花王為毛巾變硬的現(xiàn)象提出了一個理論模型

文章來源：雷鋒網(wǎng)可能大家都發(fā)現(xiàn)了，毛巾用的久了就會發(fā)硬。

有人說，這是因為水中游離的鈣、鎂離子與肥皂結(jié)合，生成鈣鎂皂附著在毛巾的表面所致;也有人說，人們體液中不易溶于水的油脂、蛋白質(zhì)、皮屑、無機鹽、灰垢等雜質(zhì)僅用清水很難清洗干凈，雜質(zhì)經(jīng)過日積月累，毛巾的使用感就會變差。

于是，一大波生活小妙招涌現(xiàn)出來——拿淘米水煮、用白醋泡，甚至是放微波爐加熱。

然而，沒用過幾次的毛巾自然晾干后也會變硬。

實際上，花王株式會社(Kao Corporation)和北海道大學(xué)(Hokkaido University)的研究人員也曾經(jīng)就這個現(xiàn)象專門做過研究。他們認(rèn)為，一種與普通的水不有著不同的氫鍵結(jié)合狀態(tài)的「結(jié)合水」(Bound Water)影響了毛巾原有的柔韌性和蓬松感。

2020 年初，該研究團隊在《物理化學(xué)雜志》在線發(fā)表了這一研究成果，論文題為 Direct Observation of Bound Water on Cotton Surfaces by Atomic Force Microscopy and Atomic Force Microscopy–Infrared Spectroscopy(基于原子力顯微鏡和原子力顯微鏡-紅外光譜法直接觀察棉花表面的結(jié)合水)。

纖維表面的結(jié)合水影響毛巾的硬度

科學(xué)家總是對周遭的事物充滿好奇心。

為了一探究竟，研究人員從純棉毛巾本身的材質(zhì)入手——純棉毛巾，顧名思義，主要以棉花為原料。而棉花又稱棉纖維，所以想要的答案可能藏在纖維里。

研究人員為這種毛巾變硬的現(xiàn)象提出了一個理論模型。

根據(jù)模型，棉質(zhì)材料的軟硬是由一根根纖維交錯形成的網(wǎng)絡(luò)決定的，而影響纖維網(wǎng)絡(luò)的，正是結(jié)合水在纖維素表面的毛細(xì)管粘附現(xiàn)象。

具體來講，在毛巾自然晾干時，結(jié)合水的表面張力(0.078 N/m)會引起纖維之間的毛細(xì)作用力，因此，晾干過程中水分持續(xù)減少，纖維之間的距離也越來越近。

但水分的持續(xù)減少并不代表完全蒸發(fā)了。相反，部分水不僅殘留在內(nèi)部，也殘留在纖維的表面，只是這里所說的水(結(jié)合水)已經(jīng)不是我們通常意義上的水(普通水)了。棉纖維表面的結(jié)合水影響著毛巾的硬度。

下圖 a、b 分別是通過自然晾干和經(jīng)洗滌、甩干等一系列操作(想象一下洗衣機是怎么工作的)晾干的毛巾的狀態(tài)，根據(jù)圖片可以想象到，a 比較硬，像是被粘住了;而 b 更為柔軟松散。

值得一提的是，本土目前對面料評估的體系為 KES-FB，因此在這一研究中，研究人員也是基于這一體系。圖 c 便是利用 KES-FB 對上述兩種毛巾彎曲力、軟硬程度的評估。這一評估再次說明，由于結(jié)合水的存在，棉纖維由于彎曲而脫離連接。

為了驗證這一發(fā)現(xiàn)，研究人員通過加熱的方式，試圖從自然晾干的毛巾中人為地去除結(jié)合水，結(jié)果毛巾果然又呈現(xiàn)出了其原有的柔韌性和蓬松感。

雷鋒網(wǎng)了解到，結(jié)合水的發(fā)現(xiàn)，是通過原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy，AFM)得到的。

所謂原子力顯微鏡，實際上是一種專門研究固體材料表面結(jié)構(gòu)的分析儀器。這種儀器通過檢測樣品表面和一個微型力敏感元件之間極其微弱的原子間相互作用力，旨在研究物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)及性質(zhì)。利用這種儀器，研究人員能夠以納米級分辨率，獲得固體材料表面形貌結(jié)構(gòu)和粗糙度等等信息。

擁有獨特氫鍵的結(jié)合水

那么，結(jié)合水是什么水?和普通的水有什么區(qū)別呢?

為了解結(jié)合水的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)，研究人員使用了一種基于原子力顯微鏡的紅外光譜(AFM-IR)特殊分析技術(shù)，這種技術(shù)簡單來講就是，用可調(diào)紅外激光照射樣品表面，并用原子力顯微鏡的懸臂梁測量樣品表面的光熱膨脹。

下圖 a 是單個棉纖維的 AFM 圖像，圖片上 5 處五顏六色的標(biāo)記表示 AFM–IR 的測量點。下圖 b 為濕度 50% 時自然晾干(藍(lán)線)和完全晾干(綠線)的毛巾的 AFM-IR 數(shù)據(jù)(實際上藍(lán)線有兩個明顯峰值，綠線則沒有，再一次證明了結(jié)合水的存在)。

值得一提的是，研究人員發(fā)現(xiàn)，結(jié)合水和普通水的區(qū)別在于氫鍵(Hydrogen Bond)狀態(tài)。

如果還沒有把知識還給老師的話，你或許還記得化學(xué)課上講過的由一個氫原子和一個氧原子組成的一價原子團 -OH(氫氧基)。

研究人員認(rèn)為，結(jié)合水中 OH 基團的兩種拉伸模式明顯不同，與液態(tài)水的光譜呈寬梯形相反，這表明結(jié)合水的氫鍵狀態(tài)受到了其與纖維表面相互作用的影響。由于空氣-水(疏水)界面和水-纖維(親水)界面的作用，結(jié)合水存在兩種不同的氫鍵狀態(tài)，其一是纖維-水界面上結(jié)合水上 OH 基團與纖維素上 OH 基團的結(jié)合(較高的波數(shù)側(cè))，其二是水-空氣界面上水分子之間牢固的氫鍵(較低的波數(shù)側(cè))。

不過，對于上述結(jié)合水的性質(zhì)，研究團隊目前還沒有強有力的證據(jù)來證明。

關(guān)于花王株式會社

就這一研究成果而言，論文合著者、來自花王株式會社材料科學(xué)研究實驗室的 Takako Igarash 補充說：

過去人們認(rèn)為，柔順劑之所以有效，是因為它減少了棉纖維之間的摩擦力。但我們的研究結(jié)果表明，結(jié)合水也造成了棉纖維的硬化。這可以讓我們更好地理解柔順劑的工作原理，從而幫助我們更好地研究柔順劑的配方。

雷鋒網(wǎng)編輯不免想起，不少博主都曾安利過各類花王產(chǎn)品，比如泡沫染發(fā)劑、蒸汽眼罩、清潔劑甚至是拖把。

實際上，成立于 1887 年的花王株式會社，作為躋身世界 500 強的知名日用品品牌，旗下產(chǎn)品品類眾多，共有個人護(hù)理用品、家居清潔用品、生理衛(wèi)生用品等共 600 多種，其中大部分都是高分子化學(xué)品。

雷鋒網(wǎng)了解到，花王雖是一家百年老店，也十分注重信息技術(shù)的運用——其研發(fā)人員比例高達(dá) 28.3%，僅軟件開發(fā)部就有 200 多個系統(tǒng)分析師和程序設(shè)計師。

花王共有 9 個研究所，其中一個知識情報科學(xué)研究所(Knowledge Intelligence Science Institute)也是引起了國際工商情報界的極大興趣。

2004 年 10 月，花王()研究開發(fā)中心有限公司成立，該研發(fā)中心擁有實驗室、制劑實驗室、香料實驗室、彩妝實驗室、生理衛(wèi)生用品實驗室、防腐防霉實驗室、保存安定室、分析測量室等主要實驗室。

可見，花王株式會社與北海道大學(xué)的上述研究，在某種程度上對其產(chǎn)品的優(yōu)化升級也有著積極意義。