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做一条吸水“毛巾”，也能发Matter

时间：2023-01-12 来源： 浏览：

做一条吸水“毛巾”，也能发Matter

原创 小希 X-MOL资讯
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前几周，疫情汹涌，无数人饱受高烧折磨之苦，小希无意间看到朋友圈有人分享的网上自制退烧贴“偏方”（下图左），此外，一位演员也在社交平台上发文“跟风”（下图右）。仔细想想，这个自制退烧贴还真的很有道理，婴儿纸尿裤内含性能良好的吸水材料，吸水冷藏之后的确可以在较长时间内保持较低温度，而且面料亲肤透气，佩戴舒适。虽然用上之后形象怪异一点，但考虑到那几天抢不到的退热贴，这几乎是完美的替代方案了。 （烧的晕头转向，能舒服一点谁还在意形象啊？）

其实，纸尿裤内的高性能吸水材料，即能吸收自身质量10~1000倍液体的材料，其研究与开发只有近几十年的历史。20世纪50年代，美国Goodrich 公司开发了交联聚丙烯酸吸水凝胶 [1] ， 同一时期，美国康奈尔大学Paul J. Flory教授建立了高分子溶胀理论，并因其“在高分子物理化学的理论和实验方面的根本性贡献”，获1974年诺贝尔化学奖。60年代末至70年代初，美国、日本等国家的公司相继成功地开发了高吸水材料，作为土壤保水剂进入工业市场 [2] 。1979年，日本三洋化成公司将高吸水材料应用于一次性婴儿纸尿裤、卫生巾等个人卫生用品，进一步拓展了高吸水材料的商业应用领域。

超吸水凝胶土壤保水应用。图片来源： Eur. Polym. J . [2]
高吸水材料种类很多，但一般都具备以下三个特点：1）含亲水基团，2）具有适当交联度，吸水后膨胀，3）具有立体网络结构，限制水分子运动。近年来，新型多孔材料作为吸收剂，制备的水凝胶可以实现更高的液体吸收度，然而，当这些凝胶干燥后，通常会变成易碎的固体，无法像毛巾那样柔软又可折叠，用途受限。

目前吸水材料比较。图片来源： Matter
近日，美国 马里兰大学帕克分校Srinivasa R. Raghavan 教授课题组在Cell Press细胞出版社旗下 Matter 杂志发表论文，报道了一种新的 高吸水性水凝胶，在干燥状态下依旧可以保持柔性，像毛巾一样可以折叠和卷起，用剪刀就能裁剪成需要的尺寸 。这种凝胶“毛巾”具有优异的拉伸性能和吸水性能，是市售织物吸水性的3倍以上，可用于吸收家庭和实验室的液体，以及手术或医疗过程中的生物液体。

凝胶“毛巾”吸水性能展示。图片来源： Matter
这种凝胶“毛巾”的制备流程如下图所示。研究者以丙烯酸和丙烯酰胺为单体，利用乙酸和碳酸氢钠反应生成的二氧化碳气体形成泡沫，通过紫外线交联，形成开放的多孔微通道聚合物网络。该聚合物先后经历在水中膨胀、在乙醇和甘油中溶剂交换、环境条件下干燥后，得到柔软的凝胶片，孔隙率为~84%，平均孔径~240 μm。

凝胶“毛巾”合成示意图。图片来源： Matter
研究者发现，当单体丙烯酸和丙烯酰胺的比例为3:1时，凝胶“毛巾”具有高吸水性，且在溶胀状态下保持良好的强度。浓度为0.625%的疏水改性壳聚糖作为聚合物稳定剂，确保紫外交联下多孔结构可以保持。交联剂聚乙二醇二丙烯酸酯（ M W = 575 Da）的最佳浓度为总单体的2.5 mol %。溶剂交换中，15%的甘油作为增塑剂使用，可以防止凝胶“毛巾”变脆，提高其机械性能。

凝胶“毛巾”的微观结构。图片来源： Matter
凝胶“毛巾”可以反复折叠、卷曲、挤压和展开，不会发生撕裂或破坏，也可以用剪刀轻松地剪开，切割边缘光滑干净，这些特点都类似织物。应力-应变测试显示，凝胶“毛巾”的拉伸强度约2 kPa，拉伸模量约4.8 kPa，以及45%的拉伸应变。压缩85%后，移除外力，凝胶“毛巾”立即恢复到初始状态，多次循环也几乎没有塑性形变。这些凝胶“毛巾”还具有超长的保质期，室温下放置一年后，仍保持柔性。

凝胶“毛巾”的折叠性能。图片来源： Matter

凝胶“毛巾”的机械性能。图片来源： Matter
凝胶“毛巾”具有优异的吸水性能，吸水容量高达2.2 mL c m -3 ，是普通市售吸水垫（0.67 mL cm -3 ）的3倍多。换算成质量比，每克凝胶“毛巾”能吸收~30克水。而且，凝胶“毛巾”吸水后，可以紧紧的将其“锁住”，水滴不会从膨胀的凝胶中滴落下来。

凝胶“毛巾”的吸水极限。图片来源： Matter

凝胶“毛巾”与市售布垫对比。图片来源： Matter
实际上，普通织物的吸水利用毛细现象，因此吸水前后体积几乎不变；而凝胶“毛巾”之所以具有更高的吸水性，因为水分子的进入，引起了阴离子链相互排斥，增加了内部渗透压，发生溶胀。

吸水后，凝胶“毛巾”发生溶胀。图片来源： Matter
血液的粘度约纯水的约4倍，研究者利用凝胶“毛巾”擦拭牛血，一分钟内可吸收＞99%的血液，提起凝胶时，血液不会滴下。而对比的市售纱布敷料，仅能吸收~55%的血液，且无法将吸收的血液“锁住”。相同尺寸的凝胶“毛巾”，是商业产品吸血量的3倍多。

凝胶“毛巾”擦拭血液对比。图片来源： Matter
“我们重新设计了水凝胶，新材料兼具毛巾和水凝胶的优点”，Srinivasa Raghavan教授说，“这种凝胶材料在环境条件下能保持柔韧性至少一年，可以吸收厨房和实验室的残留液体，清除手术以及月经导致的出血。不仅仅是发发论文，我更感兴趣将这个发明进一步推向实际应用 。” [3]
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
A better picker-upper: Superabsorbent “gel sheets” with fabric-like flexibility
Hema Choudhary, Christine Zhou, Srinivasa R. Raghavan
Matter , 2023 , DOI: 10.1016/j.matt.2022.11.021
参考文献：
[1] 李建颖. 高吸水与高吸油性树脂 . 北京：化学工业出版社， 2005
[2] M. R. Guilhermea, et al. Superabsorbent hydrogels based on polysaccharides for application in agriculture as soil conditioner and nutrient carrier: A review. Eur. Polym. J. 2015 , 72 , 365-38. DOI: 10.1016/j.eurpolymj.2015.04.017
[3] ’Better picker-upper’ absorbs three times more liquid than a paper towel
https://phys.org/news/2022-12-picker-upper-absorbs-liquid-paper-towel.html
（本文由 小希 供稿）

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