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高吸水性高分子

「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。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。
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