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水凝胶的前世今生

时间:2016-08-25 22:05 点击:

      尿布为何吸湿性这么大?秘密在于其中带有一种保水材料——水凝胶。凝胶可能大家都知道,同样存在的还有气凝胶,其曾经被美国宇航局用于捕捉太阳系早期的粒子。而回归“下面”,本文主要关注点在尿布中使用的水凝胶,想知道它的“身世”和巨大的作用吗?让我们一起进入科普时间,了解水凝胶到底为何物。

图片1      大多数一次性尿布中含有一种了不起的材料:水凝胶。研究者们发现水凝胶除了能够吸湿,还可以用于经皮给药系统(或敷料)、干细胞疗法辅助剂、可溶解创可贴。水凝胶也可以作为绝缘材料,阻燃剂和隐形眼镜的材料。有这么多应用,水凝胶可谓是“钱”景无限。

      事实上,凝胶曾被用于NASA的STARDUST任务:将太阳系早期的粒子镶嵌在一个气凝胶基质中。

图片2      气凝胶是一种无机化学聚合物。它曾被NASA在STARDUST任务中用于捕获太阳系早期的粒子。凝胶是最轻的材料之一,它的密度接近空气。

      如你所见,这种高分子的应用上限不可预测,但是鉴于本文的目的,让我们关注“下面”:水凝胶在尿布中极其有用。但是它们到底是什么呢?它们又是如何产生作用的?

水凝胶简史

      水凝胶是由重复的单个分子(或称单体)合成的一种的物质。最初,凝胶和聚合物被认为是同一种物质的两种不同的形态。聚合物这一术语暗含一个分子中含有很多重复单元。当成百上千个单元紧紧地结合在一起时,就变成了一个巨大的物质。许多东西都是由高分子材料做成的,如服装、塑料,可能也包括你的电脑机箱和平板电脑套。

      水凝胶作为聚合物出现是在十九世纪,当时化学家们发现橡胶(一种高分子聚合物)受热会收缩。这种聚合物的收缩以及溶胀使它们最终可以用于消费品和工业领域。

      二战期间,美国政府非常迫切地想要找到一种天然橡胶的替代品,原因在于它们大部分都来源于远东太平洋战区。因此,盟军化学家们通过研究聚丙烯酸等聚合物的性质合成了替代品。

      合成方案被Paul Flory, Maurice Huggins和John Rehner等著名科学家进行的一项更精密的研究取代。一直到二十世纪六十年代,聚丙烯酸等聚合物能作为几乎所有物品的廉价替代品,因此它们在二战后得到了更大的发展。一次性尿布成为了六十年代后期婴儿们的必备品。

      二战期间,科学家们对聚丙烯酸等水凝胶进行了实验,凝胶最终成为了高分子科学的支柱。战争年代的发明专利表明聚丙烯酸被用于制造照片和防火凝胶(阻燃剂)。化学家们,如壳牌石油公司的Paul Flory,将聚合物科学写进了他1943的出版物——交联聚合物网络统计力学I和II。

凝胶vs聚合物

      化学家和物理科学家们最初交替地使用凝胶和聚合物这两个术语。尽管这两种材料有着相同的聚合基,但它们的差别如下:

      水凝胶是一类可以保持水分的聚合物,并且很“智能”,它们可以随周围环境的改变而做出反应。水凝胶含有碳-氢-氧分子,比起硫化橡胶,它的防水性较差。

      硫化橡胶中的聚合物只会在特殊环境中溶胀,水不能渗透该聚合物,只有含碳氢的分子可以渗透该聚合物基体。这意味着水凝胶在很多含有各种液体的应用领域比橡胶更有用。

有用的水凝胶

      水凝胶的保水能力意味着它们在尿布中作用很大,但是这类聚合物在其他许多方面同样很有用,例如防火材料和隐形眼镜。

      水凝胶在防火中的应用:为了吸引观众注意力,电影中经常使用火做特效,其中的秘密在于利用了溶胀的水凝胶。特技演员是如何避免受伤的呢?答案是他们身上涂有水和水凝胶混合物。水被凝胶吸收后,成为不能被火穿透的保护层。

图片3       水凝胶在隐形眼镜中的应用:一次性的隐形眼镜属于智能高分子,其中利用了尿布的相关技术。尿布中的水凝胶会在水中溶胀,而隐形眼镜在生理学条件下需要更加灵活。

渗透是如何进行的呢?

      渗透是由于分子力将液体推进干的基体区域而发生的。渗透,或者说渗透压,有三个基本条件:温度,体积和压力。最简单的渗透压仅仅需要这三个基本条件,但是水凝胶的渗透或者溶胀更具复杂性,依赖于最微小的环境变量。

      Flory,Rehner,以及Huggins建立了一种物理化学理论,用于解释橡胶和它的合成替代品的行为。他们的方法是通过化学热力学建立天然和合成橡胶的行为理论。

硫化橡胶更强——而水凝胶更万能

      这些研究者们使用计算方法解释了为何硫化橡胶优于天然橡胶。然而该方法应用于凝胶时,目前被认为仅仅是其物理化学性质的定性评估。

      凝胶技术的表现可谓奇迹。由于1938-1945战争年间的努力,凝胶一直在不断发展。水凝胶持续被用在多个领域,且不断扩大。目前,science将它们用于干细胞技术,但是它的应用有限制吗?

      由于凝胶可以保持和排除带有少量液体污染物的水,这也许可以用来研究它们对环境的潜在影响。水凝胶似乎是不会让我们苦恼的万金油,但不可否认其价值,但是它们如此巨大的功能让笔者略感惟恐。