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[化學系專欄] 尿布裡的高分子 PDF 列印
作者是 東方報   
週四, 06 七月 2017 07:45

資料來源/化學系陳月蕙老師

整  理/記者江思婷

化學與人生總是息息相關,與生活也有密不可分的關係,以嬰兒時期所使用的尿布為例,小小的一塊尿布裡,就包含了許多化學的基本概念:離子化合物、離子-分子間的相互作用等。看似簡單的尿布裡頭就含有高吸水性的化學材料,具有高吸水性的這類高分子材料稱為「超吸收性聚合物」。

何謂「超吸收性聚合物材料」?尿布與高分子材料會有關係?尿布吸收尿液後,這些水分跑到哪裡去,為什麼尿布內依然乾爽?

聚合物是分子量很大的材料,又稱高分子,超吸收性聚丙烯酸鈉是含有可離子化的基團,也就是在溶液中生成自由移動的離子基團的長鏈高分子,這類高分子在極性溶劑中發生離子化,會使高分子帶上電荷,稱為聚電解質。由於離子性質和聚合物的交聯結構,該材料的特性是可以吸收大量的水分子,適合用來製作尿布、防水膠帶等防水材料。以此聚合物製成的薄膜,是一種半透膜,薄膜內包住鈉離子,所以內部是高濃度的環境,膜外則是低濃度的環境,因此水分子會從低濃度的地方進入高濃度的地方,當半透膜內外濃度差越大,水分子的吸入量越多,也就是吸收性聚合物的吸水量取決於外部是甚麼樣的水,如果是純水,約可吸收聚合物重量的數百倍;如果是尿液含鹽分,則只能吸收聚合物重量的一百倍左右。

利用此類高分子的特性,陳月蕙老師設計了很有趣的實驗,來了解尿布中吸水成分與金屬的結合性。當環境中含有帶正二價金屬離子的水溶液時,聚合物中帶負電的羧酸基團會吸收金屬離子,帶正電二價金屬離子會和聚合物上的鈉離子進行不可逆交換(圖一)。透過帶有正電荷金屬離子與帶負電荷的聚丙烯酸根結合之顏色變化(表一),觀察到不同金屬離子與聚丙烯酸的交聯。因為每個正二價金屬離子與聚合物網狀結構中的兩個羧酸根結合,交聯可以縮小聚合物鏈的膨脹,導致聚合物的吸水能力降低。根據檢量曲線得到金屬離子溶液吸光度,可以計算離子交換前後溶液中金屬離子含量,了解吸附在聚合物上金屬離子的含量。這種顏色變化的實驗也很適合科普的教學,利用一些無毒的金屬如鐵離子等,可以看到高分子吸水膨脹和跟金屬結合後的顏色變化,相當有趣。