高吸水性高分子

? ? ? ? 科學發展　2010年6月，450期｜ 6766 ｜科學發展　2010年6月，450期 科學發展　2010年6月，450期｜ 6766 ｜科學發展　2010年6月，450期 ? ? ? ? 成功地合成及生產「高吸水性高分子」，是現代科學發展的一項重大突破。 「高分子化合物」簡稱為高分子，是一類有機 化合物。高分子化合物組成分子的原子數通常在1 千個以上，分子量至少在1萬以上，大的高分子的 分子量甚至達到幾百萬或上千萬。與高分子化合物 相比，小分子有機化合物的組成原子數通常只有幾 個或幾十個，分子量也只有幾十到幾百，例如醋酸 （CH3COOH）、乙醇（CH3CH2OH）等。 高分子可以分成天然高分子和合成高分子兩 種。天然高分子是指存在於自然界中的高分子，例 如澱粉、纖維素、棉、麻、絲和毛、天然橡膠等。 人體中的蛋白質、核酸等，也都屬於天然高分子。 合成高分子是指用化學方法合成的高分子化合物， 例如塑膠、合成纖維、人造橡膠等。 高分子化合物可以做為材料使用，因為它們有很高的分子量，具備小分子有機化合 物所沒有的一些優異的材料性質，像一定的機械強度等。高分子材料的最大特點是能滿 足工業、日常生活上的需要，因而發展十分迅速。在1980年時，世界上高分子聚合物的 產量已經超過鋼鐵的1倍，超過輕金屬的16倍。 自從1907年世界上第1個合成高分子材料—酚醛塑膠—出現以來，高分子材料的種 類增加得很快。其中，合成塑膠（沒有經過聚合加工以前稱做樹脂）、合成纖維和合成 橡膠堪稱3大合成高分子材料。此外，還有合成油漆、合成塗料、合成膠黏劑、部分液 晶等。 3大合成高分子材料已經成為現在工業和日常生活中離不開的材料。在合成塑膠 中，聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯和聚丙烯是4大通用品種，這4種塑膠的世界總產量就 有1億噸左右。其他如鐵氟龍（聚四氟乙烯）、壓克力（聚甲基丙烯酸甲酯）、發泡塑 ■ 蘇明德 高吸水性高分子 ● 高吸水性樹脂 科學發展　2010年6月，450期｜ 6766 ｜科學發展　2010年6月，450期 科學發展　2010年6月，450期｜ 6766 ｜科學發展　2010年6月，450期 膠等，都是大家熟知的。在合成 纖維中，尼龍、腈綸、錦綸等早 已進入千家萬戶。在合成橡膠 中，順丁橡膠和丁苯橡膠已經取 代部分天然橡膠，消費量也逐年 增加。 雖然高分子材料的發展非 常迅速，也已經占領了很大的市 場，但還是不能滿足社會、經濟 和高科技發展的需要。因此，科 學家和化學工程師仍然持續製造 一些功能性、新穎的高分子材 料，如「高吸水性高分子」等。 「高吸水性高分子」是指 能吸收相當於自身重量幾百倍， 甚至上千倍的水，即使加壓也很 難把水擠出來的一種特殊高分子 材料。它比強吸水性的海綿更優 越，因為海綿在吸足了水後，一 旦拿起來，水就會自然地流出 來，而「高吸水性高分子」在吸 足水後，使勁擠也不會把水擠出 來。「高吸水性高分子」材料具 有如此強的吸水性，它的原理到 現在還不是很清楚。但是，一般 認為這與它的組成和結構有關。 「高吸水性高分子」材料通 常是由澱粉、纖維素等天然高分 子，與丙烯酸、苯乙烯磺酸接枝 共聚合而成的共聚物，或是由聚 乙烯醇與聚丙烯鹽酸經過交聯處 理後得到的聚合物。在這些特殊 的共聚物或聚合物分子中，都有 交聯結構。在吸水前，分子中的 長鏈相互纏繞捲曲呈現立體網絡 狀；遇水後，分子中的一些基團 產生特殊的作用，使立體網絡擴 展許多倍，形成了充滿水的立體 交聯網絡。 用「高吸水性高分子」 材料可以做成各 色各樣的吸水性 製品，例如紙尿 片。當它吸入 大量的水後， 仍然滴水不 漏 ， 乾 爽 通氣。因 此，當嬰兒用這種紙尿布時，可 以整夜不換尿片，給年輕的媽媽 帶來許多方便。使用「高吸水性 高分子」材料與棉、紙組成的夾 層製品，不僅吸溼，而且十分鬆 軟。因此，它可以供給尿失禁老 人使用，方便而舒適。 「高吸水性高分子」材料也 常做成醫用製品，例如棉塞、繃 帶一類的止血包紮器材，以及外 用軟管和人造皮膚、高級隱形眼 鏡片等。用高吸水性材料製成的 人造皮膚與其他材料組合後，不 僅有良好的滲透性和 藥物保持能力， 高吸水性高分子能吸收相當於自身重量幾百倍，甚至上千倍的水， 即使加壓也很難把水擠出來。 ? ? ? ? 科學發展　2010年6月，450期｜ 6968 ｜科學發展　2010年6月，450期 科學發展　2010年6月，450期｜ 6968 ｜科學發展　2010年6月，450期 還可以防止細菌侵入。 在醫學上，人們還利 用「高吸水性高分子」 材料的特性來減輕病人 的痛苦。例如，由於 「高吸水性高分子」材料中的 高吸水性樹脂吸水後能形成水 膜，對人體器官具有潤滑和緩 衝作用，因此各種醫用導管和 內視鏡的外面都塗有高吸水性 ● 水晶土　在園藝方面，利用它吸水性強的功能，可以避免忘記澆水而造成植物枯乾。 ? ? ? ? 科學發展　2010年6月，450期｜ 6968 ｜科學發展　2010年6月，450期 科學發展　2010年6月，450期｜ 6968 ｜科學發展　2010年6月，450期 的樹脂膜，可以大大地減輕病人 的痛苦。 此外，一些特殊的「高吸水 性高分子」材料可以做為植入人 體的生物材料。因為它們能滿足 植入人體的生物材料的兩個必要 條件：植入後具有高度的生物相 容性；不會引起血溶、致癌等副 作用。例如，水凝膠是一種高吸 水性樹脂，它的彈性、變形性、 復原性、潤滑性等功能，與人體 中的一些天然組織相仿。因此， 可以用它做成人工關節的活動接 合面代替軟骨膜，效果良好。 在食品工業中，用「高吸水 性高分子」材料做成的 膜是一種很好的保鮮 包裝材料。因此，常 用它來存放新鮮蔬 菜、水果等，以長 時間保持水分和 防止腐爛。用 「高吸水性高 分子」材料 與 其 他 材 料一起做 成 的 接 觸 脫水紙，也是一 種很好的脫水材料，常 用在生魚乾和其他食品的脫水工 藝上。當這種接觸脫水紙薄膜與 生魚接觸時，由於膜兩邊有較大 的滲透壓差，生魚中的水可以不 斷地被脫水紙吸掉，只要一夜的 時間，就可以把生魚片製成生魚 乾。當然，其他的食品、蔬菜也 可以採用這種簡便的脫水工藝來 處理。 在農業方面，人們採用「高 吸水性高分子」材料來提高農作 物的產量。有一種澱粉與丙烯酸 鹽的接枝共聚物有很強的保溼 性能，不僅可以吸收自身重量 100∼500倍的水，而且其中95％ 的水可以供給植物吸收，因此可 做為保溼劑使用。事實證 明，在溫室內施用保溼劑後，小 麥的產量可以提高15％，大豆的 產量可以提高25％。 在環境方面，人們設想利用 「高吸水性高分子」材料來防止 土地沙漠化。研究顯示，一種由 高吸水性的樹脂與有機、無機營 養劑組成的複合保溼劑，可以在 埃及等缺水地區使用。 用在沙漠裡的保溼劑，必須 滿足3個要求：第一是重現性， 也就是保溼劑在沙漠強烈的陽光 照射下，能夠反覆地吸收和放出 水分；第二是耐老化性，也就是 說在高溫和微生物分解的作用 下，保溼劑不會老化；第三是適 應性，即保溼劑的保溼要與當地 的自然條件相適應。現在，人們 正朝著這些方向努力，相信不久 就會研製出符合要求的保溼劑。 蘇明德 嘉義大學應用化學系