綠色膠黏,交聯:硼砂的取代調查/ 廖旭茂、王玉睿、梁書銘

星期六 , 2, 三月 2019 Leave a comment


綠色膠黏,交聯:硼砂的取代調查

廖旭茂*、王玉睿、梁書銘

台中市立大甲高級中等學校

教育部高中化學學科中心
*nacl880626@hotmail.com

n   影片觀賞

本實驗影片由大甲高中提供,綠色交聯成品的體驗過程介紹。

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影片網址:https://youtu.be/jyNZPxNz6NM,
YouTube.

n 簡介

    在中小學的實驗課堂裡或科學社團活動中常利用透明PVA膠水(Polyvinyl alcohol,簡稱PVA, 聚乙烯醇)或白膠(Polyvinyl acetate,簡稱PVAc聚醋酸乙烯酯),跟不等量的硼砂產生交聯作用,可以製作黏彈性不一的異形(putty,另稱橡皮泥)QQ1;或在其中加入四氧化三鐵粉末(Fe3O4),製作可被磁鐵所吸引,逗趣的磁力異形2,但這個熱門又耳熟能響的科學玩具卻隱含著一個被輕忽的風險硼砂。2017年就曾經報導過,新竹有學童就誤食了同學私下買來製作「史萊姆」的食用級硼砂,而緊急住院的案例3

    硼砂(Na2B4O7·10H2O),生活中廣泛地被使用在食品防腐、眼科醫藥、肥料,以及蟑螂的餌劑中;成人若攝入用1~3
公克硼砂即可能中毒,15~20 公克有致命危險;孩童則因為代謝效率較慢,食用5 公克可能造成死亡
4。鑒於硼砂潛在的風險,本文將探討比較小蘇打(NaHCO3)、三偏磷酸鈉Na3(PO3)3與硼砂和膠水與白膠的交聯作用,並描述利用小蘇打取代硼砂,製作史萊姆異形、磁力異形、感溫變色異形的製作方法外,也提供其成品有趣的演示影片,並且詳細地說明此實驗所涉及的原理與概念。

 

期盼透過本實驗文章的分享,能拋磚引玉,推前瞻化學教育素養「綠色思維與風險意識」,讓中小學的化學實驗能真正達到趣味性、動機性、安全性,符合綠色化學原則,落實永續教育的經營目標。

n  器材與藥品

一、器材:

250毫升燒杯、10毫升量筒、成型模具(自製)、智慧型手機、數位拉力計-5Kg、電子天平、數位硬度計、密封袋#6
等。

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1:由左而右依序為成型模具、拉伸力測量機台、簡易數位硬度計

二、藥品:

透明膠水(聚乙烯醇)、白膠(聚醋酸乙烯酯)、硼砂Na2B4O7、三偏磷酸鈉Na3P3O9、碳酸氫鈉NaHCO3、四氧化三鐵Fe3O4(s)、感溫藍31度、黃色絹印油墨。

下圖為各分子的結構式。

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2:由左而右依序為白膠(聚醋酸乙烯酯)、透明膠水(聚乙烯醇)、硼酸根(硼砂水解物)

n 硼砂可以被取代嗎?利用小蘇打、三偏磷酸鈉取代硼砂,與高分子作用,在不同條件下,依序調查聚合物的重量變化、硬度、單位長度拉伸力等物性變化。

一、交聯劑與透明膠水(聚乙烯醇,PVA)的作用調查

1.   交聯時間的不同:取出成型模具,倒入10克的PVA膠水,並加入0.08M的硼砂溶液10毫升,均勻攪拌後,將模具放入密封袋,靜置5分鐘後。依序進行重量測量、拉力測試、硬度測試。重複前面實驗,將靜置時間分別提高至1小時、1天、1星期。依序進行重量測量、硬度測試。

2.   承上,將交聯劑換成小蘇打、三偏磷酸鈉,重複上述實驗測試。下圖為拉力測試。

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3:高分子的拉力測試過程

3.   交聯劑的濃度:取出成型模具,倒入10克的PVA膠水,並加入0.01M的硼砂溶液10毫升,均勻攪拌後,將模具放入密封袋,靜置5分鐘後。依序進行重量測量、拉力測試、以及硬度測試。重複前面實驗,將硼砂的濃度分別提高至0.02M0.04M0.08M,均勻攪拌後,將模具放入密封袋,靜置5分鐘後。進行單位長度拉力測試。

4.   承上,將交聯劑換成小蘇打、三偏磷酸鈉,重複上述實驗測試。

二、交聯劑與白膠(聚醋酸乙烯酯,PVAc)的作用調查

1. 交聯時間的不同:將透明膠水換成白膠,重複上述1~2實驗,調查白膠分別與硼砂、小蘇打、三偏磷酸鈉在不同反應時間下,重量、以及硬度測試下的變化。

2. 交聯劑的濃度:重複上述3~4實驗步驟,調查白膠分別與硼砂、小蘇打、三偏磷酸鈉在不同濃度下,單位長度拉力測試的差異。

三、綠色交聯作用在科學玩具上的開發:史萊姆、磁力異形、感溫變色異形的等科學玩具的製作。

1.   綠色史萊姆異形的製作:取50克透明膠水,一邊以攪拌棒攪拌,一邊緩慢滴入飽和小蘇打溶液,約加入20
毫升的小蘇打溶液後,即可取出,並在手中搓揉均勻,備用。隨後將聚合物壓平略呈四方形,可與另一位同學一人兩手,緩慢自四方形的四個角落往外拉伸成薄膜,測量薄膜最大展開的面積是多少?

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4:綠色史萊姆異形的測試

2.   綠色磁力異形的製作:取3克的四氧化三鐵粉與15克白膠,攪拌均勻後,緩慢滴入小蘇打後,不斷地攪拌白膠至均勻狀,最後約加入6毫升的飽和小蘇打溶液,靜置約30~40分鐘,帶磁力異形逐漸成形後,備用。隨後取一塊強力磁鐵,緩緩靠近黑色的磁力異形,觀察異形的移動現象2。下圖為兩種磁力異型的比較。

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5:圖左為加了硼砂的磁力異形,圖右為加了小蘇打的磁力異形

3.   綠色感溫變色異形的製作:取50克的白膠與4克的黃色絹印油墨,以及8克的藍色感溫油墨,攪拌均勻後,緩慢滴入小蘇打後,不斷地攪拌白膠,最後約加入18毫升的飽和小蘇打溶液,靜置約40~60分鐘後,備用7。取一個100毫升的燒杯,裝約6分滿的熱水,將感溫變色異形搓成棒裝,置入熱水中,觀察異形的顏色變化?下圖為製作過程。
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6:感溫變色異形的製作與熱水中的測試

n  結果與討論

一、硼砂、小蘇打、三偏磷酸鈉三者加聚乙烯醇(透明膠水)在不同條件下交聯效果比較

1. 硬度VS.時間的變化

  分別比較聚乙烯醇添加0.08M硼砂、小蘇打、三偏磷酸鈉水溶液,經過不同時間觀察其硬度差異(單位:HA)結果顯示:硬度:小蘇打>三偏磷酸鈉>硼砂,小蘇打與聚乙烯醇有較大的吸引力,交聯密度較高。以下為數據匯整之折線圖。

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7:硬度對時間的關係圖比較

2. 重量VS.時間的變化

  分別比較聚乙烯醇添加0.08M硼砂、小蘇打、三偏磷酸鈉水溶液,經過30分鐘、1小時、1天、1星期觀察其重量差異(單位:g)。結果顯示:因脫水造成的重量減少的比例:小蘇打與三偏磷酸鈉相近,兩者皆大於硼砂。以下為數據匯整之折線圖。

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8:重量減損與時間的關係比較

3. 單位長度拉伸力VS.濃度的變化

  聚乙烯醇添加硼砂水溶液時,硬度較軟,低於設備量測值,且無法固定於拉伸平台上,因此量測值為ND;單位長度的拉伸力小蘇打與三偏磷酸鈉之數據接近,均高於硼砂。

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9:單位長度拉伸力與濃度的關係比較

4.  綜合以上結果:比較硼砂、小蘇打、三偏磷酸鈉三者與聚乙烯醇發現反應時間越長,硬度越高,硬度中以小蘇打最大,代表小蘇打與膠水中的聚乙烯醇分子間的引力(交聯作用)越強,硼砂最軟代表硼砂與透明膠水中的引力最小。靜置經歷的時間越長三者交聯的聚合物重量皆減少,其中以三偏磷酸鈉與小蘇打最多,這可能交聯過程中的縮合脫水或蒸發現象所造成。因此推斷小蘇打、三偏磷酸鈉可取代硼砂。

二、硼砂、小蘇打、三偏磷酸鈉三者與聚醋酸乙烯酯(白膠)在不同條件下交聯效果比較

1. 硬度VS.時間的變化

  分別比較聚乙烯醇添加0.08M硼砂、小蘇打、三偏磷酸鈉水溶液,經過不同時間觀察其硬 度差異(單位:HA)結果顯示:硬度:小蘇打>三偏磷酸鈉>硼砂。以下為數據匯整之折線圖。

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10:硬度與時間的關係圖比較

2. 重量VS.時間的變化

  分別比較聚醋酸乙烯酯添加0.08M硼砂、小蘇打、三偏磷酸鈉水溶液,經過30分鐘、1小時、1天、1星期觀察其重量差異(單位:g)。結果顯示:因脫水造成的重量減少的比例:小蘇打與三偏磷酸鈉相近,兩者皆大於硼砂。以下為數據匯整之折線圖。

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11:重量減損與時間的關係比較

3. 單位長度拉伸力VS.濃度的變化

  聚醋酸乙烯酯添加硼砂水溶液時,硬度較軟,低於設備量測值且無法固定於拉伸平台上,因此量測值為ND單位長度的拉伸力小蘇打與三偏磷酸鈉之數據接近,均高於硼砂。以下為數據匯整之折線圖。

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12:單位長度拉伸力與濃度的關係比較

4. 綜合以上結果:比較硼砂、小蘇打、三偏磷酸鈉三者與白膠在不同條件下交聯效果,由硬度與測試結果發現,時間越長,硬度越高,硬度中以小蘇打與三偏磷酸鈉相近最大,硼砂交聯的聚合物硬度最低;據此推論小蘇打或三偏磷酸鈉與白膠具醋酸乙烯酯分子間的交聯作用較強。靜置經歷的時間越長三者交聯的聚合物重量皆減少,其中以三偏磷酸鈉與小蘇打最多,這可能交聯過程中的脫水或蒸發現象所造成。交聯劑的濃亦會影響交聯作用,濃度越高交聯作用越明顯。

三、在製作史萊姆異形,發現添加小蘇打取代硼砂當交聯劑時,50g的透明膠水加入20毫升飽和小蘇打水溶液製成的異形,薄膜拉伸的大小長約45公分、寬約40公分。在製作磁力異形時,成品較為軟Q,易受磁鐵吸引操控。

四、在感溫異形製作時,發現添加飽和小蘇打為添加劑時,因感溫水乳液含水量太高,交聯反應成形時間較長,但保存於封口袋約三天後,硼砂製的異形溶出大量的感溫油墨,而小蘇打製的異形卻無此現象。顯示小蘇打的交聯效果較好。下圖為兩種感溫異形的比較。

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13:圖左為硼砂製的感溫異形,圖右為小蘇打製的感溫異形

n  原理與概念

交聯作用(cross-link)分為化學性的交聯與物理性的交聯。一般化學性的交聯指的是兩條高分子鏈藉由小分子交聯劑,藉由真實的化學鍵,比如說共價鍵,鏈結接在一起,最常見的例子是橡膠分子中加硫;而物理性的交聯,通常是透過較弱的分子間作用力進行的,比如說氫鍵,這部分的反應也是可逆的,最常見的例子是硼砂與聚乙烯醇的反應,製作科學玩具史萊姆異形5,硼砂溶於水可產生硼酸B(OH)3與硼酸鹽B(OH)4可透過氫鍵連結兩條高分子鏈;交聯作用的發生可降低單一高分子鏈的移動的能力,高密度的交聯作用可提高聚合物的彈性與硬度,若進行縮合,高分子會脫水,重量減少。下圖是聚乙烯醇與硼砂可能交聯的示意圖。

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14:氫鍵將兩條高分子鏈交聯連結一起

    小蘇打溶於水呈鹼性,分子結構與硼砂溶於水的產物B(OH)4類似,一樣具有高極性的氧離子、氫氧端(-OH),但卻更有安全;三偏磷酸鈉Na3P3O9,結構中亦具有高極性的氫氧端(-OH),常用於食品業用作澱粉改質劑,是衛福部建議製作鹼粽時取代硼砂的合法添加物5。兩者跟硼砂一樣都可做為高分子的交聯劑。下圖是三偏磷酸鈉的結構式。

15:三偏磷酸鈉的環形結構式,圖片來自維基百科6

實驗顯示,聚乙烯醇PVA無論小蘇打或三偏磷酸鈉都比硼砂的交聯作用來得強,這部分可能與結構有關;與聚乙烯醇PVA交聯時,推論可能是小蘇打的平面結構可能比立體的硼酸根B(OH)4 擁有更強的引力,或更高密度的交聯密度7。下圖是小蘇打與聚乙烯醇PVA能交聯的示意圖。

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16:小蘇打透過氫鍵交聯兩條PVA高分子鏈

    白膠是聚醋酸乙烯酯PVAc、水、聚乙烯醇的乳化產品,包覆在微包的外圍,作用在保護並穩定整個膠體,是一種適合黏著多孔性的材料。因外層包覆聚乙烯醇,同樣的可以透過硼砂、小蘇打等交聯劑形成Q彈的聚合物8

    有關磁性異形2以及感溫變色異形的製作方法9及相關原理之前已經談過,不再重述,有興趣的朋友可自文獻連結科學研習月刊網站下載參考。

n  安全注意及廢棄物處理

l   實驗後,反應所產生的廢棄物,依規定回收處理。有關硼砂的危害物質危害數據資料可參考以下化學品全球調和系統網站https://ppt.cc/fKbOIx

n  參考文獻

1.        楊水平(2011),「變態的膠水─聚乙烯醇與硼砂的交聯作用」,中學化學示範實驗Chemical Demonstrations (http://blog.ncue.edu.tw/yangsp/doc/26876)

2.        廖旭茂,化學教室:自製磁性異形。科學研習月刊,2013,卷52,期06,頁26~31

3.        洪美秀(106519)。國小學童好奇嘻鬧
誤食硼砂送醫。自由時報。取自https://news.ltn.com.tw/news/society/breakingnews/2072509

4.       李忠勳(1061214)。硼砂:讓食物變得QQ的月石。環保署毒物及化學物質局評估管理組。取自https://www.tcsb.gov.tw/fp-263-2728-ae3cb-1.html

5.       行政院衛生福利部(106525)。端午飄香粽
食安來把關。取自食品藥物管理署,
https://www.mohw.gov.tw/fp-2772-18316-1.html

6.       Sodium trimetaphosphate,取自維基百科,https://en.wikipedia.org/wiki/Sodium_trimetaphosphate

7.       Cross-link,取自維基百科,https://en.wikipedia.org/wiki/Cross-link

8.       Polyvinyl acetate,取自維基百科,https://en.wikipedia.org/wiki/Polyvinyl_acetate

9.       廖旭茂,化學教室:自製感溫和感光變色異形。科學研習月刊,2013,卷52,期07,頁36~41

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