探究尿不濕結(jié)構(gòu)與材料性質(zhì)的實驗活動設計*

王 珊 張 楊 雷紅茹

高分子化合物是高中化學重要的教學內(nèi)容，高吸水性樹脂是一種重要的高分子化合物，在實際生活中用作尿不濕的原料，人教版高中化學教材《有機化學基礎》、魯科版高中化學教材《化學與生活》均選取尿不濕作為教學素材，并對尿不濕的吸水性進行了實驗探究。尿不濕雖然是生活中常見的日用品，但是學生對于尿不濕的組成和化學結(jié)構(gòu)相對陌生。本實驗活動的任務是讓學生認為自己是一名設計師，設計一款尿不濕產(chǎn)品。引導學生經(jīng)歷拆解尿不濕、依據(jù)類比想象的思維方法推測尿不濕各部分材料的結(jié)構(gòu)、通過實驗驗證尿不濕各部分材料的性質(zhì)、明確實際材料、分析實際材料存在的弊端及優(yōu)化、組合材料優(yōu)化產(chǎn)品性能等一系列過程，讓學生體會產(chǎn)品設計的基本思路。本實驗活動可以培養(yǎng)學生運用拆解組合、類比想象等方法解決實際問題的能力，通過分析尿不濕產(chǎn)品各部分材料的功能和結(jié)構(gòu)，將生活問題與化學問題緊密聯(lián)系，幫助學生認識物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)息息相關。

一、尿不濕產(chǎn)品設計的基本思路

設計一款尿不濕，首先要對尿不濕進行功能拆解。尿不濕具有良好的吸尿性，防漏性和透氣性。除此之外，一個好的尿不濕還應該具有干爽、柔軟、舒適的性能。通過對尿不濕產(chǎn)品功能和結(jié)構(gòu)進行拆解，可知尿不濕應至少包括3個組成部分：具有透氣防漏性及干爽的底布，能夠快速吸收并儲存尿液的吸收芯層，具有良好的透氣透水性和一定親水性的表面包覆層。猜想尿不濕各部分的功能后，讓學生親手拆一拆尿不濕，驗證學生的猜想。

根據(jù)尿不濕3個組成部分的不同功能，類比生活中具有相似功能的熟悉物品，推測各部分材料的結(jié)構(gòu)特點，確定實際材料。以尿不濕底布為例，尿不濕底布有透氣防漏性。生活中常見的透氣性材料是毛巾，常見的防漏材料是塑料。毛巾與底布都有透氣的功能，塑料與底布都有防漏的功能，底布與毛巾和塑料具有某些相似功能，也具有某些相似結(jié)構(gòu)。通過類比毛巾和塑料的結(jié)構(gòu)，可以推測尿不濕底布具有孔狀結(jié)構(gòu)且孔徑大小適中，基本不含有親水性官能團。事實上，尿不濕底布的實際材料為聚乙烯膜，聚乙烯膜不含有親水性官能團，具有透氣孔，孔的尺寸小于水滴的尺寸，大于水蒸氣的尺寸。

確定尿不濕各組成部分的實際材料后，從實際需求出發(fā)，分析材料存在的弊端，對材料及產(chǎn)品進行改進及優(yōu)化。一款安全無害的尿不濕產(chǎn)品就設計完成了。尿不濕產(chǎn)品設計的基本思路如圖1所示。

圖1 尿不濕產(chǎn)品設計的基本思路

二、尿不濕結(jié)構(gòu)與材料性質(zhì)的實驗活動設計

1.尿不濕底布的材料選取及相關實驗

尿不濕底布具有良好的透氣防漏性以及干爽的功能。讓學生將尿不濕底布與生活中具有相似功能的物品進行類比，探索與底布具有相似功能的熟悉材料的結(jié)構(gòu)特點，推測底布的結(jié)構(gòu)特點。學生可能想到的具有相似功能的物品是毛巾和塑料，毛巾與底布都具有透氣的功能，塑料與底布都具有防漏和干爽的功能，底布功能是毛巾和塑料功能的組合，推測底布的結(jié)構(gòu)是毛巾和塑料結(jié)構(gòu)的組合。學生可以根據(jù)毛巾和塑料的結(jié)構(gòu)推測尿不濕底布的結(jié)構(gòu)，并通過實驗驗證尿不濕底布的防漏性，最后明確實際材料。

(1)尿不濕底布材料的結(jié)構(gòu)分析

底布與毛巾、塑料具有相似功能，也具有相似結(jié)構(gòu)。毛巾是生活中常見的透氣材料，毛巾具有良好的透氣透水性和一定的親水性，但不具備防漏性。毛巾的孔狀結(jié)構(gòu)較大，可以透過水蒸氣(透氣性)和水分子(透水性)，因此不具備防漏功能；毛巾的主要成分為纖維素，纖維素中含有大量的親水性官能團羥基，因此具有較好的親水性。塑料是生活中常見的防漏材料，塑料具有良好的防漏性，但不具備透氣透水性和親水性。塑料的孔狀結(jié)構(gòu)較小，基本不能透過水蒸氣(不透氣)和水分子(防漏)；塑料的親水性較差，不含親水性官能團(干爽)。尿不濕底布具有良好的透氣防漏和干爽的功能，類比毛巾和塑料，推測尿不濕底布含有孔狀結(jié)構(gòu)，且孔徑大小適中，可以通過水蒸氣(透氣)，不能通過水分子(防漏)；并且底布的親水性較差，含有少量或不含親水性官能團(干爽)。水蒸氣通過尿不濕底布，排出濕氣及熱氣，有效減少尿疹發(fā)生的機會；水分子不能通過尿不濕底布，防止漏尿。

(2)尿不濕底布實驗

【儀器用品】

帶有鐵圈的鐵架臺、漏斗、100 mL燒杯、10 mL量筒、水、尿不濕底布。

【實驗方案】

用量筒量取5 mL左右的水。將漏斗放在鐵圈上，漏斗的下面放置100 mL燒杯。折疊尿不濕底布，將尿不濕底布放在漏斗上。將5 mL水倒入尿不濕底布中。5 min后，漏斗中仍然沒有水流出。說明尿不濕的底布難以透過水分子，具有良好的防漏性。

(3)尿不濕底布的實際材料

國內(nèi)市場的尿不濕底布主要由聚乙烯膜構(gòu)成。聚乙烯膜不含有親水性官能團，不易吸水，易保持布面干爽。同時，聚乙烯膜還具有較多的透氣孔，透氣孔在膜上分布均勻，尺寸在0.1～10 μm間，小于水滴尺寸(100～3 000 μm間)，大于水蒸氣尺寸(0.000 34 μm左右)[1]，因此，尿不濕底布具有良好的透氣防漏性。除此之外，聚乙烯膜還具有柔軟舒適的優(yōu)異性能。目前，一些尿不濕的底布已經(jīng)使用更為舒適的無紡布，但由于價格偏高，國內(nèi)市場的尿不濕底布仍主要由聚乙烯膜構(gòu)成[2]。

2.尿不濕表面包覆層的材料選取及相關實驗

尿不濕表面包覆層的材料選取思路與尿不濕底布材料選取思路類似，讓學生將尿不濕表面包覆層與生活中具有相似功能的物品進行類比。尿不濕表面包覆層具有良好的透氣透水性、一定的親水性，因此可將尿不濕表面包覆層與毛巾進行類比，學生可以依據(jù)毛巾的結(jié)構(gòu)推測出尿不濕表面包覆層的結(jié)構(gòu)，并通過實驗驗證尿不濕表面包覆層的透水性，最后明確實際材料。

(1)尿不濕表面包覆層材料的結(jié)構(gòu)分析

尿不濕表面包覆層與毛巾有相似的功能，也具有相似的結(jié)構(gòu)。通過類比毛巾，表面包覆層應具有孔狀結(jié)構(gòu)，孔徑較大，可以通過水蒸氣(透氣)，也可以通過水分子(透水)。水蒸氣通過尿不濕表面包覆層可有效減少尿疹發(fā)生的機會。水分子通過表面包覆層進入吸收芯層，使尿液有效地被吸收。除此之外，表面包覆層的親水性較好，從而使水分子順利進入吸收芯層，據(jù)此推測尿不濕表面包覆層可能含有親水性官能團或進行了親水性處理。

(2)尿不濕表面包覆層實驗

【儀器用品】

帶有鐵圈的鐵架臺、漏斗、100 mL燒杯、10 mL量筒、水、尿不濕表面包覆層。

【實驗方案】

用量筒量取5 mL左右的水。將漏斗放在鐵圈上，漏斗的下面放置100 mL燒杯。折疊尿不濕表面包覆層，將尿不濕表面包覆層放在漏斗上。將5 mL水倒入尿不濕表面包覆層中。倒入瞬間，大量的水流入到燒杯中。說明尿不濕表面包覆層能透過水分子，具有良好的透水性。

(3)尿不濕表面包覆層的實際材料

國內(nèi)市場上的尿不濕表面包覆層主要是聚丙烯無紡布。無紡布突破了傳統(tǒng)的紡織原理，具有工藝流程短、生產(chǎn)速度快，產(chǎn)量高等優(yōu)點。與傳統(tǒng)棉布相比，無紡布具有質(zhì)輕、柔軟、透氣性佳、抗菌性好、容易降解的優(yōu)點。尿不濕表面包覆層聚丙烯無紡布具有較多的孔狀結(jié)構(gòu)，水分子和水蒸氣均能通過。聚丙烯無紡布中無親水性官能團，親水性較差。因此必須進行親水處理，改善親水性[3]。一般用于嬰兒尿不濕表面包覆層的聚丙烯無紡布是采用表面活性劑處理過的，表面活性劑是既有親水基團又有疏水基團的“兩親”分子。它的疏水基團通過范德華力被吸附于聚丙烯無紡布的表面。親水基團伸向空氣，形成定向排列的吸附層。吸附層能有效增加親水性，從而使表面具有親水性[4]。

3.尿不濕吸收芯層的材料選取及相關實驗

尿不濕的吸收芯層能夠快速吸收尿液、分散尿液、儲存尿液、并且儲存尿液后不容易被擠壓出來。吸收芯層應具有良好的吸水性和保水性。尿不濕吸收芯層的選取思路與尿不濕底布和表面包覆層材料選取思路類似，讓學生將尿不濕吸收芯層與生活中具有相似功能的物品進行類比。學生可能想到棉花，棉花具有一定的吸水性。學生可以根據(jù)棉花的結(jié)構(gòu)推測尿不濕吸收芯層的結(jié)構(gòu)，通過對比吸收芯層材料與棉花吸水性的實驗驗證了選取的吸收芯層材料的優(yōu)異性能，最后明確實際材料。

(1)尿不濕吸收芯層材料的結(jié)構(gòu)分析

讓學生將尿不濕吸收芯層與生活中具有相似功能的物品進行類比。棉花是生活中常見的吸水材料，棉花的主要成分是纖維素(如圖2所示)。纖維素的主要親水性官能團是羥基，吸水性較差。纖維素是鏈狀的結(jié)構(gòu)，孔隙較大，不耐擠壓，保水性較差。吸收芯層材料能夠快速吸收并儲存尿液。類比棉花，吸收芯層具有良好的吸水性和保水性。教師可以引導學生思考以增加親水性官能團的個數(shù)或引入強親水性官能團(如-COOH等)的方式提高吸水性，通過增加網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的程度以提高保水性。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)越密，孔徑越小，水分子越不容易流出，保水性越好。但孔徑太小，相應的吸水性會變差。因此要在一定范圍內(nèi)提高網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而保證尿不濕吸收芯具有良好的吸水性和保水性。

圖2 纖維素的分子結(jié)構(gòu)

(2)棉花與高吸水性樹脂吸水的對比實驗

通過對尿不濕吸收芯層材料的結(jié)構(gòu)分析，學生能夠推測吸收芯層材料的結(jié)構(gòu)，理解高吸水性樹脂相比傳統(tǒng)吸水性材料(如棉花)更具優(yōu)越性能的原因。通過設計高吸水性樹脂聚丙烯酸鈉和傳統(tǒng)吸水性材料(棉花)的對比實驗，讓學生通過實驗驗證高吸水性樹脂的優(yōu)越性能。

【儀器用品】

天平、量筒、100 mL燒杯、玻璃棒、水、聚丙烯酸鈉、棉花。

【實驗方案】

用天平準確稱量棉花、聚丙烯酸鈉各0.5 g。將棉花、聚丙烯酸鈉分別放入100 mL燒杯中。用2個量筒分別量取20 mL水，同時倒入盛有棉花和聚丙烯酸鈉的燒杯中。放置一段時間，至棉花和聚丙烯酸鈉均不再吸水。觀察實驗現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)聚丙烯酸鈉膨脹，將水全部吸收。將燒杯倒置，沒有水流出(如圖3a所示)，說明聚丙烯酸鈉的吸水性較好。用玻璃棒擠壓吸水后的聚丙烯酸鈉，無水流出，說明聚丙烯酸鈉的保水性較好。實驗發(fā)現(xiàn)棉花不能將水完全吸收(如圖3b所示)，用玻璃棒挑出吸水后的棉花，放置于另一個100 mL燒杯中，用量筒量取第一個燒杯中剩余水的體積，約為5 mL，說明棉花的吸水性一般。用玻璃棒擠壓吸水后的棉花，用量筒量取擠壓產(chǎn)生的水，約為9 mL，說明棉花的保水性一般。

圖3 聚丙烯酸鈉和棉花的吸水性、保水性比較

(3)尿不濕吸收芯層的實際材料及吸水性原理

目前國內(nèi)市場上尿不濕的吸收芯層主要是由純木漿(絨毛漿)和高吸水性樹脂(SAP)構(gòu)成的層狀結(jié)構(gòu)。純木漿使尿不濕更加柔軟舒適，純木漿的木漿纖維組織包括半纖維素，半纖維素是由幾種不同類型的單糖構(gòu)成的多聚體，結(jié)構(gòu)中含有羥基，具有一定的親水性。高吸水性樹脂(SAP)為聚丙烯酸鈉，是具有強親水性基團(-COONa)的低交聯(lián)的三維空間網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，具有良好的吸水性和保水性。

高吸水性樹脂聚丙烯酸鈉在干燥無水條件下，高分子鏈與鏈之間為網(wǎng)狀的三維交聯(lián)結(jié)構(gòu)，羧酸鈉緊密地固定在主鏈上。當和水接觸時，羧酸鈉遇水電離成COO-與Na+，鈉離子可以移動到網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)外，帶負電的羧酸根相互排斥使網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)擴大展開。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中鈉離子具備一定的活動性，可以移動到網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)外。同時由于受網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)負電荷的吸引，會使大量的鈉離子留在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中。因此網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中的鈉離子濃度要大于外部水中鈉離子濃度，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)外產(chǎn)生滲透壓，使其迅速吸水[5]。

當高吸水性樹脂聚丙烯酸鈉吸尿時，由于尿液中有Mg2+，Ca2+等陽離子，使鈉離子的活動性受到限制，網(wǎng)絡擴張力減弱，高分子鏈展開程度減小。并且Mg2+，Ca2+等離子與聚丙烯酸鈉反應生成不溶性的聚丙烯酸鹽，引起分子交聯(lián)而發(fā)生凝膠化沉淀，最終導致聚丙烯酸鈉的吸水倍率下降5。

圖4 聚丙烯酸鈉的吸水原理

三、尿不濕設計中存在的問題及優(yōu)化

1.材料存在的弊端及優(yōu)化

通過上述環(huán)節(jié)學生可以基本確定尿不濕各組成部分的實際材料。在實際應用中還要考慮對人體安全無害，引導學生思考這些材料是否存在缺點。然后與學生一起找出材料存在的弊端，分析產(chǎn)生弊端的原因、如何對材料進行結(jié)構(gòu)改進和優(yōu)化。例如，吸收芯層采用高吸水性樹脂聚丙烯酸鈉吸收尿液，吸水性和保水性都很好，吸水后呈凝膠狀，很柔軟。但是，聚丙烯酸鈉含有大量的羧酸鹽，可以水解，水解后顯一定堿性，對嬰兒的皮膚有刺激作用。因此需對聚丙烯酸鈉的結(jié)構(gòu)進行改進，使其在水溶液中基本呈中性。

在工業(yè)生產(chǎn)中，通常通過調(diào)節(jié)加入丙烯酸與氫氧化鈉的比例，使最終生成的聚丙烯酸鈉中能夠保留一部分羧基，以保證其基本顯中性，相應的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 尿不濕中的高吸水性樹脂結(jié)構(gòu)

2.組合各部分材料、優(yōu)化產(chǎn)品性能

帶領學生把尿不濕的各組成部分材料組裝好，檢查組合后的尿不濕是否能夠發(fā)揮基本功能，引導學生思考如何對組合后的尿不濕產(chǎn)品進行優(yōu)化。將尿不濕表面包覆層、吸收芯層和底布進行組合，使設計的尿不濕基本達到要求，并且安全、無害、柔軟。為了促進尿液的快速吸收，可以在吸收芯層的上面加一層導流層(如圖6所示)。導流層一般也是由特殊纖維原料制造而成的無紡布，具有高蓬松和快速液體導流能力。導流層可以避免液體集中在一個區(qū)域。導流層中的纖維是縱向的，孔隙形狀像喇叭口，所以使尿液容易進入吸收芯層，受擠壓后又不易反滲[1]。為了使寶寶更舒服，可以增加伸縮彈性腰圍、腿圍(如圖7所示)。

圖6 尿不濕中的導流層

圖7 尿不濕的結(jié)構(gòu)圖

專家點評

該文的實驗借助生活中的常用物品—尿不濕展開，分別對尿不濕的底布、表面包覆層和吸收芯層的材料做結(jié)構(gòu)分析和實驗設計，并在實驗探究的基礎上探討真實材料選取所考慮的問題。該文在實驗載體的選擇上聯(lián)系生活實際，在實驗設計上具有趣味性，有助于調(diào)動學生的探究興趣，能有效承載高分子、官能團等相關化學知識；同時該文還特別注重將“產(chǎn)品設計的基本思路”外顯，通過目標功能分析及與相似功能材料類比來預測應選材料的結(jié)構(gòu)特征，依據(jù)材料在真實應用場景中存在的不足討論材料優(yōu)化的方向；是一個基于真實情境、融入技術(shù)問題解決、外顯思路方法的實驗設計案例。

點評人：魏銳(北京師范大學，博士，副教授)