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造福人类的海绵

2021-03-25林驭寒

风流一代·经典文摘 2021年3期
关键词:聚氨酯人造海绵

林驭寒

古老的海绵

海绵是地球上最古老的生物之一,是大自然送给人类的一份有趣礼物。天然海绵是世界上结构最简单的水生多细胞动物,种类众多,形态各异,绝大多数生活在海底。

古希腊克里特岛的壁画中,记载了人们对天然海绵最初的认知和利用。中世纪开始,除了作为清洁材料使用以外,天然海绵逐渐被用于绘画和医学等多个领域。尽管当前海绵动物的种类数以万计,但是2000多年来只有10余种天然海绵为人所用。

实际上,我们常用的天然海绵是一些海绵的针状内骨骼。根据种类不同,这些内骨骼分别富含钙或硅等无机盐或网状蛋白质纤维,在所处环境的影响下,这些内骨骼形成了非常特别的多孔结构,并成为海绵生命的支撑。

依赖于这种多孔结构,海绵一方面可以摄入氧气及海水中的微生物、无机盐,完成代谢产物的排泄,进行繁衍。另一方面,海绵的内骨骼及其多孔结构赋予了它们死后可“重生”的特性,即当它们离开大海失去生命时,仍然维持着弹性、刚性和亲水性:在干燥状态下外观像一团烂棉花,揉搓起来能够抵抗一定外力;而重新进入水中则马上恢复了丰润柔软状态,仿佛重生了一样。

人造海绵应运而生

20世纪50年代以来,天然海绵价格居高不下,过度开采加剧了天然海绵的产能危机。随着海绵一些神奇的“密码”被科学家加速破译,各种人造海绵及其相关产物开始丰富人们的生产生活。

业界普遍认为,最初的人造海绵源自1952年德国拜耳公司研制的廉价的软质聚氨酯发泡材料。虽然这些材料是由多种化学成分合成的泡沫塑料,但是其外观与天然海绵非常相似,布满了互相连通的孔洞,手感柔软,且具有一定弹性和吸水能力,可以在某些场合替代天然海绵使用。拜耳公司研制的海绵极大地鼓舞了人们进一步合成或加工具有类似结构的人造海绵材料。

从成分来看,各类聚氨酯发泡材料仍是具有代表性的人造海绵品种之一,被广泛用于家具制造业、汽车工业、鞋业、艺术品行业,甚至航天领域。人们通过调整原材料配方可以得到不同功能的聚氨酯海绵,比如,聚酯型聚氨酯海绵具有较好的拉伸性能、耐溶剂性能和耐高温性能,而聚醚型海绵则具有较好的硬度、弹性和耐水解性能,更适用于低温场合。

而一度成为航天员专用的记忆海绵,也不过是由于其合成配方中加入了一些硅油等成分,从而改变了聚氨酯海绵的黏弹性和温度特性。在原材料配方中添加阻燃剂、导电材料等功能成分,还可以将聚氨酯海绵的使用范围进一步扩展。通过对发泡工艺进行性能分析与参数优化,可以充分调整聚氨酯成型后的性能及其可加工性。人们再依据这些性能指标将它们送到各自的用武之地。

生活中常见的另一类海绵是由木纤维素纤维或纸浆纤维发泡制成的。这是一种相对环保的海绵材料,其骨架成分赋予了制品更多的亲水性和弹性,干燥状态下质地坚硬,遇水后其致密细微的多孔结构能使之充分利用毛细管原理快速完成水的吸附及脱附过程。

应用于医疗领域的海绵则多以具有生物亲和性的成分制成。比如,科学家将天然牛跟腱酶解、純化后提取胶原蛋白,随后通过高分子互穿网络技术合成了多孔海绵材料。这种海绵材料已应用于临床止血、抗感染、软骨修复中,而经过抗菌修饰的聚乙烯醇缩甲醛海绵也大量被用于促进伤口愈合等方面。

与天然海绵成分不同,合成的人造海绵大多数都可被看作是石油海绵(即原料来自石油的海绵)。然而近30年来,在石油海绵大行其道的同时,天然海绵赖以生存的家园却被人类的石油开采利用活动逐渐破坏,这也给人类的生存带来挑战。为此,人类着力研制具有油水分离能力的材料,尽力弥补海上石油泄漏、污染所造成的损失。

于是,拥有巨大的表面积和疏松的多孔结构的海绵类聚合物材料又一次进入人们的视野。人们对材料表面进行处理,使之获得特殊的湿润性,改变其亲水亲油的能力。其中具有代表性的,是中国科学院长春应用化学研究所研制的氟代物取代聚乙烯醇泡沫材料。聚合物本身的溶胀特性和表面特性赋予其超强的吸油能力和超高的分离效率,而疏松的多孔海绵状态可以使之经受反复挤压并可重复利用。这一研究成果加速工程化后,有望为海上石油污染处置提供新的路径。

天然海绵蕴含着巨大“宝藏”

尽管天然海绵一度成为人们规模化养殖的经济动物,但物美价廉的人造海绵淘汰了天然海绵的传统经济利用价值。然而随着科学技术的发展,人们又发现了天然海绵蕴含的巨大“宝藏”,并提出“海绵生物技术”的概念。

天然海绵具有一定的降解海水污染物的能力,其降解机理和净化能力还有待人们进一步发掘和利用,也许未来人们只要规模化养殖某些天然海绵即可达到维持区域水域环境生态平衡的目的。

由于体内含有最为丰富的海洋活性物质,天然海绵的化学成分提取分析和加工利用成为海洋药物开发工作的热点。相关研究显示,其在神经疾病、癌症的治疗过程中体现出积极作用。

此外,海绵骨针的微观结构、特性、生长机制也不断引起生物学家、仿生科学家的研究兴趣。人们在分子水平上对海绵骨针显示出的导光作用进行研究,为光纤制造提供了新思路。而基于天然海绵的仿生功能化工作,也给医学领域、环保领域和智能材料领域的专家提供了新的研究契机。在这方面,哈佛大学天然抗癌成分“软海绵素”的人工全合成工作,走在了世界前列。

弥足珍贵的天然海绵是海洋送给人们的礼物,也为人类科学技术的发展做出了巨大的牺性。而当下,人们除了加速科技研发之外,也需要加大力度保护好天然海绵的生存环境,只有人与自然和谐共存,才能谋求长足发展。

(依依摘自《科学画报》2020年第12期)

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