作者 | 魏昕宇（材料學(xué)博士）

嬰兒自從出生一直到學(xué)會自理大小便之前，尿布始終是不可缺少的生活用品。在目前的尿布市場上，一次性尿布占據(jù)了相當(dāng)大的市場份額。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，實際上它們也確實同屬于離子化合物，也就是我們通常說的鹽。不過丙烯酸鈉的獨特之處在于，它的分子中有一個不太穩(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隊一樣，在適當(dāng)?shù)臈l件下，成百上千個丙烯酸鈉分子能夠互相之間發(fā)生反應(yīng)得到很長的分子，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，因為還缺少了一道關(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線型分子。如果我們在反應(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聚丙烯酸鈉分子反應(yīng)，那么這兩個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網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，就像許多根毛線被織成毛衣一樣。這個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？讓我們來做一個簡單的實驗：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。用不了多長時間我們就會驚奇地發(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，不僅不會有水流下來，整塊果凍一樣的固體都會牢牢貼在杯子底部不會移動。原來，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，聚丙烯酸鈉一般會先和木漿等纖維物質(zhì)混合形成一個夾層，木漿的作用在于幫助聚丙烯酸鈉保持一個固定的形狀。之后含有聚丙烯酸鈉的夾層會被合適的織物面料包裹起來，其中面向嬰兒皮膚那一面的通常會選用多孔的面料，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：把一小勺氯化鈉投入水中，只要稍加攪拌，氯化鈉的粉末就會消失不見，這是因為氯化鈉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，也會發(fā)生解離，鈉離子很快與水分子打成了一片，剩下了長長的帶負(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”分散到水中?？墒遣灰?，它們早已經(jīng)通過交聯(lián)反應(yīng)互相連在一起形成了一個網(wǎng)絡(luò)。正如一捆鐵絲會被水流沖散，但把它們互相焊接起來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，它們會不斷的舒展開來，就像是蜷縮起來的一團(tuán)毛線不斷被拉直。這樣的結(jié)果是整個網(wǎng)絡(luò)不斷地膨脹，而水分子則不斷地進(jìn)來占據(jù)網(wǎng)絡(luò)膨脹后新形成的空間。

最終我們會看到加進(jìn)來的水不再流動，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)，它們最終也會像氯化鈉一樣溶解在水中，這樣就無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？這個數(shù)字大得驚人。實驗表明，聚丙烯酸鈉可以吸收高達(dá)自身重量800倍的純水。正因為如此強(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，這個數(shù)字會進(jìn)一步降低到60或者更低。這是因為自來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，自然嬰兒穿著起來更加方便，同時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世紀(jì)80年代投入市場后就迅速受到了年輕父母們的廣泛歡迎。