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自製水黏土~聚乙烯醇與硼砂的交聯作用 次要群組 [隨處遇科學::科學五四三] 列印 推薦
作者或來源 zfang 2013-04-27 09:08:28
關鍵字 1聚合物 2網狀結構 3交叉連結
此文完整連結 http://zfang.zipko.info/368.html
文章歡迎轉載,請尊重版權註明連結來源。
不正常人類人腦智慧研究所
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繼上一篇DIY彈跳球與『聚乙烯醇』,我們來談聚乙烯醇與硼砂的交聯作用,也就是自製水黏土實驗。手邊沒有硼砂,所以這篇文章沒有我的實驗相片。

在寫水黏土文章時,曾與 余岳川 教授進行交流, 余 老師糾正我對Silly Putty的錯誤說法並指導:
……新版提到的透明玩具不是Silly Putty。Silly Putty是用矽油加硼砂製成,是無機聚合物,不透明,油溶性故能轉印報紙油墨。可在玩具反斗城買到。
……而透明那種是用聚乙烯醇加硼砂而得,我稱之為飛天法寶(一部電影)。屬有機聚合物,交叉連結反應會產生水,水溶性,不會轉印報紙油墨。

並提到硼砂與聚乙烯醇的反應:
…….硼砂溶於水產生B(OH)4,利用四個OH基與聚乙烯醇的OH基產生氫鍵或脫水反應,因此把原本可自由移動的聚合物長鏈綁在一起,顯示出來的巨觀行為就是黏滯性(與黏性無關)增加。

這個很有趣,硼砂算是無機物,聚乙烯醇則是有機高分子,彼此之間,居然能產生化學關係~讓它們緊緊相連!

******

首先是『硼砂』,想去藥房買。『家裡買那個東西做什麼?小孩子在很危險!』被制止了……
很多人有所不知,早期的殺螞蟻、殺蟑螂藥含有硼砂喔!『蘇老師化學黑白講』一書中就提到,把硼酸、麵粉、糖混在一起,就變成蟑螂毒餌,就算牠不吃只是爬過,硼酸結晶黏在外骨骼上,磨掉保護的油膜,最後蟑螂會脫水而亡。

現在市售的許多殺蟑藥都改用陶斯松(農藥嗎??),如果到大賣場找找並看看背後標示,應該還可以找到幾種是利用硼砂。至於,哪一種有效?對付『小強』還是『拖鞋』最厲害,我不怕會『爬』的,怕會『飛』的大蟑螂,還曾被高速撞到臉~超痛!謠言終結者(或搞怪實驗室)還曾經拿牠做實驗,在高單位的輻射照射下,驗證是否仍能存活!

許多食物都加有硼砂,增加彈性與保存,例如:脆丸、油條、鹼粽…等等。(硼酸用酒精燃燒是綠色火焰,可以用來測試硼元素;實驗室用的硼玻璃,則是加了氧化硼B2O3的玻璃,耐碰撞、溫度急遽變化也不易碎裂。)

硼砂與硼酸不一樣,硼砂的分子式為Na2B4O7 •10H20,溶於水生成 pH~9 之硼酸/硼酸鹽緩衝溶液。硼酸(boric acid,H3BO3)水溶液中會接受帶負電荷氫氧根離子(Hydroxide,OH-)進而生成硼酸根離子borate ion,B(OH)4- 。

 

硼酸根B(OH)4擔任角色為交叉連結劑(crosslinker)B(OH)4有四個OH,可與聚乙烯醇的醇基反應形成氫鍵或脫去水份產生鍵結,交叉連結越多,黏滯性越高。早期做魚丸要Q要脆,也是以硼砂為交叉連結劑。美國人固特異(Goodyear)則用硫當作天然橡膠的交叉連結劑改良了天然橡膠的性質。

『硼』的神奇就在於可以幫助分子長鏈相交聯。在長鏈結構中加進硼原子,可以產生一些接觸點(縮合或產生氫鍵),把長鏈分子連接形成半堅固的三維空間網狀結構,達到想要的彈性。

簡單版的製作方法:

  1. 直接利用含有聚乙烯醇成分的透明膠水(水8 8﹪、聚乙烯醇12﹪),調好固定濃度約為2%的硼砂水。
  2. 以布丁杯盛裝約 15C C 的膠水,並適量加入喜好的顏料,攪拌均勻。
  3. 嘗試倒入不同比例的硼砂水溶液( 例如1~3 cc),以不規則之方式來攪拌。
  4. 最後,可以發現它逐漸凝結成形,即可。

二個水溶液,混合在一起,迅速形成氫鍵,使其形成黏稠狀的聚合物,視水量而決定其強度,長期暴露於空氣中,失去水分也會使形成的聚合物發生改變,加『酸』也會對它造成影響喔!

*******

當聚乙烯醇遇上『硼』到底發生什麼事?

硼如何將聚乙烯醇交聯,余教授表示:『B(OH)4-   ,利用四個OH基與聚乙烯醇的OH基產生氫鍵或脫水反應…… 』二種可能:縮合反應或氫鍵,我比較認為B(OH)4-與聚乙烯醇上的醇基是形成氫鍵耶!以下反應式參考彰師大(變態的膠水---聚乙烯醇與硼砂的交聯作用)的插圖(縮合?涉及鍵的斷裂與形成,有這麼容易發生嗎?)

在中一中的科研講義[化學黏土](http://www.wretch.cc/blog/tcfns/12502358)則用四硼酸鈉[Na2B4O5(OH)4]來解釋。當四硼酸鈉與聚乙烯醇混合後,會利用氫鍵(虛線) ,與聚乙烯酸聚合連在一起,以下反應式參考中一中的科研講義:

硼砂水濃度越高,分子的交聯反應比較好,彈性佳,可以做成彈力球;反之,交聯反應較差,黏性與延展性好,變成液狀或糊稠狀或軟軟的,就是水黏土。

利用硼砂與聚乙烯醇(膠水)的反應很簡單,有不少人已經做成科展,探討硼砂與水的比例,對高分子聚合物性質的影響。而關於硼砂與聚乙烯醇的反應,可以參考以下二個連結台中一中科研社講義[化學黏土]http://www.wretch.cc/blog/tcfns/12502358,另一個來自彰師大中學理化示範實驗變態的膠水---聚乙烯醇與硼砂的交聯作用有非常詳細的說明。

*******

除了使用膠水(聚乙烯醇),硼砂與白膠(聚醋酸乙烯)混合,也會變成灰泥般的物質。

 


分類:科學五四三 2008/12/31 18:51

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