这种材料,竟能吸收比自身重百倍甚至上千倍的水!土豆淀粉就可以做!

2021年07月27日
你看过这样的魔术吗?魔术师在杯子中倒入水,然后将杯底朝上,杯子里的水竟然不会流下来。这个小魔术叫作“消失的水” ,那么这个让水消失的魔术原理究竟是什么?
惊奇!能吸比自身重千倍的水
魔术中杯子里的水到底去哪了呢?原来杯子里隐藏着一种粉末,叫作高吸水性树脂(SAPs),这是一种新型功能高分子材料,能吸收比自身重百倍甚至上千倍的水,当它吸水膨胀后与水发生凝固,成为一种水凝胶,锁水能力超强,因此水无法流出,即使是用力挤压也不会漏水。
高吸水性树脂
纸巾、毛巾和海绵等都是日常生活中用来吸水的材料,它们最多能吸自身重量20倍左右的水,而且保水性不强,用力挤压就可把水挤出。在高吸水性树脂面前,它们可都是小巫见大巫。与纸张、棉花和海绵等材料类似,高吸水性树脂的吸水能力也主要通过羧基、羟基等亲水性基因与水分子间强烈的氢键作用来实现,不同的是后者可利用的亲水性基因含量大大高于前者,且分子链网格结构可高度溶胀,进一步将水分子束缚于其中,从而获得了超强的吸水性能。
高吸水性树脂从何而来?
高吸水性树脂和一颗土豆有什么关系?其实,土豆中富含的淀粉就可以是高吸水性树脂的来源。淀粉一般不溶于水,但在水中经加热后,破坏了结晶区弱的氢键,结晶区消失,开始水合膨胀,黏度增加,这种现象称为糊化。
土豆淀粉可以用来制备高吸水性树脂
制备高吸水性树脂的淀粉主要采用玉米淀粉和小麦淀粉,也可采用土豆、红薯和大米的淀粉为原料。科技总是在根据人类生活需要不断发展,从淀粉制备高吸水树脂的方法不断得到改进,现在已经成为一种比较成熟便捷的技术。不单是淀粉,纤维素、壳聚糖等天然高分子都是良好的SAPs来源。
聚丙烯酸的分子结构示意图
高吸水性树脂还有一个重要的来源是合成聚合物,如聚丙烯酸(PAA)、聚丙烯酰胺(PAM)和聚乙烯醇(PVA)等。聚丙烯酸和聚丙烯酸钠高吸水性树脂是最广泛使用的保水剂,它们具有优异的吸水性和保水能力。聚乙烯醇(PVA)具有与聚丙烯酸相似的吸水性,还可以在细菌酶的帮助下降解,大大提高了它的应用价值。
    总体来说,纤维素、淀粉、壳聚糖等天然高吸水性树脂在降解性和生物相容性方面具有优势,可避免造成环境污染。但它们的提取和改性过程比较复杂,生产成本比一些合成聚合物高。合成高吸水性树脂通常比天然聚合物具有成本低、使用寿命长和吸水率高等优点,但降解难度大,容易造成环境污染。因此,科学家不断探索,试图将天然聚合物与合成聚合物的优点相结合,以获得更好的应用前景。
随着物流业的兴起,越来越多的生鲜产品在包装上应用了高吸水性树脂
高吸水性树脂的其他妙用?
基于独特的强吸水高保水的特性,高吸水性树脂在很多领域都找到了用武之地。在日常生活和卫生用品中,如婴儿一次性尿布、妇女卫生用品最为常见,还可以作为增稠剂添加到化妆品中。在食品工业中,尤其是食品保鲜上,高吸水性树脂可是大大优于聚烯烃薄膜的。在生鲜运输过程中,保鲜冰袋包装里面实际上也使用了高吸水性树脂。目前冰袋的内容物虽然无毒,对环境影响相对较小,但它们大量进入环境后,会破坏土壤和水体的微生态,从而影响其中的生物和生态系统。现阶段,该材料目前与生活垃圾一起处置,但焚烧处理时需要考虑很多问题。
用高吸水性树脂作为鲜花店插花的基材,可让鲜花保鲜长达5天
此外,高吸水性树脂在农业上大有可为。水资源短缺和干旱导致土壤荒漠化和盐渍化对农业可持续发展和粮食安全构成挑战。因此,提高水的利用效率在农业中具有重要意义。由于具有超高的吸水和保水能力,高吸水性树脂可用于有效改善农业用水的利用率,保持土壤水分和减少灌溉用水量。
   
令人称奇的魔术背后是科学原理的运用,我们被那些奇妙变幻迷住双眼、惊呼雀跃的快乐时刻背后是科学家们的探索与钻研。魔术告诉我们,生命可以充满惊奇和梦想,而科学告诉我们,梦想终会变成现实。
来源:知识就是力量公众号