探究尿不湿结构与材料性质的实验活动设计*

王 珊 张 杨 雷红茹

高分子化合物是高中化学重要的教学内容，高吸水性树脂是一种重要的高分子化合物，在实际生活中用作尿不湿的原料，人教版高中化学教材《有机化学基础》、鲁科版高中化学教材《化学与生活》均选取尿不湿作为教学素材，并对尿不湿的吸水性进行了实验探究。尿不湿虽然是生活中常见的日用品，但是学生对于尿不湿的组成和化学结构相对陌生。本实验活动的任务是让学生认为自己是一名设计师，设计一款尿不湿产品。引导学生经历拆解尿不湿、依据类比想象的思维方法推测尿不湿各部分材料的结构、通过实验验证尿不湿各部分材料的性质、明确实际材料、分析实际材料存在的弊端及优化、组合材料优化产品性能等一系列过程，让学生体会产品设计的基本思路。本实验活动可以培养学生运用拆解组合、类比想象等方法解决实际问题的能力，通过分析尿不湿产品各部分材料的功能和结构，将生活问题与化学问题紧密联系，帮助学生认识物质的结构与性质息息相关。

一、尿不湿产品设计的基本思路

设计一款尿不湿，首先要对尿不湿进行功能拆解。尿不湿具有良好的吸尿性，防漏性和透气性。除此之外，一个好的尿不湿还应该具有干爽、柔软、舒适的性能。通过对尿不湿产品功能和结构进行拆解，可知尿不湿应至少包括3个组成部分：具有透气防漏性及干爽的底布，能够快速吸收并储存尿液的吸收芯层，具有良好的透气透水性和一定亲水性的表面包覆层。猜想尿不湿各部分的功能后，让学生亲手拆一拆尿不湿，验证学生的猜想。

根据尿不湿3个组成部分的不同功能，类比生活中具有相似功能的熟悉物品，推测各部分材料的结构特点，确定实际材料。以尿不湿底布为例，尿不湿底布有透气防漏性。生活中常见的透气性材料是毛巾，常见的防漏材料是塑料。毛巾与底布都有透气的功能，塑料与底布都有防漏的功能，底布与毛巾和塑料具有某些相似功能，也具有某些相似结构。通过类比毛巾和塑料的结构，可以推测尿不湿底布具有孔状结构且孔径大小适中，基本不含有亲水性官能团。事实上，尿不湿底布的实际材料为聚乙烯膜，聚乙烯膜不含有亲水性官能团，具有透气孔，孔的尺寸小于水滴的尺寸，大于水蒸气的尺寸。

确定尿不湿各组成部分的实际材料后，从实际需求出发，分析材料存在的弊端，对材料及产品进行改进及优化。一款安全无害的尿不湿产品就设计完成了。尿不湿产品设计的基本思路如图1所示。

图1 尿不湿产品设计的基本思路

二、尿不湿结构与材料性质的实验活动设计

1.尿不湿底布的材料选取及相关实验

尿不湿底布具有良好的透气防漏性以及干爽的功能。让学生将尿不湿底布与生活中具有相似功能的物品进行类比，探索与底布具有相似功能的熟悉材料的结构特点，推测底布的结构特点。学生可能想到的具有相似功能的物品是毛巾和塑料，毛巾与底布都具有透气的功能，塑料与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组合，推测底布的结构是毛巾和塑料结构的组合。学生可以根据毛巾和塑料的结构推测尿不湿底布的结构，并通过实验验证尿不湿底布的防漏性，最后明确实际材料。

(1)尿不湿底布材料的结构分析

底布与毛巾、塑料具有相似功能，也具有相似结构。毛巾是生活中常见的透气材料，毛巾具有良好的透气透水性和一定的亲水性，但不具备防漏性。毛巾的孔状结构较大，可以透过水蒸气(透气性)和水分子(透水性)，因此不具备防漏功能；毛巾的主要成分为纤维素，纤维素中含有大量的亲水性官能团羟基，因此具有较好的亲水性。塑料是生活中常见的防漏材料，塑料具有良好的防漏性，但不具备透气透水性和亲水性。塑料的孔状结构较小，基本不能透过水蒸气(不透气)和水分子(防漏)；塑料的亲水性较差，不含亲水性官能团(干爽)。尿不湿底布具有良好的透气防漏和干爽的功能，类比毛巾和塑料，推测尿不湿底布含有孔状结构，且孔径大小适中，可以通过水蒸气(透气)，不能通过水分子(防漏)；并且底布的亲水性较差，含有少量或不含亲水性官能团(干爽)。水蒸气通过尿不湿底布，排出湿气及热气，有效减少尿疹发生的机会；水分子不能通过尿不湿底布，防止漏尿。

(2)尿不湿底布实验

【仪器用品】

带有铁圈的铁架台、漏斗、100 mL烧杯、10 mL量筒、水、尿不湿底布。

【实验方案】

用量筒量取5 mL左右的水。将漏斗放在铁圈上，漏斗的下面放置100 mL烧杯。折叠尿不湿底布，将尿不湿底布放在漏斗上。将5 mL水倒入尿不湿底布中。5 min后，漏斗中仍然没有水流出。说明尿不湿的底布难以透过水分子，具有良好的防漏性。

(3)尿不湿底布的实际材料

国内市场的尿不湿底布主要由聚乙烯膜构成。聚乙烯膜不含有亲水性官能团，不易吸水，易保持布面干爽。同时，聚乙烯膜还具有较多的透气孔，透气孔在膜上分布均匀，尺寸在0.1～10 μm间，小于水滴尺寸(100～3 000 μm间)，大于水蒸气尺寸(0.000 34 μm左右)[1]，因此，尿不湿底布具有良好的透气防漏性。除此之外，聚乙烯膜还具有柔软舒适的优异性能。目前，一些尿不湿的底布已经使用更为舒适的无纺布，但由于价格偏高，国内市场的尿不湿底布仍主要由聚乙烯膜构成[2]。

2.尿不湿表面包覆层的材料选取及相关实验

尿不湿表面包覆层的材料选取思路与尿不湿底布材料选取思路类似，让学生将尿不湿表面包覆层与生活中具有相似功能的物品进行类比。尿不湿表面包覆层具有良好的透气透水性、一定的亲水性，因此可将尿不湿表面包覆层与毛巾进行类比，学生可以依据毛巾的结构推测出尿不湿表面包覆层的结构，并通过实验验证尿不湿表面包覆层的透水性，最后明确实际材料。

(1)尿不湿表面包覆层材料的结构分析

尿不湿表面包覆层与毛巾有相似的功能，也具有相似的结构。通过类比毛巾，表面包覆层应具有孔状结构，孔径较大，可以通过水蒸气(透气)，也可以通过水分子(透水)。水蒸气通过尿不湿表面包覆层可有效减少尿疹发生的机会。水分子通过表面包覆层进入吸收芯层，使尿液有效地被吸收。除此之外，表面包覆层的亲水性较好，从而使水分子顺利进入吸收芯层，据此推测尿不湿表面包覆层可能含有亲水性官能团或进行了亲水性处理。

(2)尿不湿表面包覆层实验

【仪器用品】

带有铁圈的铁架台、漏斗、100 mL烧杯、10 mL量筒、水、尿不湿表面包覆层。

【实验方案】

用量筒量取5 mL左右的水。将漏斗放在铁圈上，漏斗的下面放置100 mL烧杯。折叠尿不湿表面包覆层，将尿不湿表面包覆层放在漏斗上。将5 mL水倒入尿不湿表面包覆层中。倒入瞬间，大量的水流入到烧杯中。说明尿不湿表面包覆层能透过水分子，具有良好的透水性。

(3)尿不湿表面包覆层的实际材料

国内市场上的尿不湿表面包覆层主要是聚丙烯无纺布。无纺布突破了传统的纺织原理，具有工艺流程短、生产速度快，产量高等优点。与传统棉布相比，无纺布具有质轻、柔软、透气性佳、抗菌性好、容易降解的优点。尿不湿表面包覆层聚丙烯无纺布具有较多的孔状结构，水分子和水蒸气均能通过。聚丙烯无纺布中无亲水性官能团，亲水性较差。因此必须进行亲水处理，改善亲水性[3]。一般用于婴儿尿不湿表面包覆层的聚丙烯无纺布是采用表面活性剂处理过的，表面活性剂是既有亲水基团又有疏水基团的“两亲”分子。它的疏水基团通过范德华力被吸附于聚丙烯无纺布的表面。亲水基团伸向空气，形成定向排列的吸附层。吸附层能有效增加亲水性，从而使表面具有亲水性[4]。

3.尿不湿吸收芯层的材料选取及相关实验

尿不湿的吸收芯层能够快速吸收尿液、分散尿液、储存尿液、并且储存尿液后不容易被挤压出来。吸收芯层应具有良好的吸水性和保水性。尿不湿吸收芯层的选取思路与尿不湿底布和表面包覆层材料选取思路类似，让学生将尿不湿吸收芯层与生活中具有相似功能的物品进行类比。学生可能想到棉花，棉花具有一定的吸水性。学生可以根据棉花的结构推测尿不湿吸收芯层的结构，通过对比吸收芯层材料与棉花吸水性的实验验证了选取的吸收芯层材料的优异性能，最后明确实际材料。

(1)尿不湿吸收芯层材料的结构分析

让学生将尿不湿吸收芯层与生活中具有相似功能的物品进行类比。棉花是生活中常见的吸水材料，棉花的主要成分是纤维素(如图2所示)。纤维素的主要亲水性官能团是羟基，吸水性较差。纤维素是链状的结构，孔隙较大，不耐挤压，保水性较差。吸收芯层材料能够快速吸收并储存尿液。类比棉花，吸收芯层具有良好的吸水性和保水性。教师可以引导学生思考以增加亲水性官能团的个数或引入强亲水性官能团(如-COOH等)的方式提高吸水性，通过增加网状结构的程度以提高保水性。网状结构越密，孔径越小，水分子越不容易流出，保水性越好。但孔径太小，相应的吸水性会变差。因此要在一定范围内提高网状结构，从而保证尿不湿吸收芯具有良好的吸水性和保水性。

图2 纤维素的分子结构

(2)棉花与高吸水性树脂吸水的对比实验

通过对尿不湿吸收芯层材料的结构分析，学生能够推测吸收芯层材料的结构，理解高吸水性树脂相比传统吸水性材料(如棉花)更具优越性能的原因。通过设计高吸水性树脂聚丙烯酸钠和传统吸水性材料(棉花)的对比实验，让学生通过实验验证高吸水性树脂的优越性能。

【仪器用品】

天平、量筒、100 mL烧杯、玻璃棒、水、聚丙烯酸钠、棉花。

【实验方案】

用天平准确称量棉花、聚丙烯酸钠各0.5 g。将棉花、聚丙烯酸钠分别放入100 mL烧杯中。用2个量筒分别量取20 mL水，同时倒入盛有棉花和聚丙烯酸钠的烧杯中。放置一段时间，至棉花和聚丙烯酸钠均不再吸水。观察实验现象，发现聚丙烯酸钠膨胀，将水全部吸收。将烧杯倒置，没有水流出(如图3a所示)，说明聚丙烯酸钠的吸水性较好。用玻璃棒挤压吸水后的聚丙烯酸钠，无水流出，说明聚丙烯酸钠的保水性较好。实验发现棉花不能将水完全吸收(如图3b所示)，用玻璃棒挑出吸水后的棉花，放置于另一个100 mL烧杯中，用量筒量取第一个烧杯中剩余水的体积，约为5 mL，说明棉花的吸水性一般。用玻璃棒挤压吸水后的棉花，用量筒量取挤压产生的水，约为9 mL，说明棉花的保水性一般。

图3 聚丙烯酸钠和棉花的吸水性、保水性比较

(3)尿不湿吸收芯层的实际材料及吸水性原理

目前国内市场上尿不湿的吸收芯层主要是由纯木浆(绒毛浆)和高吸水性树脂(SAP)构成的层状结构。纯木浆使尿不湿更加柔软舒适，纯木浆的木浆纤维组织包括半纤维素，半纤维素是由几种不同类型的单糖构成的多聚体，结构中含有羟基，具有一定的亲水性。高吸水性树脂(SAP)为聚丙烯酸钠，是具有强亲水性基团(-COONa)的低交联的三维空间网络结构，具有良好的吸水性和保水性。

高吸水性树脂聚丙烯酸钠在干燥无水条件下，高分子链与链之间为网状的三维交联结构，羧酸钠紧密地固定在主链上。当和水接触时，羧酸钠遇水电离成COO-与Na+，钠离子可以移动到网状结构外，带负电的羧酸根相互排斥使网状结构扩大展开。网状结构中钠离子具备一定的活动性，可以移动到网状结构外。同时由于受网状结构负电荷的吸引，会使大量的钠离子留在网状结构中。因此网状结构中的钠离子浓度要大于外部水中钠离子浓度，网状结构内外产生渗透压，使其迅速吸水[5]。

当高吸水性树脂聚丙烯酸钠吸尿时，由于尿液中有Mg2+，Ca2+等阳离子，使钠离子的活动性受到限制，网络扩张力减弱，高分子链展开程度减小。并且Mg2+，Ca2+等离子与聚丙烯酸钠反应生成不溶性的聚丙烯酸盐，引起分子交联而发生凝胶化沉淀，最终导致聚丙烯酸钠的吸水倍率下降5。

图4 聚丙烯酸钠的吸水原理

三、尿不湿设计中存在的问题及优化

1.材料存在的弊端及优化

通过上述环节学生可以基本确定尿不湿各组成部分的实际材料。在实际应用中还要考虑对人体安全无害，引导学生思考这些材料是否存在缺点。然后与学生一起找出材料存在的弊端，分析产生弊端的原因、如何对材料进行结构改进和优化。例如，吸收芯层采用高吸水性树脂聚丙烯酸钠吸收尿液，吸水性和保水性都很好，吸水后呈凝胶状，很柔软。但是，聚丙烯酸钠含有大量的羧酸盐，可以水解，水解后显一定碱性，对婴儿的皮肤有刺激作用。因此需对聚丙烯酸钠的结构进行改进，使其在水溶液中基本呈中性。

在工业生产中，通常通过调节加入丙烯酸与氢氧化钠的比例，使最终生成的聚丙烯酸钠中能够保留一部分羧基，以保证其基本显中性，相应的结构如图5所示。

图5 尿不湿中的高吸水性树脂结构

2.组合各部分材料、优化产品性能

带领学生把尿不湿的各组成部分材料组装好，检查组合后的尿不湿是否能够发挥基本功能，引导学生思考如何对组合后的尿不湿产品进行优化。将尿不湿表面包覆层、吸收芯层和底布进行组合，使设计的尿不湿基本达到要求，并且安全、无害、柔软。为了促进尿液的快速吸收，可以在吸收芯层的上面加一层导流层(如图6所示)。导流层一般也是由特殊纤维原料制造而成的无纺布，具有高蓬松和快速液体导流能力。导流层可以避免液体集中在一个区域。导流层中的纤维是纵向的，孔隙形状像喇叭口，所以使尿液容易进入吸收芯层，受挤压后又不易反渗[1]。为了使宝宝更舒服，可以增加伸缩弹性腰围、腿围(如图7所示)。

图6 尿不湿中的导流层

图7 尿不湿的结构图

专家点评

该文的实验借助生活中的常用物品—尿不湿展开，分别对尿不湿的底布、表面包覆层和吸收芯层的材料做结构分析和实验设计，并在实验探究的基础上探讨真实材料选取所考虑的问题。该文在实验载体的选择上联系生活实际，在实验设计上具有趣味性，有助于调动学生的探究兴趣，能有效承载高分子、官能团等相关化学知识；同时该文还特别注重将“产品设计的基本思路”外显，通过目标功能分析及与相似功能材料类比来预测应选材料的结构特征，依据材料在真实应用场景中存在的不足讨论材料优化的方向；是一个基于真实情境、融入技术问题解决、外显思路方法的实验设计案例。

点评人：魏锐(北京师范大学，博士，副教授)