高吸水性高分子

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高吸水性高分子

99/06/09 25587

蘇明德｜嘉義大學應用化學系

「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ㄧ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，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。

資料來源

《科學發展》2010年6月，450期，66 ~ 69頁

科發月刊(5219)

高吸水性高分子

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