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從氣球DIY談起~乳膠氣球與硫化橡膠 次要群組 [隨處遇科學::科學五四三] 列印 推薦
作者或來源 zfang 2013-06-10 12:21:45
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『2500多年前,印地安人將橡膠樹汁塗在腳上,等一段時間凝固後就製成了防水的橡膠靴子…』這天,和幾位同事組成親子團,一起體驗印地安人曾做過的活動。只不過,我們的橡膠不是塗在腳上,而是塗覆在一個造型可愛就像小小燈泡的模型上。

之一  氣球DIY
包覆在模型外的橡膠乾燥後,變成什麼?吹氣就能變成氣球!那麼~橡膠要如何塗在模型上?我們參觀氣球觀光工廠,並親自製作氣球!


製作氣球的材料:凝固劑、乳膠液。

乳膠液是製作氣球的原料,主成分是來自天然的巴西橡膠,再加入天然色料製成。浸入乳膠前,必須要將先烘乾加熱的模具先浸入凝固劑,凝固劑可以使乳膠快速凝固。這兒還有個口訣:1、10、5、10(將氣球模具沾凝固劑1秒,拿起來乾燥10秒;沾乳膠劑5秒,慢慢拿起反轉乾燥10秒。)


為了方便之後的脫模,凝固劑混有矽藻土。

矽藻土與凝固劑不互溶所以分層,矽藻土沉澱在下方,使用前要先攪拌。


將氣球模具沾凝固劑1秒,拿起來乾燥10秒。

接著沾乳膠劑,乳膠是從天然橡膠製得。


慢慢將模具放入乳膠劑中浸五秒鐘,再慢慢拿起來,模型轉正後等十秒鐘乾燥。

沾乳膠液的動作要慢,不然乳膠膜上會有氣泡或是乳膠流下來,吹的時候膨脹不均勻就容易破掉。


速度要多慢呢?『比蝸牛還要慢!』

浸的時間影響厚薄,水球比較薄,為的是讓它一砸就容易破掉。若要厚一點,乳膠得浸久一點,有些氣球工廠還會在乳膠成分內添加人工橡膠強化。氣球的顏色來自於乳膠液添加的色素,色素會影響氣球品質。

乳膠乾了就可以用大拇指和食指慢慢由下往上撥,用摩擦力來捲出吹嘴環(捲嘴)。


再一一排在模具上,送入烤箱烘七分鐘。

加熱目的為何?是脫水乾燥嗎?我們猜測是為了加速反應,什麼反應?cross linking. 烘烤後顏色會改變略深一些。脫模前為使氣球不會沾黏,得以食用級滑石粉做處理。


沾入滑石粉轉一轉,再用另一指塗抹均勻。


最後,再以拇指頂住模具,將氣球取下就完成了。測試一下,真的能吹耶!


若乳膠沾的過程中不均,做出來的氣球膜厚薄不一,吹的時候容易破。


動手做氣球,製作簡單,連小朋友都能做呢!

之二  乳膠氣球
氣球的定義很廣,只要材料只要能把氣體包住都可稱為氣球,而最初的氣球是用豬的膀胱做成,伽利略便曾用豬膀胱吹氣測量空氣的重量。近代的橡膠氣球則在1930 年代由英國科學家 Neil Tillotson發明。氣球不但可以做玩具,也能當作運輸工具。利用一般氣球充氣,是否能夠將人或房子帶到天上去?以下二段影片說分明。

中視新聞「天外奇蹟」成真 300顆氣球拉木屋飛天。

公視流言追追追-小氣球帶你飛上天!

回家做了個功課,氣球的材質很多種,其中以主成分為天然橡膠的乳膠氣球品質較高,天然橡膠具有很好的彈性、扯斷強度及伸長率。

此外,氣球並非耐久不壞的塑膠,乳膠是一種活的材質,因為天然橡膠對光跟熱敏感,氧化作用在充氣後即開始,氣球表面會慢慢出現霧化,隨著時間、溫度等因素發生光(紫外線)化學變化而造成分子間鍵結的斷裂而老化,失去原本的彈性,最後分解而回歸自然。填充氮氣可延長氣球壽命,有些氣球的成分內添加人工橡膠,雖可強化氣球彈性與保存,卻不易於被大自然分解。

世界天然橡膠的供給大部份來自巴西,為了延長橡膠乳汁保存時間,乳膠液中常加入氨作為化學穩定劑。

 

之三  硫化橡膠
天然橡膠化學成分是異戊二烯聚合物。異戊二烯的單體分子式為C5H8,是一種共軛二烯烴,其結構式如圖所示。加成聚合後,可形成順式或反式-1﹐4-聚異戊二烯二種結構,常見的天然橡膠構造式屬順式。

乳狀的橡膠樹汁凝固後,強度為何會提升?橡膠原汁是由長鏈分子組成,當空氣中的氧參與其中提供了連結點,便將鏈狀的橡膠分子相互結合,形成堅固的網狀結構。不過,以氧當做連結看似方便,卻有著不穩定的問題。

這是因為氧氣的活性大,過了一段時間,氧還會繼續與橡膠分子反應,並使分子鏈斷裂。所以~二千五百多年前的印地安人做出的防水橡膠靴子並不穩定,經過一天後就會粉碎。一直到1839年固特異製造出穩定的橡膠,加入與氧同族活性小一點的硫,對橡膠性能進行改良,才讓橡膠產業大幅前進。

當天然橡膠中混入硫磺加熱,可以發生硫化反應,使線性結構的大分子發生交聯,把具有黏稠性和熱塑性的天然橡膠轉變為具有三維立體網狀結構的彈性體和熱固性塑膠。硫化後的天然橡膠具有很好的彈性、強度等。硫化後的分子結構大致如下:

『硫化』的名詞是因最初的天然橡膠製品是用硫磺進行交聯而得名,現在可以用多種非硫磺交聯劑進行交聯,加入促進劑可以加速高分子交聯反應。在橡膠工業中,『硫化』與『交聯』是同義詞。

 
氣球的製程中,也加入"高溫加硫"的過程,使氣球品質更穩定。

後記:
回程的車上,翔翔玩起DIY氣球,突然發現:氣球會黏起來!原來是氣球因為摩擦產生靜電而『黏』在椅背上。


他可不懂什麼是靜電,只知道拿起氣球在阿嬤的牛仔褲摩擦,氣球就可以黏住椅背呢!


哈哈~媽媽妳看,這是臉! 

除了動手做氣球,我們也參觀工廠,並進行趣味活動,親子們學 到趣味也增長見識,而我藉由資料整理又多認識橡膠的科學知識,氣球動手做~是堂氣球化學實驗課呢!

 

1.延伸參考資料:塑膠物語: 天然橡膠 (natural rubber)硫化 - 维基百科,自由的百科全书
2.關於氣球工廠,請參考網友的精彩介紹: 台灣唯一的"氣球博物館"(大倫氣球觀光工廠)
3.附註,鼻涕蟲也是由交聯而得,利用硼砂做為交聯劑將聚乙烯醇聯結,請見之前文章自製水黏土~聚乙烯醇與硼砂的交聯作用

 

分類:科學五四三 2011/05/10 18:06

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