為什麼衛生棉可以做到「超乾爽不外漏」?

熟睡的女性要的就是能在生理期好好地睡一覺。圖/pexels

為什麼衛生棉可以「超乾爽不外漏」?

衛生棉是女性的生活必需品,大家一定對「 超強吸水、十倍吸收、超乾爽」這樣的廣告詞耳熟能詳!衛生棉廣告中,也常出現一個橋段──將水直接倒在衛生棉上──用以證明其有超強吸收及保水能力。

圖/pexels

事實上這一點都不誇張,因為在衛生棉內層當中具有極高吸水能力的「吸水性高分子」。吸水性高分子可吸收本身重量 500 倍(本身體積 30-60 倍)含量的水,當然可以超乾爽不外漏。

吸水性高分子本身不溶於水,且具有很高的保水能力。我們印象中的吸水材料如棉、紙、海綿等,是利用毛細管現象將水吸收於材的間隙;與吸水性高分子相較,其吸水能力低、保水能力也不好──受到壓力水就會流出。所以對於衛生棉、紙尿褲而言,尚且不足以把水分鎖住,並不適合作為吸水層主要材料。

「吸水性高分子」除了吸水還有什麼功能?

衛生棉的設計發想源自於土壤保水率材料的研究。圖/pexels

一個能夠用於衛生棉內的吸水材料,不但要有吸水能力,同時還要有保水能力。過去對於吸水能力的產生往往是因為水與纖維質孔隙之分子有作用力而使液體流動,但是如果要使液體不流動,就要想辦法讓水被抓住、被固定住,那麼在材料選擇的思維就不同了。

而這類吸水性高分子最早並非使用於衛生用品當中。在 1960 年代早期,美國農業部進行改善土壤保水率材料的研究,開發了能夠吸收本身重量 400 多倍水的高分子化合物,而且這類材料不會像纖維基吸收材料那樣釋放水。後來美國農業部將這項技術移轉給一些美國公司,進行進一步開發,逐漸被改良及應用於衛生用品中。

鎖住水分的保水能力,怎麼辦到的?

吸水性高分子最重要的特性是保水性。一個分子要如何擁有保水能力?

就是要有「抓」水的能力。

首先,先來介紹一下化學的基本觀念。水本身是一個分子,它是由氫原子以及氧原子所組成,分子式為 H2O (如下圖(B)所示)。由於氫原子以及氧原子周圍都有電子存在,然而原子本身對於電子的喜好程度不同,形成化學鍵結後,會產生電荷分布不均的現象,並產生所謂的極性(如下圖(A) 所示 )。

氧原子本身對於電子的喜好程度較高,因而較能吸引電子(喜好電子的程度在專業領域上稱之為陰電性);氫原子本身對於電子的喜好程度則較低。當兩者形成化學鍵結合時,會引起電子的局部流動──氧原子的周圍被較多的電子圍繞,氫原子的電子局部流失,形成了帶有正/負兩極的極性狀態(如下圖 (B) 所示)。

所以水本身就是有極性的。那要如何能夠抓住水分子呢?這個答案就很明顯了,就是找一個也有極性的分子, 因為正/負會相吸的簡單原理,就會把水吸引住,水就被「抓」住了。

(A)水的電子局部流動分佈 (B)水的極性。圖/作者提供

也就是說,如果我們能夠將具有極性特質的分子,固定於在衛生棉材料中,就能有效地將水抓住;而這類分子又不能被水給溶解出,那麼最好的選擇莫過於吸水性高分子了。

聚丙烯酸鈉上之-COO- 與水具有極性吸引力。圖/Edgar181 [Public domain], from wikimedia commons

在此以常用的吸水性高分子聚丙烯酸鈉 (Sodium polyacrylate)來說明:

聚丙烯酸鈉分子式為 [-CH2-CH(COONa)-],而高分子在吸水前,分子的長鏈相互交纏,形成三維度的網目構造,類似交纏的毛線球。由於分子鏈段上的 -COONa 易解離(於水中分解成 –COO 與 Na+ 離子),所以 –COO本身會有極性,會與水分子的極性互相吸引,而將水「抓」住,(如 上圖所示)。

由於 –COO本身帶負電,互相排斥之下,高分子網目擴大,吸水量隨之增加,換句話說,保水性也就提高了!如上面影片,我們可以觀察到其體積的膨脹,吸水前後體積有偌大的差異。

這也就能解釋為何衛生棉具有超強吸收及保水能力了!如今吸水性高分子被廣泛的應用在生活中,衛生棉、紙尿褲、土壤保水劑等都可一窺其蹤跡,具有龐大的商業價值,諸多廠商積極投入開發新材料並申請專利;但不論其結構變得多複雜,基本學理其實就是這樣簡單。

參考文獻 :

  1. Physics LibreTests: Capacitors and Dielectrics
  2. The Wire: Why Water Along the Surface of a Tank Isn’t Like the Water Inside
  3. Polymers-Osmosis Magic
  • 文字編輯/蔡雨辰

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關於作者

李赫

中央大學理學博士。為熱愛傳播知識與吸收知識的 作家/教育/研究學者。 對於居家設計與生活時尚亦有高度興趣 (FB作者專頁)。

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