陳敬貽，董 昊

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尿布吸水特性的實(shí)驗(yàn)研究

陳敬貽1，董 昊2*

（1.南京師范大學(xué) 附屬中學(xué)，江蘇 南京 210003；2.南京大學(xué) 匡亞明學(xué)院，江蘇 南京 210023）

聚丙烯酸鈉是一種具有很強(qiáng)吸水能力的高分子材料，被廣泛用做尿不濕的吸水材料。本文對市面上常見的七種尿不濕品牌的性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，系統(tǒng)考察了不同品牌尿不濕的吸水速率、最大吸水量、保水能力以及不同鹽濃度和溫度下的吸水性能，基于這些實(shí)驗(yàn)來探討尿不濕吸收性能的影響因素，并為進(jìn)一步提升其吸水性能提供依據(jù)。

高分子材料；聚丙烯酸鈉；吸水性能；含鹽量

隨著時代的發(fā)展和社會的進(jìn)步，尿不濕的高吸水性、透氣性等特點(diǎn)給嬰幼兒的護(hù)理帶來了很大的方便，逐漸取代了傳統(tǒng)尿布。據(jù)調(diào)查，一個嬰兒平均一天要使用十幾片尿不濕，一個家庭購買尿不濕所需的花銷相當(dāng)可觀，而全世界的嬰兒對于尿不濕的使用量則是一個天文數(shù)字。這帶來的一個有意義的問題就是：怎樣可以改善尿不濕的性能，從而做到物盡其用？另外一方面，尿不濕的大量使用會帶來“白色污染”等環(huán)境問題，這也促使我們思考應(yīng)當(dāng)怎樣改善尿不濕的材料，提高尿不濕的利用效率[3]，或是對使用過的尿不濕進(jìn)行再次利用，從而增強(qiáng)其環(huán)境友好性。

尿不濕內(nèi)部的主要吸水材料為聚丙烯酸鈉，它是一種無毒、無害、無污染的新型高吸水性高分子材料（super absorbent polymer，簡稱SAP）[1]。這種材料可以吸收比自身質(zhì)量重幾百甚至幾千倍的水，而且具有很強(qiáng)的保水能力，使得吸收的水很難再溢出。與傳統(tǒng)尿布、棉布不同，尿不濕中的高吸水性樹脂是通過化學(xué)鍵與水結(jié)合，從而提高了吸水能力和保水能力[2]。

由于高吸水樹脂材料的合成方法不同，這些材料的吸水性能可能會有較大的差異[4]。為此，本文對市場上銷售的幾種尿不濕的主要產(chǎn)品在不同環(huán)境下的吸水特性進(jìn)行定量研究，希望理解尿不濕吸收性能的影響因素，為合理購買尿不濕提供參考，也為進(jìn)一步提升其吸水性能提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

圖1 本文使用的七種尿不濕品牌

1 實(shí)驗(yàn)簡介

考慮從多次吸水性、保水性、液體含鹽量及液體溫度等不同角度比較各個知名品牌尿不濕的性能。

如圖1所示，本文在實(shí)驗(yàn)中使用了以下七個品牌的尿不濕（均為小號）：花王（日本）、大王（日本）、媽咪寶貝（日本）、麗貝樂（瑞典）、幫寶適（美國）、五羊（中國）、安兒樂（中國）。其中，除了麗貝樂和五羊以外，其它品牌均有變色尿濕顯示帶。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 吸水率比較

首先，為了比較不同品牌尿不濕的吸水速率，我們選擇了上述七種品牌尿不濕各三片，放于桌面并壓平，用漏斗在尿不濕的中央位置一次性加入60 ml溫度為30℃的水，記錄從加水直至尿不濕表面不再有殘留水的時間（為了讓尿不濕表面的水清晰可見，我們在水中加入了少量碘液使水呈現(xiàn)暗黃色）。每一種尿不濕在三次實(shí)驗(yàn)中所需要的時間及其平均值如表1所示。各種品牌的尿不濕吸水的時間為7-11秒，但不同品牌具有明顯的差異，其中五羊吸水速度較慢（約11秒），安兒樂（約7秒）和媽咪寶貝（約8秒）吸水較快。

表1 不同品牌尿不濕的吸水速率比較（單位：秒）

考慮到現(xiàn)實(shí)生活中，人們很難做到在嬰兒每一次小便之后及時更換尿不濕，在第一次注水已經(jīng)完全被吸收后，我們又測量了在以上尿不濕相同位置再次加入60 ml水后的吸水時間。每一種尿不濕測量三次，三次實(shí)驗(yàn)中所需要的時間及其平均值如表格2所示?？梢姡诙挝乃俣绕毡槎甲兟?，其中媽咪寶貝變化顯著，時間由第一次的7秒增長為18秒，而五羊的變化很小，兩次吸水的時間均為11秒左右。綜合兩次的吸水速度結(jié)果，花王和幫寶適體現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性和較快的吸水速率。

表2 七種品牌尿不濕第二次吸水速率比較（單位:秒）

2.2 吸水量比較

我們對不同品牌尿不濕的吸水量也進(jìn)行了比較。實(shí)驗(yàn)中，我們稱取整片尿不濕加水至飽和時的質(zhì)量（注：兩側(cè)和腰帶的質(zhì)量很小，在實(shí)驗(yàn)中可忽略不計(jì)）。每一種尿不濕在三次實(shí)驗(yàn)中的吸水量及其平均值如表3所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同品牌尿布的吸水量差異較大，其中吸水量最大的是麗貝樂（1088克），最小的是五羊（802克）和幫寶適（805克）。麗貝樂的吸水性能是五羊的1.36倍，單片吸水量的差異值達(dá)到286克。需要指出的是，與其它尿不濕明顯不同，媽咪寶貝和幫寶適吸滿水后較為柔軟，可能具有更好的穿戴舒適性。

表3 七種品牌尿不濕吸水量比較（單位:克）

2.3 保水性能比較

為了研究尿不濕的保水能力，我們又在加滿水的尿不濕的上、下表面都壓了吸水材料，并用同一重物均勻壓在尿不濕上（本實(shí)驗(yàn)中所用的重物為一個質(zhì)量為2927克的物品，面積足以蓋住整個尿不濕），稱量尿不濕在擠壓前后的質(zhì)量。得到數(shù)據(jù)如表格4所示。不難看出，麗貝樂和五羊的保水能力較強(qiáng)，在擠壓時液體不容易溢出，而幫寶適的尿不濕在擠壓時容易溢出。由于三片安兒樂尿不濕在吸水后均被擠破，內(nèi)部材料漏出，故沒有進(jìn)行該品牌尿不濕的保水性能進(jìn)行測量。

表4 七種品牌尿不濕溢出水量（△m）及保水率的比較

2.4 含鹽量和溫度對吸水量的影響

我們又進(jìn)行了對于SAP這種材料的自身性能的探究，主要研究了含鹽量和溫度對SAP吸水量的影響。

為此，我們選用了媽咪寶貝尿不濕，將中部均勻的區(qū)域剪成2 cm×2 cm的小塊（質(zhì)量約為1克），并用輕紗布包好。我們又配置了常溫下不同濃度的鹽溶液，將尿不濕小塊浸入水中，相同時間后取出，并稱量吸水前后的質(zhì)量。得到數(shù)據(jù)如表格5所示。

表5 鹽濃度對吸水量的影響（單位:克）

從表5中可以看出，尿不濕的吸水量隨著水溶液中含鹽量的增加而降低。為了清楚地展示含鹽量對尿不濕吸水性能的影響，圖2顯示兩個極端的例子，即同一種尿不濕對含鹽量很高的水溶液（圖2左）及無鹽水液吸收的最終狀態(tài)。從圖2中我們也可以觀察到，在無鹽的水溶液中，SAP材料可以吸收很多水，導(dǎo)致其膨脹得很大；而在濃度較高的鹽溶液中，SAP材料則只能吸收少量水。

圖2 同樣大小同品牌的尿不濕對不同含鹽量水溶液的吸收情況比較

圖3 幫寶適尿不濕的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（箭頭所示為導(dǎo)管）

同樣地，本試驗(yàn)又改變了水的溫度，并測量了SAP材料在不同溫度下的吸水能力。得到數(shù)據(jù)如表格6所示。從中可以看出，溫度對SAP吸水性能的影響并不是很大，溫度變化40℃時吸水量相對變化僅17%左右。非常有趣的是，吸水量在體溫（37℃）附近達(dá)到峰值。

表6 不同溫度下的吸水量比較（單位:克）

3 討論

在實(shí)驗(yàn)中，我們對尿不濕的性能以及SAP這種材料的性質(zhì)進(jìn)行了較為廣泛的探索，得到了一系列有趣的結(jié)果。當(dāng)然，受到實(shí)驗(yàn)條件的限制，目前只得到初步的結(jié)果，同時也具有一定的局限性。比如，在比較尿不濕吸水速度的實(shí)驗(yàn)中，很難做到使液體只向兩邊擴(kuò)散而且不會溢出。此外，尿不濕對水的吸收能力和對尿液的吸收能力是不同的[5]。

讓我們感到很意外的是，尿不濕產(chǎn)品并不是將SAP材料簡單地封裝即可。在實(shí)驗(yàn)中，我們觀察到有些品牌的尿不濕有著一些特殊的結(jié)構(gòu)。值得一提的是幫寶適尿不濕。在加水后，水沿幾根縱向的“導(dǎo)流管”流向兩邊，如圖3的箭頭所示。這種結(jié)構(gòu)有助于加速水的吸收。此外，幫寶適在吸水后SAP顆粒比其它的稍小一些，而且?guī)蛯氝m在吸水材料上方墊了較厚一層棉，使得該尿不濕非常柔軟——這是其它品牌尿不濕所沒有的。

除了本文探討的問題之外，還有很多問題值得深入研究。比如，能否通過改變SAP的親水基團(tuán)從而來改變尿不濕的性能？用完的尿不濕能否再次回收利用，或者在其它方面繼續(xù)使用？我們還可以通過SAP的性質(zhì)來考慮其在實(shí)際生活中的應(yīng)用，比如利用SAP的保水能力來在沙漠等干旱地區(qū)植樹種花[6,7]，比如利用SAP的高吸水性來儲存水以解決戶外運(yùn)動中不方便攜帶水的問題，等等。

此外，我們計(jì)劃采用通用的量子化學(xué)計(jì)算軟件Gaussian09對SAP-(H2O)n體系進(jìn)行計(jì)算，以便從微觀尺度理解SAP材料吸水性能在不同環(huán)境中的差別。另外，SAP不同的質(zhì)子化狀態(tài)（用以模擬酸性或者堿性條件）對于水分子結(jié)合能的影響也是非常值得研究的課題。

4 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)，比較了市場上七種不同品牌的尿不濕在不同條件下吸水及保水性能，結(jié)果顯示：

（1）不同品牌的尿不濕首次吸水速度差別不是很大，吸收60 ml水耗時在7-11秒之間，平均為8.2秒；

（2）不同品牌的尿不濕二次吸水速度差別較大，有的尿不濕的二次吸水時間和首次吸水時間相當(dāng)，而有的則是首次吸水耗時的2倍；

（3）不同品牌尿不濕的吸水量差別也不是很大，對于一整片尿不濕，其吸水量在802克到1088克，平均值為950克；

（4）不同品牌尿不濕的保水性能差別不大，在使用2.927千克的重物擠壓上述吸水尿不濕之后，尿不濕能保持95.0-98.7%的吸水；

（5）隨著水中含鹽量的增加，尿不濕的吸水性能剛開始劇減，之后趨于穩(wěn)定；

（6）尿不濕的吸水性能在攝氏40度左右吸水性能最佳，這個溫度與人體溫度接近。

[1] ITyagi，AGoel，劉俊華．超吸水性聚合物[J]．國際紡織導(dǎo)報(bào)，2017，45(2)：4-4．

[2] 劉菁．尿不濕的服用舒適性探討[J]．武漢科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，(06)：23-26．

[3] 鄔素華．尿不濕邊角料的再利用研究(英文)[J]．中山大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007，(S1)：72.

[4] 巴努古麗·多來提．丙烯酸基高強(qiáng)度快速吸水樹脂的紫外聚合及接枝改性研究[D]．烏魯木齊：新疆大學(xué)，2016．

[5] 張守林，馬宏佳，陶亞奇．探究活動一例——尿不濕中聚丙烯酸鈉吸水特性探究[J]．中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2003，(Z2)：53-54．

[6] 陸青．“尿不濕”變出沙漠綠洲[J]．農(nóng)村青少年科學(xué)探究，2013，(Z1)：80．

[7] 曲貴偉，ADVarennes．尿不濕中高吸水性聚合物對礦區(qū)土壤的修復(fù)及紫花漆姑草生長的影響[J]．農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2013，32（07）：1348-1354．

Experimental Study on Water Absorption Capacity of Diapers

CHEN Jing-Yi1, DONG Hao2

(1. High School Affiliated to Nanjing Normal University, Nanjing Jiangsu 210003, China; 2.KuangYaming Honors School, Nanjing University, Nanjing Jiangsu 210023, China)

Sodium polyacrylate is a kind of polymer material with strong water absorption capacity. It has been widely used as the water absorbing material in diapers. The water absorbency of seven brands of diapers being available in market was studied systematically to investigate the water absorption rate, the maximum water absorption capacity, the water holding capacity and the water absorption performance under circumstances with different salt concentrations and temperatures. Based on these experiments, we can better understand the factors that influence the characteristics of diapers, with insights for further improving their water absorption capacity.

polymer; sodium polyacrylate; water absorbency; salinity

董昊(1981-)，男，教授，博士，研究方向：計(jì)算化學(xué).

全國中學(xué)生英才計(jì)劃項(xiàng)目（2017）.

TB324

A

2095－414X(2019)02－0020－05