lián)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別開，這兩部分正好處于一條長鏈的兩端，于是造成了非常有趣的一些性質(zhì)。請想象一下，當SAP分子們遇見H20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(xué)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(jīng)和吸進來的水結(jié)合成為一個整體，你中有我，我中有你。HHHOHHHH疏水HHHHHHHOHHHH疏水HHHHNP..：O-（圖說：親水端和疏水端見到水的態(tài)度大不相同。）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，抓住敵人以后想辦法把它們變成自己人，比起僅僅將它們關(guān)在牢房里，其實要好得多。但，結(jié)合只是故事的部分，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，其實后面還有更多有待挖掘的意味深長呢。細心的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，能夠通過和親水性基團之間發(fā)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(jié)合層。3層以外，里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(shù)字只不過與棉花、海綿的吸水量相當，與其實際吸水量比起來，相差1?2個數(shù)量級，差距如此之大，可見一定還有其他機制在發(fā)揮作用。

繼續(xù)考察，終于找到了SAP吸水如此之強的原因所在：只有形成勾肩搭背的高分子，也就是交聯(lián)出一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能夠?qū)ξ姓嬲呢暙I。未經(jīng)交聯(lián)基本上沒有吸水功能；少量交聯(lián)后，吸水率則會成千上百倍地增加；不過，隨著交聯(lián)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，保持適量交聯(lián)才有利于吸水能力的提高。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)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，大家手拉手站著就不會被水給卷走是一個道理。據(jù)測定，當網(wǎng)格的有效鏈長為10-9~10-10米時，這種材料具有最大的吸水性。圖說：交聯(lián)是王道）C00C00CM【典電抿囂COOHCOOH圖說：正負電基團在水凝膠中起到了不同作用。）

上個世界七八十年代幾乎是全球規(guī)模的嬰兒潮，對推動SAP在紙尿褲領(lǐng)域的普及起到了至關(guān)重要的作用，它所具有的優(yōu)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(zhì)，水中鹽類物質(zhì)的存在實際上