一次性尿布是怎樣煉成的？

作者 | 魏昕宇（材料學(xué)博士）

嬰兒自從出生一直到學(xué)會(huì)自理大小便之前，尿布始終是不可缺少的生活用品。在目前的尿布市場(chǎng)上，一次性尿布占據(jù)了相當(dāng)大的市場(chǎng)份額。與傳統(tǒng)的重復(fù)使用的布尿布相比，一次性尿布不需清洗，使用方便，因此受到年輕父母的廣泛歡迎。不過可能許多人并不清楚，一次性尿布雖然早在20世紀(jì)40年代就已經(jīng)出現(xiàn)，但是今天它們能夠展現(xiàn)出優(yōu)越的性能，很大程度上得益于三十多年前被應(yīng)用于一次性尿布的一種獨(dú)特的化合物。這種化合物就是聚丙烯酸鈉(sodium polyacrylate)。

聚丙烯酸鈉是由丙烯酸鈉制備得到的一種高分子。丙烯酸鈉外觀上和廚房中常見的食鹽（氯化鈉）和小蘇打（碳酸氫鈉）沒什么兩樣，都是白色的粉末，實(shí)際上它們也確實(shí)同屬于離子化合物，也就是我們通常說(shuō)的鹽。不過丙烯酸鈉的獨(dú)特之處在于，它的分子中有一個(gè)不太穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)——碳碳雙鍵。所以丙烯酸鈉分子總是希望擺脫掉這個(gè)碳碳雙鍵讓自己變得更穩(wěn)定，那么有什么好的辦法呢？正像不同的人之間可以互相拉起手排成長(zhǎng)隊(duì)一樣，在適當(dāng)?shù)臈l件下，成百上千個(gè)丙烯酸鈉分子能夠互相之間發(fā)生反應(yīng)得到很長(zhǎng)的分子，這就是聚丙烯酸鈉。

由聚丙烯酸鈉(sodium polyacrylate)制成的一次性尿布

不過這樣得到的聚丙烯酸鈉還不能直接用于生產(chǎn)一次性尿布，因?yàn)檫€缺少了一道關(guān)鍵的工序——交聯(lián)。我們剛才已經(jīng)看到了，丙烯酸鈉互相反應(yīng)得到的聚丙烯酸鈉是一個(gè)線型分子。如果我們?cè)诜磻?yīng)中加入稱為交聯(lián)劑的特殊分子，這些分子的兩端分別可以和一個(gè)聚丙烯酸鈉分子反應(yīng)，那么這兩個(gè)聚丙烯酸鈉分子就被連接到了一起。如果交聯(lián)劑足夠多，許許多多的聚丙烯酸鈉分子就被互相連接到一起得到了一個(gè)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，就像許多根毛線被織成毛衣一樣。這個(gè)過程我們稱之為交聯(lián)。稍后我們將看到，為什么交聯(lián)是一道非常關(guān)鍵的工序。

那么聚丙烯酸鈉是如何在一次性尿布中發(fā)揮關(guān)鍵作用呢？讓我們來(lái)做一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)：在杯子中加入一小勺粉末狀的聚丙烯酸鈉，然后再加入水并且攪拌。用不了多長(zhǎng)時(shí)間我們就會(huì)驚奇地發(fā)現(xiàn)，杯中的聚丙烯酸鈉粉末和水都不見了，取而代之的是一整塊像果凍一樣的固體。如果把杯子倒過來(lái)，不僅不會(huì)有水流下來(lái)，整塊果凍一樣的固體都會(huì)牢牢貼在杯子底部不會(huì)移動(dòng)。原來(lái)，聚丙烯酸鈉在一次性尿布中的作用就是牢牢地吸收住尿液中的水分，使得嬰兒的皮膚和衣服能夠保持清潔干爽。在目前的一次性尿布生產(chǎn)過程中，聚丙烯酸鈉一般會(huì)先和木漿等纖維物質(zhì)混合形成一個(gè)夾層，木漿的作用在于幫助聚丙烯酸鈉保持一個(gè)固定的形狀。之后含有聚丙烯酸鈉的夾層會(huì)被合適的織物面料包裹起來(lái)，其中面向嬰兒皮膚那一面的通常會(huì)選用多孔的面料，而另外一面的織物則使用不透水的材料。這樣，嬰兒的尿液流到尿布上之后會(huì)經(jīng)過織物上的孔洞滲透下去，然后被聚丙烯酸鈉吸收。

那么聚丙烯酸鈉為什么能夠吸收水分呢？

我們都有這樣的生活體驗(yàn)：把一小勺氯化鈉投入水中，只要稍加攪拌，氯化鈉的粉末就會(huì)消失不見，這是因?yàn)槁然c或碳酸氫鈉在水中能很快地解離成帶正電的鈉離子和帶負(fù)電的氯離子，它們和水分子有著非常強(qiáng)的親和力，所以氯化鈉以及許多類似的鹽類都非常容易溶解在水中。聚丙烯酸鈉雖然是高分子化合物，但它同樣保持了類似的特性。當(dāng)它與水接觸時(shí)，也會(huì)發(fā)生解離，鈉離子很快與水分子打成了一片，剩下了長(zhǎng)長(zhǎng)的帶負(fù)電的聚丙烯酸鈉分子骨架。它也自然希望像鈉離子一樣“自由行動(dòng)”分散到水中。可是不要忘了，它們?cè)缫呀?jīng)通過交聯(lián)反應(yīng)互相連在一起形成了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。正如一捆鐵絲會(huì)被水流沖散，但把它們互相焊接起來(lái)形成的鐵籠卻能保持形狀一樣，經(jīng)過交聯(lián)的聚丙烯酸鈉的分子骨架沒辦法像鈉離子那樣完全分散到水中，于是就有了一個(gè)折中的辦法：聚丙烯酸鈉的分子骨架具有一定的彈性，干燥的時(shí)候它們處于收縮的狀態(tài)，而一旦和水分子發(fā)生了接觸，它們會(huì)不斷的舒展開來(lái)，就像是蜷縮起來(lái)的一團(tuán)毛線不斷被拉直。這樣的結(jié)果是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)不斷地膨脹，而水分子則不斷地進(jìn)來(lái)占據(jù)網(wǎng)絡(luò)膨脹后新形成的空間。

最終我們會(huì)看到加進(jìn)來(lái)的水不再流動(dòng)，而是和聚丙烯酸鈉分子一起形成了固體，這樣的固體，我們稱之為凝膠。寫到這里，我想各位讀者應(yīng)該理解我之前為什么說(shuō)交聯(lián)是非常關(guān)鍵的工序了吧。如果聚丙烯酸鈉分子之間不發(fā)生交聯(lián)，它們最終也會(huì)像氯化鈉一樣溶解在水中，這樣就無(wú)法起到吸收水分的作用。

那么聚丙烯酸鈉能夠吸收多少水呢？這個(gè)數(shù)字大得驚人。實(shí)驗(yàn)表明，聚丙烯酸鈉可以吸收高達(dá)自身重量800倍的純水。正因?yàn)槿绱藦?qiáng)大的吸水能力，聚丙烯酸鈉以及其它一些具有類似結(jié)構(gòu)的高分子有一個(gè)非常響亮的名字——高吸水性高分子(superabsorbent polymer). 不過我們剛才談到的只是最理想的情況，如果用自來(lái)水代替純水，聚丙烯酸鈉大約只能吸收自身重量300倍的水，如果換成尿液，這個(gè)數(shù)字會(huì)進(jìn)一步降低到60或者更低。這是因?yàn)樽詠?lái)水和尿液中含有一些鈉離子或者其它帶正電的金屬離子，這些離子的存在會(huì)阻礙聚丙烯酸鈉分子在水中的膨脹，從而使得吸水的效果大打折扣。不過即便如此，聚丙烯酸鈉的吸水效果仍然十分可觀。

在聚丙烯酸鈉等高吸水性高分子被應(yīng)用于尿布之前，無(wú)論是可重復(fù)使用的尿布還是一次性尿布都是使用棉花、紙巾、木漿等傳統(tǒng)的吸水材料，它們最多只能吸收20倍于自身重量的水分，遠(yuǎn)遜于聚丙烯酸鈉。聚丙烯酸鈉的使用使得一次性尿布的體積和重量大大減輕。有報(bào)道表明，聚丙烯酸鈉的使用使得一次性尿布的體積減少了一半，自然嬰兒穿著起來(lái)更加方便，同時(shí)也大大減少了原材料的消耗。不僅如此，由于經(jīng)過交聯(lián)的聚丙烯酸鈉能夠與水形成穩(wěn)固的凝膠，尿液被吸收后很難再泄露出來(lái)玷污嬰兒的皮膚和衣物，非常有利于保持嬰兒皮膚的健康，這也是許多傳統(tǒng)的吸水材料望塵莫及之處。正是由于這些優(yōu)良性能，使用聚丙烯酸鈉的一次性尿布在上個(gè)世紀(jì)80年代投入市場(chǎng)后就迅速受到了年輕父母?jìng)兊膹V泛歡迎。