聚丙烯酸钠:一次性尿布的秘密

摘要

聚丙烯酸钠是一种非常独特的高分子化合物,它能够吸收高达自身重量几十至上百倍的水分形成稳定的凝胶,因而成为一次性尿布中十分关键的成分

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婴儿自从出生一直到学会自理大小便之前,尿布始终是不可缺少的生活用品。在目前的尿布市场上,一次性尿布占据了相当大的市场份额。与传统的重复使用的布尿布相比,一次性尿布不需清洗,使用方便,因此受到年轻父母的广泛欢迎。不过可能许多人并不清楚,一次性尿布虽然早在20世纪40年代就已经出现,但是今天它们能够展现出优越的性能,很大程度上得益于三十多年前被应用于一次性尿布的一种独特的化合物。这种化合物就是我今天要介绍的聚丙烯酸钠(sodium polyacrylate).[1,2]

聚丙烯酸钠是由丙烯酸钠制备得到的一种高分子。丙烯酸钠外观上和厨房中常见的食盐(氯化钠)和小苏打(碳酸氢钠)没什么两样,都是白色的粉末,实际上它们也确实同属于离子化合物,也就是我们通常说的盐。不过丙烯酸钠的独特之处在于,它的分子中有一个不太稳定的结构——碳碳双键。所以丙烯酸钠分子总是希望摆脱掉这个碳碳双键让自己变得更稳定,那么有什么好的办法呢?正像不同的人之间可以互相拉起手排成长队一样,在适当的条件下,成百上千个丙烯酸钠分子能够互相之间发生反应得到很长的分子,这就是聚丙烯酸钠。

不过这样得到的聚丙烯酸钠还不能直接用于生产一次性尿布,因为还缺少了一道关键的工序——交联。我们刚才已经看到了,丙烯酸钠互相反应得到的聚丙烯酸钠是一个线型分子,。如果我们在反应中加入称为交联剂的特殊分子,这些分子的两端分别可以和一个聚丙烯酸钠分子反应,那么这两个聚丙烯酸钠分子就被连接到了一起。如果交联剂足够多,许许多多的聚丙烯酸钠分子就被互相连接到一起得到了一个网状结构,就像许多根毛线被织成毛衣一样。这个过程我们称之为交联。稍后我们将看到,为什么交联是一道非常关键的工序。

那么聚丙烯酸钠是如何在一次性尿布中发挥关键作用呢?让我们来做一个简单的实验:在杯子中加入一小勺粉末状的聚丙烯酸钠,然后再加入水并且搅拌。用不了多长时间我们就会惊奇地发现,杯中的聚丙烯酸钠粉末和水都不见了,取而代之的是一整块像果冻一样的固体。如果把杯子倒过来,不仅不会有水流下来,整块果冻一样的固体都会牢牢贴在杯子底部不会移动。原来,聚丙烯酸钠在一次性尿布中的作用就是牢牢地吸收住尿液中的水分,使得婴儿的皮肤和衣服能够保持清洁干爽。在目前的一次性尿布生产过程中,聚丙烯酸钠一般会先和木浆等纤维物质混合形成一个夹层,木浆的作用在于帮助聚丙烯酸钠保持一个固定的形状。之后含有聚丙烯酸钠的夹层会被合适的织物面料包裹起来,其中面向婴儿皮肤那一面的通常会选用多孔的面料,而另外一面的织物则使用不透水的材料。[1]这样,婴儿的尿液流到尿布上之后会经过织物上的孔洞渗透下去,然后被聚丙烯酸钠吸收。

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干燥的聚丙烯酸钠粉末。右:聚丙烯酸钠与水混合后形成固体

那么聚丙烯酸钠为什么能够吸收水分呢?

我们都有这样的生活体验:把一小勺氯化钠投入水中,只要稍加搅拌,氯化钠的粉末就会消失不见,这是因为氯化钠或碳酸氢钠在水中能很快地解离成带正电的钠离子和带负电的氯离子,它们和水分子有着非常强的亲和力,所以氯化钠以及许多类似的盐类都非常容易溶解在水中。聚丙烯酸钠虽然是高分子化合物,但它同样保持了类似的特性。当它与水接触时,也会发生解离,钠离子很快与水分子打成了一片,剩下了长长的带负电的聚丙烯酸钠分子骨架。它也自然希望像钠离子一样“自由行动”分散到水中。可是不要忘了,它们早已经通过交联反应互相连在一起形成了一个网络。正如一捆铁丝会被水流冲散,但把它们互相焊接起来形成的铁笼却能保持形状一样,经过交联的聚丙烯酸钠的分子骨架没办法像钠离子那样完全分散到水中,于是就有了一个折中的办法:聚丙烯酸钠的分子骨架具有一定的弹性,干燥的时候它们处于收缩的状态,而一旦和水分子发生了接触,它们会不断的舒展开来,就像是蜷缩起来的一团毛线不断被拉直。这样的结果是整个网络不断地膨胀,而水分子则不断地进来占据网络膨胀后新形成的空间。最终我们会看到加进来的水不再流动,而是和聚丙烯酸钠分子一起形成了固体,这样的固体,我们称之为凝胶。写到这里,我想各位读者应该理解我之前为什么说交联是非常关键的工序了吧。如果聚丙烯酸钠分子之间不发生交联,它们最终也会像氯化钠一样溶解在水中,这样就无法起到吸收水分的作用。

那么聚丙烯酸钠能够吸收多少水呢?这个数字大得惊人。实验表明,聚丙烯酸钠可以吸收高达自身重量800倍的纯水。[3]正因为如此强大的吸水能力,聚丙烯酸钠以及其它一些具有类似结构的高分子有一个非常响亮的名字——高吸水性高分子(superabsorbent polymer). 不过我们刚才谈到的只是最理想的情况,如果用自来水代替纯水,聚丙烯酸钠大约只能吸收自身重量300倍的水,如果换成尿液,这个数字会进一步降低到60或者更低。[3, 4]这是因为自来水和尿液中含有一些钠离子或者其它带正电的金属离子,这些离子的存在会阻碍聚丙烯酸钠分子在水中的膨胀,从而使得吸水的效果大打折扣。不过即便如此,聚丙烯酸钠的吸水效果仍然十分可观。在聚丙烯酸钠等高吸水性高分子被应用于尿布之前,无论是可重复使用的尿布还是一次性尿布都是使用棉花、纸巾、木浆等传统的吸水材料,它们最多只能吸收20倍于自身重量的水分,远逊于聚丙烯酸钠。[4]聚丙烯酸钠的使用使得一次性尿布的体积和重量大大减轻。有报道表明,聚丙烯酸钠的使用使得一次性尿布的体积减少了一半,自然婴儿穿着起来更加方便,同时也大大减少了原材料的消耗。[2]不仅如此,由于经过交联的聚丙烯酸钠能够与水形成稳固的凝胶,尿液被吸收后很难再泄露出来玷污婴儿的皮肤和衣物,非常有利于保持婴儿皮肤的健康,这也是许多传统的吸水材料望尘莫及之处。正是由于这些优良性能,使用聚丙烯酸钠的一次性尿布在上个世纪80年代投入市场后就迅速受到了年轻父母们的广泛欢迎。

由于聚丙烯酸良好而又独特的吸水性能,它不仅被大量用于生产一次性尿布,还被广泛应用于其它领域。例如,在诸如建筑工地和水下光缆这样的场合,聚丙烯酸钠被用来防止水的渗透。另外,聚丙烯酸钠也可以用来控制环境的湿度,因为它非常容易吸收空气中的水分。[1]它还有一个很独特的用途就是在影视剧拍摄中用来仿造雪花。在这种情况下使用的聚丙烯酸钠其交联程度与用在一次性尿布中的略有不同,吸水后不是形成大块的凝胶,而是变成像雪花一样的白色颗粒。[3]大家看看图5中用聚丙烯酸钠得到的人造雪花,是不是可以以假乱真?

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由聚丙烯酸钠吸水制备人造雪花

最后,简单说一下聚丙烯酸钠的安全性问题。聚丙烯酸钠本身毒性很低,但是对皮肤和眼睛有一定的刺激性。对于一次性尿布而言,由于聚丙烯酸钠不会同婴儿的皮肤发生直接接触,我们不必太担心它的安全性问题。不过如果需要直接接触聚丙烯酸钠,例如有的朋友可能有兴趣用它做一些演示实验,这时候还是要适当注意一下个人防护。另外,聚丙烯酸钠吸水后形成的凝胶也是无毒的,可以直接当作生活垃圾丢弃,但是最好不要扔进下水道,因为这样可能会造成堵塞。

人们往往认为“天然”的总是更好:吃饭要选有机食品,穿衣要选天然面料。然而聚丙烯酸钠的例子却清楚地告诉我们,人类完全能够设计制造出性能更加优越的材料,从而更好地改善我们的生活。随着科技的不断进步,我想这样的例子一定会越来越多。

参考文献

[1]Fredric L. Buchholz, Journal of Chemical Education, 1996, 73, 512

[2] http://www.m2polymer.com/html/history_of_superabsorbents.html

[3] http://www.cmu.edu/gelfand/k12-teachers/polymers/polymer-and-absorption/super-absorb-powder.html

[4] http://ncsu.edu/project/chemistrydemos/Organic/Superabsorbent.pdf

[5] http://www.motherjones.com/environment/2008/04/brief-history-disposable-diaper

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  • 版权声明:本文转载自: 健康中国人网,于4年前,由魏昕宇发表,共 3458字。
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