化學與人生-尿布裡的高分子
資料來源／東華大學化學系 楊陳月蕙老師；整理／記者江思婷
化學與人生總是息息相關，與生活也有密不可分的關係，以嬰兒時期所使用的尿布為例，小小的一塊尿布裡，就包含了許多化學的基本概念：離子化合物、離子-分子間的相互作用…等。看似簡單的尿布裡頭就含有高吸水性的化學材料，具有高吸水性的這類高分子材料稱為“超吸收性聚合物＂。
何謂“超吸收性聚合物＂材料?尿布與高分子材料會有關係? 尿布吸收尿液後，這些水分跑到哪裡去，為什麼尿布內依然乾爽?
聚合物是分子量很大的材料，又稱高分子，超吸收性聚丙烯酸鈉是含有可離子化的基團，也就是在溶液中生成自由移動的離子基團的長鏈高分子，這類高分子在極性溶劑中發生離子化，會使高分子帶上電荷，稱為聚電解質。由於離子性質和聚合物的交聯結構，該材料的特性是可以吸收大量的水分子，適合用來製作尿布、防水膠帶...等防水材料。
以此聚合物製成的薄膜，是一種半透膜，薄膜內包住鈉離子，所以內部是高濃度的環境，膜外則是低濃度的環境，因此水分子會從低濃度的地方進入高濃度的地方，當半透膜內外濃度差愈大，水分子的吸入量愈多，也就是吸收性聚合物的吸水量取決於外部是甚麼樣的水，如果是純水，約可吸收聚合物重量的數百倍；如果是尿液含鹽分，則只能吸收聚合物重量的一百倍左右。
利用此類高分子的特性，陳月蕙老師設計了很有趣的實驗，來了解尿布中吸水成分與金屬的結合性。當環境中含有帶正二價金屬離子的水溶液時，聚合物中帶負電的羧酸基團會吸收金屬離子，帶正電二價金屬離子會和聚合物上的鈉離子進行不可逆交換。
透過帶有正電荷金屬離子與帶負電荷的聚丙烯酸根結合之顏色變化（表一），觀察到不同金屬離子與聚丙烯酸的交聯。因為每個正二價金屬離子與聚合物網狀結構中的兩個羧酸根結合，交聯可以縮小聚合物鏈的膨脹，導致聚合物的吸水能力降低。根據檢量曲線得到金屬離子溶液吸光度，可以計算離子交換前後溶液中金屬離子含量，了解吸附在聚合物上金屬離子的含量。這種顏色變化的實驗也很適合科普的教學，利用一些無毒的金屬如鐵離子等，可以看到高分子吸水膨脹和跟金屬結合後的顏色變化，相當有趣。
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表一：二價金屬離子與聚合物交聯的顏色變化 |
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金屬離子 |
顏色 |
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鈉 |
白色 |
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鈣 |
白色 |
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銅 |
藍綠色 |
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鈷 |
深紫色 |
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鎳 |
亮綠色 |
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鐵 |
咖啡色 |
中華民國106年5月4日
（本文原刊載於東方報，感謝提供轉載）
