化學魔術「立即雪花、魔砂、磁性黏土」之製備的研究

國立臺中教育大學科學應用與推廣學系

科學教育碩士學位暑期在職進修專班碩士論文

指導教授： 許良榮 博士

化學魔術「立即雪花、魔砂、磁性黏土」之製備的

研究

The Study of the Preparation for Chemical Magic : Instant

Snow, Magic Sand, and Magnetic Thinking Putty

研究生：黃鈺心

謝誌

2010 年 3 月，秉持著跟國三導師班的學生一起念書拚基測的心情準備研究所考 試，希望藉由自己認真準備考試的態度，能影響學生，能引領著學生往他們所嚮往 的未來勇敢邁進。這是我報考研究所的初衷。很幸運地，我考上了，也隨之展開了 之後三年台中台南兩地奔波的研究所生活。1000 多個日子，70 多張的火車票，還有 數不清為了我們得到碩士學位而壯烈犧牲的紙張，這些都記錄著做實驗及寫論文時 的喜怒哀樂和酸甜苦辣。回首三年前的我，再看看現在的自己，發現自己這三年在 學校教授們紮實的訓練下，成長茁壯了很多，思考更加縝密，也更具有科學素養。 特別感謝我的指導教授許良榮老師。雖然我不靈活的腦袋常常讓老師啼笑皆非， 但老師總是很有耐心地指導我，並且盡力協助解決我的困難及疑慮。 另外，非常感謝口試委員陳錦章教授及薛光華教授在百忙之中用心審閱我的論 文，指出論文中格式及內容上的闕漏之處，並提供不同的思維角度，使論文的內容 更臻完善。 感謝成大化學系吳文中教授及其研究生大方慷慨借用實驗室，提供我從事有機 合成實驗，並熱情給予我實驗上多方的協助。 感謝科廣所暑碩三所有的同學，尤其是我的超級戰友季如及雅婷，這三年因為 有你們無私的協助及溫暖的鼓勵，讓我在研究的路途上不孤單寂寞。感謝家人的包 容與體諒，感謝眾多好友及同事們的陪伴與支持。你們一直以來熱情地加油打氣， 都是支持我勇敢完成我的碩士夢想的動力。太多的感謝不及備載，太多的感動無法 言喻，相信你們一定都明白我所想要表達的。 感謝老天爺讓我有機會與你們相遇相知，相識相惜。我會珍惜這得來不易的一 切，珍惜我們這難得的緣分！未來，我會繼續努力，勇敢向前，期許自己能奉獻微 薄的一己之力回饋學校及社會。 黃鈺心謹記 2013.06.29

I

摘要

化學魔術應用於教學上，可以引起學生科學好奇心，激發學生科學學習興趣， 主動建構相關知識，培養學生對於問題解決的能力。本研究著力於具魔術效果之「立 即雪花」、「魔砂」及「磁性黏土」材料的製備，提供未來教師在科學教學之使用。 研究方法與研究結果如下：（一）立即雪花：(1) 以市售聚丙烯酸鈉與碳酸氫鈉混合， 發現碳酸氫鈉的添加有助於增強膨脹效果，且以市售聚丙烯酸鈉與碳酸氫鈉質量比 2：1 之混合物呈現效果最佳。(2) 以聚合法、中和法合成的聚丙烯酸鈉，膨脹效果 以聚合法較佳，但仍比市售聚丙烯酸鈉較差。（二） 魔砂：利用砂畫使用的細砂， 分別與不同的有機溶劑均勻混合後，用烤箱烘乾後製得，測試後發現以撥水劑製成 的魔砂效果最好。（三）磁性黏土：利用聚乙烯醇與硼砂溶液的聚合反應，調整聚乙 烯醇及硼砂比例，加入鐵粉製成。實驗結果發現最佳磁性黏土的比例為 6%聚乙烯醇 溶液：5%硼砂水溶液：鐵粉質量比= 2：1：1。本研究最後根據研究結果，針對「立 即雪花」、「魔砂」及「磁性黏土」之製備提出各項建議。 關鍵詞：化學魔術、立即雪花、磁性黏土、魔砂

II

Abstract

Applying chemical magic in teaching could attract students’ curiosity, motivate the interesting in science learning, help students to construct their conceptions of science actively, and develop the problem solving ability. This study focused on preparing the material of chemical magic including “Instant Snow”, “Magic Sand”, and “Magnetic Thinking Putty.” Those materials could be a resource in science teaching. The results were concluded below: 1. "Instant Snow": (a) sodium bicarbonate had expansion effect on adding the mixture of commercial sodium polyacrylate and sodium bicarbonate. The best expansible effect occurred at commercial sodium polyacrylate and sodium bicarbonate

were mixed by a mass ratio equal 2:1. (b) the researcher prepared the sodium polyacrylate in the methods of polymerization and neutralization. We found that the expansion effect of polymerization was better than neutralization. 2. "Magic Sand": the Magic Sand was made from the painting sand, then immerged it into different kinds of organic solvents, finally, dry it with oven. The best effect of Magic Sand was used the hydrophobic agent of "Aquapel". 3. "Magnetic Thinking Putty": prepared by the Polymerization of polyvinyl alcohol, borax solution, and iron powder. The result is shown the best suitable mass ratio of Magnetic Thinking Putty was polyvinyl alcohol (6%)：borax solution(5%)：iron powder = 2：1：1. Finally, this study gave several suggestions for the preparation of “Instant Snow”, “Magic Sand”, and “Magnetic Thinking Putty.”

III

目錄

摘要 ………..……….………..I Abstract………II 目錄 ……….………….………III 表目錄 ……….………...VII 圖目錄 ………....………..IX 第一章 緒論 ………..………..…1 第一節 研究動機與背景 ………..………..…1 第二節 文獻探討 ……….…...5 一、「立即雪花」相關性質概念與研究 ……….…….5 (一) 高吸水性高分子之性質與應用 ………....………...5 (二) 聚丙烯酸鈉 ………..………..….15 二、「魔砂」相關性質概念與研究 ………20 (一) 魔砂 ……….………20 (二) 三甲基氯矽烷 ……….………25 三、「磁性黏土」相關性質概念與研究 ………27 (一) 聚乙烯醇的性質與應用 ……….………27 (二) 硼砂……….…………..28 (三) 聚乙烯醇與硼砂的交聯作用 …..……….…………..29 第二章 研究方法 ………..31 第一節 立即雪花………..………..31 一、聚丙烯酸鈉與碳酸氫鈉混合物……….………31 (一) 實驗目的………...31 (二) 實驗原理………...31 (三) 實驗藥品………...31

IV (四) 實驗步驟………...32 二、聚丙烯酸鈉有機合成實驗………..………33 (一) 實驗目的……….……..……33 (二) 實驗原理……….…..34 (三) 實驗器材………..……….…34 (四) 實驗藥品……….………..34 (五) 實驗步驟……….………..35 第二節 魔砂………38 一、實驗目的………38 二、實驗原理………38 三、實驗藥品………38 四、實驗步驟………39 (一) 撥水劑………...39 (二) 思高潔………...40 (三) 3M 完稿噴膠………..41 (四) 黃蠟………...42 (五) 保麗龍香蕉水飽和溶液………...43 第三節 磁性黏土………44 一、實驗目的………44 二、實驗原理………44 三、實驗藥品………44 四、實驗步驟 ………..45 第三章 結果與討論..………..50 第一節 立即雪花………..………..50 一、市售聚丙烯酸鈉實驗結果………..………..51

V 二、市售聚丙烯酸鈉與碳酸氫鈉混合物實驗結果...……….51 (一) 市售聚丙烯酸鈉與碳酸氫鈉不同質量比例之膨脹程度…..….…………52 (二) 水溫對立即雪花膨脹程度影響.………..55 (三) 小結…….………..………58 三、合成聚丙烯酸鈉之實驗結果…...……….………58 (一) 中和法實驗結果…...………59 (二) 聚合法實驗結果...………59 (三) 小結……...………61 第二節 魔砂…………..……….……….62 一、砂子浸水之現象…..………….……….….63 二、加撥水劑之實驗結果..……….……….….63 三、加思高潔之實驗結果..……….……….….64 四、加 3M 完稿噴膠之實驗結果……….65 五、加黃蠟之實驗結果……….66 六、加保麗龍香蕉水飽和溶液之實驗結果……….67 七、結論………..………….……….….68 第三節 磁性黏土……..………..69 一、延展性實驗結果…..……….…..70 二、彈性實驗結果………..71 (一) 12%PVA 與硼砂水溶液質量比 1：1….………71 (二) 12%PVA 與硼砂水溶液質量比 2：1….………73 (三) 6%PVA 與硼砂水溶液質量比 1：1….……….…74 (四) 6%PVA 與硼砂水溶液質量比 2：1….……….…75 (五) 綜合比較….……….….76 三、磁性黏土實驗結果.………77

VI (一) 6%PVA：硼砂水溶液：鐵粉質量比 2：1：1….……….78 (二) 6%PVA：硼砂水溶液：鐵粉質量比 1：1：1…….……….83 (三) 6%PVA：硼砂水溶液：鐵粉質量比 2：1：2…….……….93 四、延伸研究─鼻涕蟲(slime) …..………95 第四章 結論與建議..……….……….96 第一節 結論……….…………..……….………96 一、立即雪花實驗結果………..……….………..96 (一) 市售聚丙烯酸鈉與碳酸氫鈉混合物….………..96 (二) 合成聚丙烯酸鈉…….………96 二、魔砂實驗結果………96 三、磁性黏土實驗結果………96 第二節 建議………..……….……….97 一、立即雪花………..……….……….97 二、魔砂………97 三、磁性黏土………97 參考文獻………..………..99 附錄一 ………..………..102

VII

表目錄

表 1.1 高吸水性高分子的特性與用途 ………..…..…….6 表 1.2 高吸水性高分子的種類(依原料高分子所行分類) ……….………..……8 表 1.3 各種高吸水性高分子及其特性比較 ……….……9 表 1.4 高吸水性高分子的製品形態與利用形態 ………...…11 表 1.5 聚丙烯酸鈉的性質與用途 ………...16 表 3.1 市售聚丙烯酸鈉加水膨脹實驗結果(室溫 27℃)….………51 表 3.2 市售聚丙烯酸鈉與碳酸氫鈉不同質量比例加水膨脹實驗結果(室溫 27℃)…52 表 3.3 市售聚丙烯酸鈉與碳酸氫鈉不同質量比例加水膨脹實驗結果(室溫 23℃)…52 表 3.4 市售聚丙烯酸鈉與碳酸氫鈉混合物各種比例在室溫 27℃，23℃之膨脹效 果之平均值………55 表 3.5 不同水溫膨脹程度之實驗結果 (室溫 27℃)………...55 表 3.6 不同比例配方製作的黏土之延展長度實驗結果………..………...70 表 3.7 12% PVA 與不同濃度硼砂水溶液質量比 1：1 製作的黏土之彈性測試結果.72 表 3.8 12% PVA 與不同濃度硼砂水溶液質量比 2：1 製作的黏土之彈性測試結果.73 表 3.9 6% PVA 與不同濃度硼砂水溶液質量比 1：1 製作的黏土之彈性測試結果 74 表 3.10 6% PVA 與不同濃度硼砂水溶液質量比 2：1 製作的黏土之彈性測試結果..75 表 3.11 平均反彈高度之綜合比較.………...…….76 表 3.12 不同比例配方之硬度與黏性之比較……….77 表 3.13 6% PVA：不同濃度硼砂水溶液：鐵粉質量比=2：1：1 製作的磁性黏土 之延展長度測試結果………79 表 3.14 6% PVA：不同濃度硼砂水溶液：鐵粉質量比=2：1：1 製作的磁性黏土 之彈性測試結果………80 表 3.15 6% PVA：:不同濃度硼砂水溶液：鐵粉質量比=2：1：1 製作的磁性黏土 之吞食時間結果………81

VIII 表 3.16 6% PVA：不同濃度硼砂水溶液：鐵粉質量比=1：1：1 製作的磁性黏土 之延展長度測試結果………84 表 3.17 6% PVA：不同濃度硼砂水溶液：鐵粉質量比=1：1：1 製作的磁性黏土 之彈性測試結果………85 表 3.18 6% PVA：不同濃度硼砂水溶液：鐵粉質量比=1：1：1 製作的磁性黏土 之吞食時間結果………86 表 3.19 延展長度綜合比較……….89 表 3.20 反彈高度綜合比較……….90 表 3.21 吞食時間比較─磁鐵置於上方……….90 表 3.22 吞食時間比較─磁鐵置於側面……….91 表 3.23 不同質量比與 5%硼砂水溶液製作之磁性黏土綜合比較………..92 表 3.24 6% PVA：5%硼砂水溶液：鐵粉質量比=2：1：2 製作的磁性黏土之各項 特性測試結果………93 表 3.25 磁性黏土綜合比較……….94

IX

圖目錄

圖 1.1 立即雪花 ……….………3 圖 1.2 魔砂 ……….………3 圖 1.3 磁性黏土 ……….………3 圖 1.4 液態水之構造 ……….…..…13 圖 1.5 高吸水性高分子的吸水凝膠所受的作用力 ……….……..13 圖 1.6 鹽類對高吸水性高分子的影響 ……….……..14 圖 1.7 聚丙烯酸鈉結構式 .……….…….15 圖 1.8 聚丙烯酸鈉未吸水（左）和吸水（右）的結構 .……….…….16 圖 1.9 聚丙烯酸鈉吸水原理 .……….…….17 圖 1.10 聚丙烯酸鈉系高吸水性高分子的四種製程 .……….…….19 圖 1.11 魔砂浸水後形成的銀色曲面 .……….…….20 圖 1.12 海砂的結構 .……….…….21 圖 1.13 魔砂入水後，形成「rabbit gut(兔腸)」形狀 ………..……21 圖 1.14 魔砂製作的反應過程 ..……….……22 圖 1.15 北極使用魔砂覆蓋電子設備 ..……….……24 圖 1.16 魔砂玩具 ……...………24 圖 1.17 魔砂可以在水裡被模塑成各種結構 …..……….…………24 圖 1.18 三甲基氯矽烷的結構式 ..……….…………25 圖 1.19 聚乙烯醇結構式 ..……….………27 圖 1.20 )₃與 )₄-_{的分子結構式 ………...……….……….28} 圖 1.21 )₃溶於水形成 )₄-_{的反應式 ………...….……….28}

X 圖 1.22 聚乙烯醇與 )₄-進行縮合反應的交聯作用 …..….……….…..29 圖 1.23 聚乙烯醇與 )₄-形成氫鍵的交聯作用 ...……….……….….30 圖 2.1 探討聚丙烯酸鈉與碳酸氫鈉不同質量比例對於立即雪花效果影響之 實驗流程圖 ……….……….…………32 圖 2.2 探討不同水溫對於立即雪花效果影響之實驗流程圖 .…...………...33 圖 2.3 三頸瓶裝置圖 ..……….……….………...35 圖 2.4 聚丙烯酸鈉中和法合成實驗步驟流程圖 ...………36 圖 2.5 聚丙烯酸鈉聚合法合成實驗步驟流程圖 ...…………...………...37 圖 2.6 魔砂製作流程圖(撥水劑) ..……….……..39 圖 2.7 魔砂製作流程圖(思高潔) ..……….………..40 圖 2.8 魔砂製作流程圖(3M 完稿噴膠) ..……….………...41 圖 2.9 魔砂製作流程圖(黃蠟)…… ..……….………….……….42 圖 2.10 魔砂製作流程圖(保麗龍香蕉水飽和溶液) ....………….………43 圖 2.11 12%PVA：硼砂質量比 1：1 實驗流程圖 ..……….……...……….45 圖 2.12 12%PVA：硼砂質量比 2：1 實驗流程圖 ..……….………...46 圖 2.13 6%PVA：硼砂質量比 1：1 實驗流程圖 …....……….………...47 圖 2.14 6%PVA：硼砂質量比 2：1 實驗流程圖 ....……….………...48 圖 3.1 市售聚丙烯酸鈉加水膨脹程度.……….……….………..51 圖 3.2 聚丙烯酸鈉與碳酸氫鈉質量比和膨脹總時間之關係圖……….54 圖 3.3 聚丙烯酸鈉與碳酸氫鈉質量比和膨脹變化時間之關係圖……….54 圖 3.4 聚丙烯酸鈉與碳酸氫鈉質量比和膨脹高度之關係圖……….54 圖 3.5 水溫和膨脹總時間之關係圖 .…...………...56 圖 3.6 水溫和膨脹變化時間之關係圖….……….…………...56 圖 3.7 水溫和膨脹高度之關係圖 ..……….………56 圖 3.8 60℃聚丙烯酸鈉與碳酸氫鈉質量比 2:1 之膨脹過程………..57

XI 圖 3.9 國外影片立即雪花膨脹情形……….………58 圖 3.10 中和法合成之聚丙烯酸鈉.……….………...59 圖 3.11 中和法合成之聚丙烯酸鈉吸水膨脹情形……….………59 圖 3.12 聚合法合成之聚丙烯酸鈉..……….……...………...60 圖 3.13 聚合法合成之聚丙烯酸鈉吸水膨脹情形.……….………...60 圖 3.14 聚合法合成之聚丙烯酸鈉與碳酸氫鈉質量 2:1 混和後加水膨脹情形……..60 圖 3.15 「兔腸」形狀 ....………...……….………...62 圖 3.16 砂畫的砂倒入水中的情形.……….………...63 圖 3.17 砂畫的砂從杯中倒出之情形……….………63 圖 3.18 撥水劑製成的砂之魔砂效果(晾乾)..……….……...………63 圖 3.19 撥水劑製成的砂之魔砂效果(烤乾).……….………...64 圖 3.20 思高潔製成的砂之魔砂效果(晾乾)………..64 圖 3.21 思高潔製成的砂之魔砂效果(烤乾)………...……….………...65 圖 3.22 3M 完稿噴膠製成的砂之魔砂效果.……….………....66 圖 3.23 黃蠟製成的蠟砂……….………66 圖 3.24 保麗龍香蕉水飽和溶液製成的砂之魔砂效果……….……...………….67 圖 3.25 濕潤保麗龍砂團.……….………...67 圖 3.26 不同比例配方製作的黏土之延展長度之關係圖……….70 圖 3.27 平均反彈高度之關係圖………...……….………...76 圖 3.28 6%PVA ：0.6%硼砂水溶液：鐵粉質量比=2：1：1 製作的磁性黏土…….78 圖 3.29 6% PVA：不同濃度硼砂水溶液：鐵粉質量比=2：1：1 製作的磁性黏土 之延展長度關係圖………79 圖 3.30 6% PVA：不同濃度硼砂水溶液：鐵粉質量比=2：1：1 製作的磁性黏土 之彈性關係圖.………...80 圖 3.31 6% PVA：不同濃度硼砂水溶液：鐵粉質量比=2：1：1 製作的磁性黏土

XII 吞食時間關係圖….………...82 圖 3.32 引蛇出洞……….82 圖 3.33 0.6%硼砂水溶液製作的磁性黏土引蛇出洞之情形………...83 圖 3.34 6% PVA：不同濃度硼砂水溶液：鐵粉質量比=2：1：1 製作的磁性黏土 之延展長度關係圖.……...………84 圖 3.35 6% PVA：不同濃度硼砂水溶液：鐵粉質量比=1：1：1 製作的磁性黏土 之彈性關係圖……….………...85 圖 3.36 6% PVA：不同濃度硼砂水溶液：鐵粉質量比=1：1：1 製作的磁性黏土 之吞食時間結果………87 圖 3.37 0.9%硼砂水溶液製作的磁性黏土引蛇出洞之情形……….………...87 圖 3.38 3%硼砂水溶液製作的磁性黏土引蛇出洞之情形………...88 圖 3.39 5%硼砂水溶液製作的磁性黏土引蛇出洞之情形………...88 圖 3.40 延展長度綜合比較關係圖.………89 圖 3.41 反彈高度綜合比較關係圖….………...90 圖 3.42 吞食時間圖─磁鐵置於上方……….91 圖 3.43 吞食時間圖─磁鐵置於側面………...91 圖 3.44 6%PVA 與 0.1%硼砂水溶液以質量比 1：1 混合之產物………...95 圖 3.45 6%PVA 與 0.2%硼砂水溶液以質量比 1：1 混合之產物………...95

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第一章 緒論

第一節 研究動機與背景

自古以來，魔術師就是最神秘的行業之一。這種結合了心理學、物理學、數學， 甚至機械與工程的表演藝術，近年在全球又掀起了熱潮，無數的魔術表演與電視節 目不斷播放，觀眾明知道那些魔術實際上不可能發生，卻仍樂此不疲地收看，或想 找出破綻、或驚嘆於他們神秘的手法【1】。觀眾常常會試圖重建魔術戲法，以了解 表演中究竟發生什麼事情，然而觀眾越是嘗試(並失敗)要去了解為什麼，整件事情 就越是顯得神奇【2】。因此張德鑫【3】認為魔術能夠吸引任何年齡，以及任何族群 的人，因為人們對魔術的好奇心一直存在，他們對魔術而言有太多的疑問，這些疑 問一直烙印在大家的腦海裡，使人們為魔術著迷。而柯啟瑤【4】於「創意的科學玩 具」一書的推薦序中提到當人感到「奇怪！」「怎麼會這樣？」「怎麼辦？」「為什麼？」 「霧煞煞！」等一連串的驚訝、疑問、困惑、矛盾與曖昧時，正是學習科學的起點， 也由於這種好奇心的驅使，才能產生學習的意願。由此顯示我們可以運用人對於魔 術的高度好奇心與科學教育相互結合，將科學魔術化，因此李偉俊【5】表示透過科 學魔術的表演，可以吸引學習者或觀眾對科學魔術的興趣與欲主動探究其科學原理 的動機，達到「科學魔法只是手段，科學教育才是目的」的科普教育理念。 林懿偉【6】指出目前許多教師對於如何引起學生的學習動機感到困擾，他認為 其實引起學生的學習動機，讓他們自發性學習很簡單，就是學魔術。楊曉林【7】也 認為在科學教學中採用魔術激趣法能有效激發學生的學習興趣。方金祥，劉奕萱【8】 將科學魔術應用在教學上，發現學生對於科學的學習興趣提高，發現及解決問題的 能力也增強。而對於國中小，甚至更幼小的孩子們來說，因為尚未有扎實的科學知 識，可能也還沒接觸過理化，因此藉由魔術的原理及手法將科學原理展現於學生面 前，對學生來說同樣是充滿驚奇，無法想像，在他們強烈的好奇心驅使下，會努力 去思考眼前為什麼會有這情形出現，這時適時的引導，引入科學原理解釋眼前神奇

2 的現象，會更加深學生對於科學原理的印象及提高學習科學的興趣。因此倘若能將 科學魔術化，應用於國中小的科學教育的教學上，將更能提升學生的學習動機，藉 由學生想破解科學魔術的好勝心、好奇心，提高他們探求科學真理的興趣及動機。 從林懿偉【9】的研究中可知科學魔術對於引起學生科學好奇心有所幫助，透過 科學魔術輔助教學的方式，讓學生對探索科學更有興趣，也會有回去想表演給別人 看的動機，因此科學魔術對於引起學習興趣與動機有正向的幫助，不僅可以鼓勵學 生「從做中學-學習科學魔術」，主動建構相關知識，還可以培養學生對於問題解決 的能力。文沛然【10】則發現魔術應用在科學教育上可以讓科學概念的學習更具有 吸引力，即使在演練科學魔術的過程中不停失敗，都沒有讓學員喪失興趣，而且在 揭露學員最感興趣的魔術秘密時，進而對他們所提出的科學概念進行解釋或澄清， 可以造成更好的教學效果。因此研究者認為將魔術融入科學活動中，藉由問答「why」， 「how」引導學生學習科學，將能使學生對於科學的好奇心及學習興趣、動機更加 持久，不怕失敗。 許良榮【11】經由網路搜尋發現，除了有關於科學魔術的文獻及書籍之外，相 關的網站也相當多，在知名網站 YouTube 中就有不少國內較罕見的國外化學實驗影 片，可做為科學魔術的素材，而如何適切地融入科學教育之中，則需要適當的教學 轉換及設計。研究者從網站 Youtube 影音平台發現有許多國內較少見的國外科學實 驗影片，例如：「立即雪花(Instant Snow)」(如圖 1.1，取自：http://www.youtube.co m/watch?v=HiEewwjZi6o)、「魔砂 (Magic Sand)」(如圖 1.2，取自：http://www.you tube.com/watch?v=-1id-gHQjbs)、「磁性黏土(Magnetic Thinking Putty) 」(如圖 1.3， 取自：http://www.youtube.com/watch?NR=1&v=2bx3PYFwnnA&feature=endscreen)， 其變化的效果頗具有魔術的意味，可作為化學魔術的素材，因此研究者希望能經過 自行製作後呈現影片中神奇的效果。本研究將著重研究於「立即雪花」、「魔砂」及 「磁性黏土」的製備。

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圖 1.1 立即雪花

圖 1.2 魔砂

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研究者發現以上這幾個化學實驗，在國外已經研發成功，並且已成為商品在通 路上販賣，但是價格昂貴且參差不齊，例如「磁性黏土(Magnetic Thinking Putty)」 售價從美金 4.2~44.95 美金(折合台幣約 122~1304 元，1g 約台幣 1.34 元)；「魔砂 (M agic Sand)」售價從美金 3.16~21.99 美金(折合台幣約 92~638 元，1g 約台幣 0.64 元)； 「立即雪花(Instant Snow)」售價從美金 4~280 美金(折合台幣約 116~8119 元，1g 約 台幣 2 元，研究者將網路上搜尋到國外販賣之價格整理如附錄一)。因此研究者期望 在研發的過程中能盡量使用日常生活中的材料，降低實驗花費成本，製作出有魔術 效果的化學魔術素材，同時盡量讓操作過程簡單容易，能夠讓學生親手製作，實際 體驗化學魔術的製作過程及最後神奇的呈現效果，讓學生學會後可以隨時向家人朋 友分享及表演，在不受昂貴價格干擾的情況下能自在享受化學魔術的奧妙。若能成 功完成製作，不但能應用於化學教學，讓學生在製作過程中了解科學概念，也使學 生在科學學習上更有成就感，進而提升學生在科學學習上的動機及興趣，有助於科 學教育的推廣。

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第二節 文獻探討

一、「立即雪花」相關性質概念與研究

(一) 高吸水性高分子之性質與應用

1. 高吸水性高分子 「高吸水性高分子」(也稱為高吸水樹脂、超強吸水性聚合物 superabsorbent polymers)是指不溶於水，也難溶於有機溶劑，吸水量為本身重量幾百倍至上千倍， 吸水速率快，保水性能好的一種特殊高分子材料【12~14】。傳統的吸水材料如棉花、 紙張、海綿、泡沫塑料等吸水倍率有限，它們是利用毛細管現象將水吸收於基材的 間隙，一般只有自身重量的 20 倍，不但吸水能力低，保水能力也不好，只要稍加擠 壓，就極易失去水分【12~14】。 而高吸水性高分子含有羧基（-COOH）、羥基（-OH）等強親水性基團，並具有 一定交聯度，利用遠較傳統吸水材料間隙為小的分子鏈間隙來吸水，可吸水重量達 本身重量的數百倍至上千倍，因此被稱為高吸水性高分子。一旦吸水後即膨脹成水 凝膠(hydrogel)，即使加壓也難把水分離出來，故有優良保水性，屬於水溶脹型高分 子聚合物【12、13】。 高吸水性高分子除了具有優良的吸水性、保水性外，也有良好的吸濕性、膨脹 性、水選擇吸收性等特質，因此在石油、化工、建築、醫藥衛生和農業等部門有著 廣泛的用途，例如用作保水劑、脫水劑、增黏劑等，加入到紙漿和布中還可做紙尿 布、紙餐巾、衛生棉等衛生用品【12、13】。研究者將高吸水性高分子的特性及用途 整理如下表 1.1 所示：

6 表 1.1 高吸水性高分子的特性與用途【12】 特性 用途 生活上的應用 吸水性 吸水材 吸水劑 保水性 保水材 紙尿布、生理用品 吸水、乾燥過濾材 吸汗加工品、防結霧品 吸濕性 吸濕材 乾燥劑、過濾器 水徐放性 緩慢釋水材 化學懷爐 藥劑徐放性 藥劑擔體 芳香劑 給水性 吸水、給水材 園藝用保水劑 膨脹性 吸水膨脹體 玩具、填縫劑 水膜形成性 水膜形成體、潤滑性 抗血栓材料 電氣特性 電極材料 感應器、電極 (吸水凝膠化後，導電性、介電性變化) 選擇吸收性 選擇吸收材 油水分離材 分散安定化、增稠 增稠分散劑 化妝品 2. 高吸水性高分子的種類 最早的高吸水性高分子是將從玉米製得的澱粉與丙烯腈共聚合，然後再將澱粉 一丙烯腈接枝共聚物水解而成，可吸收本身重量 300 倍的水。當時只被視為是水溶 性高分子與凝膠的中間體，未引起太大的注意。 後來因紙尿布等衛生用品的需求成長，於是澱粉、纖維素等天然高分子與丙烯 酸、苯乙烯磺酸等接枝共聚物，或合成高分子聚乙烯醇、聚丙烯酸鹽架橋處理的高 分子、PEG 系高分子等高吸水性高分子陸續被開發出來【12】。 根據原料來源、親水基團引入方法、交聯方法、產品形狀等的不同，高吸水性 樹脂可有多種分類方法，其中以原料來源這一分類方法最為常用。

7 1-1 依原料來源分類：(表 1.2) 主要可分為澱粉類、纖維素類和合成聚合物類三大類。 (1) 澱粉類 優點是原料來源豐富，產品吸水倍率較高，通常都在千倍以上；缺點是吸 水後凝膠強度低，長期保水性差，在使用中易受細菌等微生物分解而失去吸水、 保水作用。 ① 澱粉與丙烯腈（CH2=CHCN）進行接枝反應後，用鹼性化合物水解，引入 親水性基團的產物，由美國農業部北方研究中心開發成功。 ② 澱粉與親水性單體（如丙烯酸、丙烯醯胺等）接枝聚合，然後用交聯劑交 聯的產物，是日本三洋化成公司發明的。 (2) 纖維素類 纖維素改性高吸水性樹脂的吸水倍率較低，同時亦存在易受細菌的分解失 去吸水、保水能力的缺點。 ① 纖維素與一氯醋酸反應，引入羧甲基後，用交聯劑交聯而成的產物。 ② 纖維素與親水性單體接枝的共聚產物。 (3) 合成聚合物類 ① 聚丙烯酸鹽類 這是目前生產最多的一類合成高吸水性樹脂，由丙烯酸或其鹽類與具有二 官能基的單體共聚而成。製備方法有溶液聚合後乾燥粉碎和懸浮聚合兩種。 這類產品吸水倍率較高，一般均在千倍以上。 ② 聚丙烯腈水解物 將聚丙烯腈用鹼性化合物水解，再經交聯劑交聯，即得高吸水性樹脂。如 將廢腈綸絲水解後用氫氧化鈉交聯的產物即為此類。由於氰基的水解不易徹 底，產品中親水基團含量較低，故這類產品的吸水倍率不太高，一般在 500~1000 倍左右。

8 ③ 醋酸乙烯酯共聚物 將醋酸乙烯酯與丙烯酸甲酯進行共聚，然後將產物用鹼水解後得到乙烯醇 與丙烯酸鹽的共聚物，不加交聯劑即成為不溶於水的高吸水性樹脂，這類樹 脂在吸水後有較高的機械強度，適用範圍較廣。 ④ 改性聚乙烯醇類 由聚乙烯醇與環狀酸酐反應而成，不需外加交聯劑即可成不溶於水的產物。 吸水倍率為 150~400 倍，吸水能力較低，但初期吸水速度較快，耐熱性和保 水性較好，是應用較廣的高吸水性樹脂【13】。 表 1.2 高吸水性高分子的種類(依原料高分子所行分類)，修改自【12】 天然高分子類 合成高分子類 澱粉 澱粉─Acylonitrile 接枝聚合水解物 polyvinyl alcohol 系 PVA 架橋聚合體 澱粉─丙烯酸接枝聚合體 PVA 吸水 gel 凍結、解凍彈性體 澱粉─苯乙烯磺酸接枝聚合體 其他 PVA 系 澱粉─乙烯磺酸接枝聚合體 Acrylic 系 聚丙烯酸鈉架橋體 澱粉─丙烯磺酸接枝聚合體 聚丙烯酸鈉─Yinyl alcohol 共聚物 其他 polyacrylonitrile 系聚合體皂化物 纖維素 系 Cellulose

Cellulose─Acrylonitrile 接枝聚合物 hydroxyethylmethacrylate polymer(HEMA) Cellulose─苯乙烯磺酸接枝聚合物 其他 Carboxymethyl cellulose 的架橋體 其他加成聚 合體 無水馬林酸酐共聚體 其他 vinylhyloridone 系共聚物 其他多 糖類系 hyaluronic acid 其他 agarose 聚酯系 polyethylene glycol-diacylate 架橋共聚物 蛋白質 其他聚酯 Cholagene 縮合高分子 酯系高分子 其他蛋白質 amide 系高分子 其他縮合高分子

9 不同種類的高吸水性高分子具有不同的特徵及用途，整理幾種較具代表性 的高吸水性高分子之特性比較如表 1.3 所示：【12】 表 1.3 各種高吸水性高分子及其特性比較【12】 高吸水性 高分子 製品 形態 吸水 倍率 (g/g) 吸水 速度 吸水凝 膠壓壞 程度 乾燥品 耐熱性 濕潤品 耐熱性 耐紫外 線性 與其它 樹脂相 溶性 聚丙烯酸鹽系 粉末 (珠狀) 300~ 1000 快 弱

○ ○ ○

╳ 醋酸─丙烯酸 醋共聚物凝物 珠狀 500~ 700 中 強

○ ○ ○ ○

PVA 馬林酸酐 反應物 粉碎狀 100 慢 中

○ ○ ○

╳ isobutylene、馬林 酸共聚物架橋體 粉碎狀 200~ 400 快 中

○ ○ ○ ○

聚丙烯酸系 凝膠 纖維 粉末 150 快 弱 ╳ ╳ ╳ ╳ Polyethylene oxide 系 粉末 50 慢 中

○ ○ ○ ○

澱粉─丙烯腈接 枝共聚物凝膠 粉末 300 快 弱 ╳ ╳ ╳ ╳ 澱粉─丙烯酸 接枝共聚物 粉末 300~ 800 快 弱 ╳ ╳ ╳ ╳ 羧基甲基纖維 素架橋體 粉末 細纖維 200 快 弱 ╳ ╳ ╳ ╳

10 1-2 依親水基團引入方法分類：【12】 (1) 將含親水基的單體聚合以製造高分子 (2) 將親水基導入高分子之中 (3) 將含親水基的單體接枝於高分子 (4) 將含親水基的高分子接枝於其他高分子上 (5) 後處理(皂化、水解)如 PVAc→PVA 1-3 依交聯(架橋)方法分類：【12】 (1) 利用架橋劑使網狀化 架橋劑具有二個以上可以和羧基反應的官能基，因此可形成分子間的架橋。 可作為架橋劑的有：1,3-dichloroisopropanol,epicholorhydrine，1,4-butanediolgl ycidyl ether 等。 (2) 導入架橋性單體使網狀化 導入 divinyl 化合物與高分子合成，可使網狀化。 (3) 自行架橋使網狀化 丙烯酸鹽聚合時，增大單體濃度使急速聚合，即可得不溶於水的高分子。 利用此原理，經逆相乳化聚合即得自架橋型聚丙烯酸鹽凝膠。 (4) 光放射線照射網狀化 (5) 疏水性單體的共聚合使不溶化(架橋) 長鏈烷基(C10~30)丙烯酸酯與短鏈烷基(C1~9)丙烯酸酯行三次元共聚合，則 雖無化學架橋也可得凝膠。 (6) 結晶性高分子中導入團塊(block)使不溶化(架構) PVA/聚丙烯酸系共聚物等為其例子。 (7) 利用多價金屬陽離子來架橋 聚丙烯酸形成的陰離子性高分子電解質在低 pH 範圍可與多價金屬陽離子 以離子結合生物複合物。金屬陽離子有鋁、鐵、鎘等，常用添加劑有 CaC12、

11

A12SO4、A1(CH3COO)3、A1(OH)3等。

(8) 導入氫鍵結合使架橋 PVA 水凝膠的凍結、解凍、乾燥，可形成彈性體、明膠等天然膠。 1-4 依產品形狀分類：【12】 高吸水性高分子有粉狀、珠狀、纖維狀或薄膜狀等產品形態，依其產品型 態不同，用途也有所差別，整理如表 1.4 所示。 表 1.4 高吸水性高分子的製品形態與利用形態【12】 製品形態 利用形態 粉末狀 1、夾於積層材中作紙尿布、生理用品等 2、配合於基材中做濕布劑、貼付劑、化妝品等 珠狀、碎片狀 土壤改良劑、乾燥劑、脫水劑等 塊狀 芳香劑、除臭劑 纖維狀 防靜電纖維 薄膜、不織布、積層體 防結霧板、混凝土養生墊、農用膜 單獨成型物 玩具、人工筋肉、隱形眼鏡 混摻成形物 填縫材、止水板、墊片等 發泡材 吸水海棉 液狀 填縫劑、補土、塗料等 3. 高吸水性高分子的吸水原理 高吸水性高分子的高吸水性，主要與它的化學結構，和聚集態中極性基團的分 散狀態有關，此種高分子基本上是具有與水親和性高之離子基，並且具有低交聯度 親水性的三維空間網絡結構。它由化學交聯和聚合物分子鏈間的相互纏繞物理交聯 構成【12、13】

12 從化學組成和分子結構看，高吸水性高分子是分子中含有親水性基團和疏水性 基團的交聯型高分子。吸水前，高分子的長鏈相互交纏，且分子鏈間以架橋結合形 成三次元網目構造，彼此交聯成網狀結構，從而達到整體上的緊固程度。吸水後， 高分子網狀結構中的親水性基團與水分子接觸時，會相互作用形成各種水合狀態， 水分子與親水性基團中的金屬離子形成配位水合，與電負性很強的氧原子形成氫鍵 等；而高分子網狀結構中的疏水基團，因疏水作用而易於斥向網格內側，形成局部 不溶性的微粒狀結構，使進入網格的水分子由於極性作用而局部凍結，失去活動性， 形成 “偽冰” （falseice）結構。因此吸水後的高分子聚合物可以看成是高分子電解 質組成的離子網絡和水的構成物【12、13】。 研究發現，高吸水性高分子中的網狀結構對吸水性有很大的影響。未經交聯的 高分子基本上沒有吸水功能。因為如果分子間無架橋以形成三次元網目構造，高分 子的分子鏈會因進一步擴散而溶於水中，這就成了以往所謂的水溶性高分子。而少 量交聯後，吸水率則會成百上千倍地增加。但隨著交聯密度的增加，吸水率反而下 降。適當增大網狀結構，有利於吸水能力的提高。由此可見，被高吸水性高分子吸 收的水主要是被束縛在高分子的網狀結構內。據測定，當網格的有效鏈長為 10-9_－ 10-8m 時，高分子具有最大的吸水性。網格太小，水分子不易滲入，網格太大，則不 具備保水性。此外，高分子中親水性基團的存在也是必不可少的條件，親水性基團 吸附水分子，並促使水分子向網狀結構內部的滲透。因為在液態水中，水分子是以 氫鍵形式互相連接在一起形成數個～數十個的集團(cluster)，幾乎不以單分子形態存 在（圖 1.4），其運動受到一定限制。而在親水性基團作用下，水分子易於擺脫氫鍵 的作用而成為自由水分子，這就為網格的擴張和向網格內部的滲透創造了條件【12、 13】。

13 圖 1.4 液態水之構造 相鄰的水分子互相以氫鍵形成微弱的二次結合，數個～數十個水分子結合在一起即形 成集團，修改自【12】。 水分子進入高分子網格後，由於網格的彈性束縛，水分子的熱運動受到限制， 不易重新從網格中逸出，因此，具有良好的保水性。差熱分析結果表明，吸水後的 高分子聚合物在受熱至 100 ℃時，失水僅 10 ％左右；受熱至 150 ℃時，失水不超 過 50 %，可見其保水性之優良【13】。 高吸水性高分子吸收水後發生溶脹，形成凝膠。在溶脹過程中，一方面，水分 子力圖滲入網格內使其體積膨脹，另一方面，由於交聯高分子體積膨脹導致網格向 三維空間擴展，使網鍵受到應力而產生彈性收縮，阻止水分子的進一步滲入。當這 兩種相反的作用相互抵消時，溶脹達到了平衡，水的吸收及高分子鏈的擴張均停止， 吸水量達到最大，形成安定水凝膠(圖 1.5)【12、13】。 圖 1.5 高吸水性高分子的吸水凝膠所受的作用力【12】

14 因此高吸水性高分子吸水後形成的吸水凝膠，是高分子的親水基與水分子混合 形成氫鏈而成，而高分子之分子鏈所構成的三次元網目又與水分子集團交錯滲透， 這是高吸水性高分子所以能夠大量吸水的原因【12】。 如前所述，高吸水性高分子必須具有以下特徵： 1-1 高分子的分子本身為親水性的。 1-2 高分子鏈間有架橋，因此在水中可擴散但不溶解。 而欲獲得高品質的高吸水性高分子，聚合時基本聚合物的分子量、分子量分布 要嚴密控制，架橋點要均一，聚合粒子的表面狀態，粒徑也是調整重點。 高吸水性高分子的缺點是會受水中鹽類濃度的增加，吸水倍率即下降。這是因 鹽類所帶來的離子使高吸水性高分子的離子無法解離，因而無法藉靜電排斥使高分 子鏈的網目擴大之故。尤其是鈣鹽、鎂鹽、鋁鹽所帶來的多價金屬離子，會於高吸 水性高分子中結合，使吸水倍率大幅下降（圖 1.6） 圖 1.6 鹽類對高吸水性高分子的影響【12】 改良其耐鹽性使不受鹽類影響的方法有以下三個： 1-1 利用不與金屬離子結合的非離子性親水基來構成高吸水性高分子。 1-2 併用離子交換樹脂或螯合劑，除去會影響高吸水性高分子的金屬離子。

15 1-3 用不易與多價金屬離子結合的解離基來構成高吸水性高分子。 其中 1-1 法有使吸水倍率降低、吸水速度緩慢及耐久性變劣等問題；1-2 法的價 格高，長期使用影響成本；1-3 法的改良方式最受重視，相關研究與專利也最多。例 如導入羧基、氫氧基以外的親水基，如磺酸基、磷酸基等。 耐鹽性改良後的高吸水性高分子，用於水泥管止水環、與海水接触的密封材、 含肥料之土壤保水材等用途上，均能發揮良好性能【12】。

(二) 聚丙烯酸鈉

高吸水性高分子基本上是具有與水親和性高之離子基的高分子，高分子的分子 間具架構結合的構造。其中具羧酸鈉基(－COONa)的丙烯酸鈉聚合體的架橋物，因 工業生產容易、成本低，故為最適用的吸水性高分子【12】。因此本研究使用聚丙 烯酸鈉為「立即雪花」之實驗素材。 1. 聚丙烯酸鈉的性質及用途 圖 1.7 聚丙烯酸鈉結構式【16】

聚丙烯酸鈉，Sodium polyacrylate，簡稱 PAANa，分子式為(C3H3NaO2)n，結構

式如圖 1.7 所示。聚丙烯酸鈉是—種具有親水基和疏水基的水溶性直鏈高分子聚合 物，無臭無味無毒，遇水膨脹，呈弱鹼性，能電離，有腐蝕性，吸濕性極強。不溶 於乙醇、丙酮等有機溶劑，易溶於水和氫氧化鈉水溶液，但在氫氧化鈣、氫氧化鎂 等水溶液中隨鹼土金屬離子數量增加，先溶解後沈澱。在 pH＝4 附近時，容易凝膠； 在 pH＝2.5 時，近於溶解。相對分子量小的為淡黃色粘稠液體，分子量大者可為固 體，呈白色粉末或顆粒狀，

16 聚丙烯酸鈉用途廣泛，其相對分子量從幾百至幾千萬以上，根據相對分子量大 小不同而具有不同的性質及用途，整理如表 1.5 所示 表 1.5 聚丙烯酸鈉的性質與用途

相對分子量

主要作用

相對分子量

用途

1000~5000

分散作用

1000-3000

阻垢分散劑

2000-4000

造紙塗布分散劑

1000-3000 水質穩定劑和結垢控制劑

10

4

~10

6

增稠作用

10

5

以上

塗料增稠劑、保水劑

10

6

以上

絮凝作用

10

6

~10

7

增稠劑、絮凝劑

絮凝劑、高吸水性

樹脂，土壤改良

劑，以及在食品工

業中作增黏劑、乳

化分散劑等

10

7

以上

吸水劑

(不再溶於水，在水中溶

脹，生成水凝膠)

圖 1.8 聚丙烯酸鈉未吸水（左）和吸水（右）的結構，修改自【15】

17 2. 聚丙烯酸鈉吸水原理 聚丙烯酸鈉主鏈含有羧酸鈉基－COONa 為親水性(圖 1.8 的左圖)，因此吸水後， 聚丙烯酸鈉形成的網狀結構被水分子入侵，聚丙烯酸鈉的的羧酸鈉基(－COONa)在 水中解離為－COO-_{負離子和 Na}+_{正離子，因－COO}-_{負離子之間互相排斥，導致原本} 彎曲鏈展開成直條鏈，(圖 1.8 的右圖)使聚丙烯酸鈉高分子鏈的網狀結構進一步擴大， 因此可吸收並保持更多的水(圖 1.9)。由於 H2O（H－O－H）分子中氫原子略帶正電 荷，氧原子略帶負電荷，略帶正電荷的氫原子和帶負電的－COO-_{之間產生氫鍵的吸} 引力，因此聚丙烯酸鈉能吸水，但它不是溶解於水中而是形成膠狀物質。原因是當 交聯（cross-link）程度高時，水無法進入高分子中，其吸水能力降低。而在低交聯 度的情形下，水分子容易滲透進入高分子中，使樹脂膨脹，進一步親水而凝膠化， 成為高吸水性的狀態。當交聯密度太低的情況下，就可能溶解於水【12、15】。 圖 1.9 聚丙烯酸鈉吸水原理【17】 聚丙烯酸鈉高分子本身是一個半透膜，利用半透膜只容許水分子通過的特性， 以此半透膜包住氯化鈉而形成小圓球，使半透膜內是高濃度，半透膜外是低濃度。 當聚丙烯酸鈉高分子接觸到水時，由於小圓球內外的溶液濃度相差懸殊，因此大量 的水由小圓球外的低濃度溶液滲透進入小圓球內部的高濃度溶液，直到內外溶液的

18 濃度相等，即所謂的等滲透壓【15】，利用此原理可以使包有氯化鈉的聚丙烯酸鈉 吸收更大量的水分，形成更強的高吸水性高分子。 基於滲透的原理，吸水高分子所吸收的水量取決於外在的溶液種類。如果是蒸 餾水，可以吸收聚合物本身重量的 800 倍。如果是自來水，因為含有較多離子，所 以只能吸收本身重量的 300 倍。如果是尿液（約 0.9%食鹽水），只能吸收本身重量 的 60 倍。利用半透膜滲透原理，超強吸水高分子可以應用在老人及嬰兒用之紙尿布， 或婦女用之衛生棉。除此之外，在其他方面也有許多用途，與生活息息相關：(1)可 使植物的土壤具有保水功能；並使花朵長期保持新鮮而不凋謝。(2)可用於飛機、太 空火箭或汽車燃料，如汽油中的水有效的移除。(3)做成小朋友喜愛的「水晶寶寶」 與「會長大的恐龍、蜥蜴等玩具」【15】。 3. 聚丙烯酸鈉的合成【18~20】 PAANa 的合成方法主要有以下幾種：(圖 1.10) 1-1 聚合法 用丙烯酸和氫氧化鈉反應生成丙烯酸鈉單體，再在引發劑(例：過硫酸銨) 引發下聚合成聚丙烯酸鈉。 1-2 中和法 先將丙烯酸在引發劑作用下聚合成聚丙烯酸，然後將聚丙烯酸與氫氧化鈉 中和成聚丙烯酸鈉。

19 1-3 皂化法 先由丙烯酸與甲醇反應生成丙烯酸甲酯，在引發劑作用下聚合為聚丙烯酸 甲酯，聚丙烯酸甲酯懸浮液和乳膠在氫氧化鈉水溶液中加熱製得聚丙烯酸鈉。 圖 1.10 聚丙烯酸鈉系高吸水性高分子的四種製程【12】 從文獻中查知，低分子量聚丙烯酸鈉製備多採用聚合法。研究者目標想要製造 出高分子量中較低分子量的聚丙烯酸鈉，因此參考文獻中的製程，分別採用了聚合 法及中和法。

20

二、「魔砂」相關性質概念與研究

(一) 魔砂

普通的砂是自由流動的，密度比水大，在水中會向下沉。水會浸濕砂，而且會 在砂粒間流動。因此若砂與大量的水混合時，會表現地如同流體般流動，掉落，並 不能形成一個保持自身形狀的結構。但「魔砂」─另外一種形式的砂子，不會表現 出這些現象【21、22】 魔砂其實就是一般正常的沙子，只是經過了染色及塗上疏水性的物質之處理。 而這層疏水性塗料使砂子保持乾燥，所以當魔砂倒入水中時因為它的防水性質，造 成它保持自身的形狀，甚至可以在水裡被模塑成各種結構。當你結束使用時，還可 以輕易地將水倒出，砂子仍然是乾的。魔砂可以重複使用，並且使用它從事有趣的 科學實驗。顏色可以多變化。建議孩童使用年紀在四歲以上【22】。 1. 海砂與魔砂的特性比較 在一杯水灑下少量的魔砂時，魔砂會漂浮在水面上，不像海砂會下沉。當灑下 更多的魔砂至水面上時，它會造成一種緩沉至杯底的現象。如果你一手握海砂，另 一手握魔砂，並且雙手浸入水中，海砂會粒粒分明。然而魔砂會被一層像塑膠膜的 銀色層所圍繞。當你舉起你的雙手離開水面，海砂會呈現濕濕塊狀，魔砂則不會成 塊，事實上他們是完全乾燥的。這是因為魔砂被大量的空氣泡泡所圍繞；那銀色層 是泡泡的曲面，如圖 1.11 所示。 圖 1.11 魔砂浸水後形成的銀色曲面【23】

21 海砂大部分是石英礦物崩解成細小的碎粒，化學名稱為二氧化矽 SiO2，而這數 十億矽原子及氧原子共價鍵結形成三維網狀結構。因此海砂粒子表面有與氫原子形 成共價鍵結的氧原子(見圖 1.12)，即此 SiO2粒子具極性的表層可以和水形成氫鍵 （Si-O-H）。這表示在砂與水分子的表面有正負電荷，於是水被砂吸引，造成水「浸 溼」砂的現象，亦即一滴水將會在一顆砂粒上展開並且將砂包覆，而不是將砂粒聚 集成小球，由此可知這些砂粒是親水性的【21】。 圖 1.12 海砂的結構 大部分的砂是純的二氧化矽，為氧和矽原子的網狀結構。在這表面，氧原子與氫原子 形成極性共價鍵。這些 O-H 團攜帶局部電荷可以吸引水分子中類似的局部電荷。異性電荷 之間的吸引力使水附著在個別的砂粒上，修改自【21】。 而魔砂倒入水中，會出現砂與砂自我的鍵結，形成有趣的「rabbit gut(兔腸)」形 狀(圖 1.13)。但當水緩緩從杯中倒出，魔砂是乾的，而且之前形成「rabbit gut」的形 狀消失。這「rabbit gut」形狀是因為極性水分子間形成強烈的分子間鍵結─氫鍵，使 水在沒有接觸到魔砂的情況下，在魔砂的周圍形成一個狹窄的保護套，就像是泡泡 把魔砂包起來一樣【24】。 圖 1.13 魔砂入水後，形成「rabbit gut(兔腸)」形狀，修改自【25】

22 魔砂是海砂上塗有化學處理過的微小二氧化矽粒子。它的製作過程是 Cabot 公 司的研究者將玻璃(二氧化矽)暴露在另外一種矽化合物「trimethylchlorosilane 三甲基 氯矽烷(CH3)3SiCl」的蒸氣之中。如圖 1.14 所示，這些蒸氣中的微小分子會附著在 球狀物上並且在球狀物外表形成一個由非極性共價鍵 Si-O-Si(CH3)形成的新表面。 這些鍵結並不吸引水，使這些粒子成為疏水性的。 圖 1.14 魔砂製作的反應過程 魔砂由塗有經過特殊化學處理的微小純二氧化矽粒子的砂粒所構成。當這些粒子暴露在三 甲基氯矽烷，取代原本發生在兩個-OH 團間的反應。這導致水聚集成團及矽烷化合物與二 氧化矽粒子的鍵結。在此番處理後，表面有-CH3團的粒子會溶解在油中，而不溶於水，修 改自【21】。 當少量的魔砂顆粒撒入水中，水中的極性水分子強烈地吸引其他極性水分子， 使得魔砂不會穿破水的表面直到魔砂的厚度變得更厚為止。即使將大量魔砂倒入水 中，因太重而下沉，相同的表面張力效應也會保持它乾燥。這是因為水分子不能流 進疏水性的砂粒中，砂粒間的空氣因此無法排出所造成。然而，油很容易流進砂粒 間，因此魔砂可以吸收令人驚訝的油量【21】。

23 魔砂的效果取決於表面張力。魔砂「Magic」的效果消失在溶劑的表面張力 γ 在 40dynes/cm 以下：50%甲醇/水溶液 γ= 35)不會呈現魔砂效應，當溶液 γ=46)則顯 現；二氧六環在55% γ=39)表現微小的效果；乙二醇 γ=48)及甘油 γ=63)則顯現，苯 乙酮 γ=39)則不行。因此魔砂效果除了與疏水性有關，其實也與溶劑提供的表面張 力程度有關【24】。 2. 魔砂的用途 1-1 清理海上油汙 當 Cabot 公司最初發展魔砂，原本是期待用它來清理水中的油汙。魔砂也 被建議使用在沿海海域捕捉從運油船中流出的石油。因為當魔砂撒在漂浮的石 油上時，魔砂會與油性的物質相混合，增加重量，於是魔砂吸附石油一起沉入 海底，之後再將石油和魔砂一起從水底移除，可以避免石油污染沼澤及海灘 【21】。 1-2 盆栽種植 種植盆栽植物，澆水太少，植物會枯萎；水太多，根會腐爛。因為大部分 的植物的根需要同時暴露在空氣及水中。因此給植物太多水，水會取代重要的 空氣。而當魔砂被加入盆栽的土壤，疏水性的砂粒允許空氣流入砂粒之間，水 卻無法流入，從而保持開放的空氣通道直通表面【21】。 1-3 極地設備維修 在北極為了要在惡劣的天候下保護電纜及電話線，會傾向將其埋在地底下， 但這些設備需要維修時，尤其在冬天，是幾乎不可能將它們從結凍的泥土中挖 出。因此如果把這些設備埋在魔砂中，因為魔砂保持乾燥且全年鬆動，就不會 吸水或冰凍，讓維修設備變為更加簡便(見圖 1.15) 【21】。

24 圖 1.15 北極使用魔砂覆蓋電子設備 挖掘凍結北極的土壤通常需要用強而有力的工具挖好幾個小時。為了加快地下維修， 公共事業公司可以用魔砂覆蓋電子接線盒，並用少量(幾英吋深)的土壤覆蓋在砂之上。下雨 時，雨水會圍繞周圍，但不會滲入，當土壤結凍為固體時，魔砂依舊保持乾燥及鬆動。因 此很容易破壞魔砂上結構的土壤層，然後鏟走鬆鬆的磨砂【21】。 1-4 玩具(圖 1.16) 可以用魔砂可以在水裡被模塑成各種結構/構造/建築(圖 1.17)【22】。 圖 1.16 魔砂玩具【26】 圖 1.17 魔砂可以在水裡被模塑成各種結構【27】

25 1-5 從事科學實驗證明疏水性、親水性性質等 學習有關水分子的性質及疏水產物如何運作。學生可以分別用魔砂及一般 /正常的砂做實驗，並且注意它們在防水性質中的差異【22】。 3. 魔砂的安全性及後續處理 魔砂是沒有毒性的。可以重複使用而且大量乾砂不需要做排水的處理【24】。當 用完魔砂後，只要盡量將水倒到杯外，然後加一小片面紙到砂上。輕輕搖晃容器內 的砂子，還困在砂中的水珠就會浮出而被面紙吸收。最後再拿掉濕掉的紙巾，將砂 子倒回原本的容器中儲存就可以了【23】。

(二) 三甲基氯矽烷【28】

圖 1.18 三甲基氯矽烷的結構式【28】 三甲基氯矽烷，Trimethylsilyl chloride(縮寫為 TMSCl)，也稱氯化三甲基矽烷、 氯代三甲基矽烷及三甲基一氯矽烷，分子式(CH3)3SiCl，結構如圖 1.18 所示。室溫 下為無色液體，是鹵代矽烷的一種，在有機合成中有很多用途。它在無水情況下穩 定，但遇水即分解，生成六甲基二矽氧烷和鹽酸。 三甲基氯矽烷可由氯甲烷與矽粉在氯化亞銅存在下反應並精餾提純獲得，也可 由親核性甲基試劑如甲基鋰與四氯化矽發生親核取代反應製得。 三甲基氯矽烷在有機化學中有很廣泛的用途，既可作為三甲基矽基的來源，也 可在無水情況下提供氯離子。 醇、胺、羧酸和金屬炔化物與三甲基氯矽烷迅速反應，分別生成三甲基矽醚、 三甲基矽基胺類、三甲矽基酯和三甲矽基炔烴，可用於保護相應的官能團。用三甲

26 基氯矽烷保護羥基的反應一般在三級胺中進行。保護後的化合物可通過與氟離子作 用而脫去保護基。三甲矽基對酸是不穩定的，並且三甲矽基的引入會使化合物的揮 發性增強，使得某些生化樣品更易被質譜和氣相色譜分析。 三甲基氯矽烷與醇的反應會生成一分子的氯化氫，形成無水氯化氫的醇溶液。 此溶液可以與酮和羧酸反應，用於溫和合成相應的縮酮和酯。 三乙胺和二異丙基氨基鋰存在下，三甲基氯矽烷與可以烯醇化的醛、酮和酯反 應，將其轉化為三甲矽基烯醇醚。此類矽烯醇醚是很重要的烯醇負離子等價物，可 以發生向山羥醛反應、麥可加成、Rubottom 氧化反應（用 mCPBA 氧化為 α-羥基酮）、 烷基化等多種反應。 用三甲基氯矽烷作原料，可以合成其他三甲基矽基化合物，包括：三甲基氟矽 烷、三甲基溴矽烷、三甲基碘矽烷、三甲基氰矽烷、三甲基疊氮矽烷[2]_{、三氟甲磺} 酸三甲矽酯（TMSOTf）等。其合成反應的通式如下：

MX+Me

3

Si─Cl→MCl+Me

3

Si─X

(MX 指相應鹵素或擬鹵素的鹽) 三甲基氯矽烷的其他反應： 1. 水解得到六甲基二矽氧烷，也是向化合物中引入三甲矽基的試劑。 2. 與氨反應得到六甲基二矽氮烷，其鋰鹽、鈉鹽和鉀鹽是有機合成中常用的非 親核性強鹼。 3. 合成三甲基烷氧基矽烷。 4. 把用鹼溶液處理過的棉質口袋放在三甲基氯矽烷里熏幾分鐘，這個袋子就可 以用來盛水了。

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三、「磁性黏土」相關性質概念與研究

(一) 聚乙烯醇的性質與應用【29】

聚乙烯醇是一種用途廣泛的水溶性高分子聚合物，其性能介於塑料和橡膠之間。 日常生活中常用來作為黏著劑、塗料等，一般市面上可購得之透明膠水的成分即為 12%的聚乙烯醇溶液。 1. 聚乙烯醇 圖 1.19 聚乙烯醇結構式【29】

聚乙烯醇，Polyvinyl alcohol(簡稱 PVA，PVOH，PVAL)，分子式(C2H4O)x，結

構式如圖 1.19 所示。聚乙烯醇是一種白色粉末狀、片狀或絮狀固體，玻璃轉化溫度 60～85°C。聚乙烯醇含有許多醇基，具有極性，且可與水形成氫鍵，故能溶於極性 的水；聚乙烯醇也可溶於熱的含羥基溶劑如甘油、苯酚等，不溶於甲醇、苯、丙酮、 汽油等一般有機溶劑。 按聚合度可分為超高聚合度（分子量 25～30 萬）、高聚合度（分子量 17～22 萬）， 中聚合度（分子量 12～15 萬）和低聚合度（分子量 2.5～3.5 萬）。醇解度一般有完 全醇解（醇解度 98～100％）、部分醇解（醇解度 87～89％）和醇解度 78％三種。 產品牌號中一般將聚合度的千、百位數字放在前面，醇解度放在後面，例如聚乙烯 醇 17-99 即表示聚合度為 1700，醇解度為 99％。 聚乙烯醇無毒，對皮膚無刺激作用，不會引起皮膚過敏，但粉塵對眼部有刺激 作用。 吸入、攝入或經皮膚吸收後對身體有害 2. 聚乙烯醇的製備 乙烯醇單體不穩定。聚乙烯醇不能從單體乙烯醇製備，只能通過聚醋酸乙烯酯

28 部分或全部水解製取。具體過程為聚醋酸乙烯酯在鹼作用下與甲醇反應製得。 3. 聚乙烯醇之應用 用途非常廣泛，可用作漿料、塗料、黏著劑（例如透明膠水）、穩定劑、分散劑、 乳化劑、增厚劑、感光劑和填充材料等。

(二) 硼砂

【30】 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 •10 2O，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， -）進而生成硼酸根離子 borate ion， )₄-， )₃與 )₄-_的

分子結構式如圖 1.20 所示，其反應式如圖 1.21 所示：

圖 1.20 與 -_{的分子結構式【30】}

)₃+2 2 → )₄+ 3 +

29 硼酸根 )₄ 擔任角色為交叉連結劑(crosslinker)， )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 期做魚丸要有彈性要脆，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。

(三) 聚乙烯醇與硼砂的交聯作用【30、31】

)₄-_{與聚乙烯醇 (PVA) 上的醇基進行縮合反應（condensation reaction）並且}

脫去水分子，使得聚乙烯醇分子交聯（crosslinking）在一起，而形成具有彈性的黏 土狀聚合物 ，如圖 1.22 所示。 圖 1.22 聚乙烯醇與 -進行縮合反應的交聯作用【31】 另一說明， )₄-_{與聚乙烯醇上的醇基形成氫鍵（hydrogen bonding），使得聚} 乙烯醇分子交聯（crosslinking）在一起，而形成具有彈性的黏土狀聚合物，如圖 1.23 所示。

30 圖 1.23 聚乙烯醇與 -形成氫鍵的交聯作用【31】 硼砂溶於水產生 )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。 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，就是鼻涕蟲。

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第二章 研究方法

第一節 立即雪花

一、聚丙烯酸鈉與碳酸氫鈉混合物

(一) 實驗目的：

希望加強聚丙烯酸鈉吸水後膨脹的效果，研究者將碳酸氫鈉粉末與聚丙酸鈉混 合，希望藉由碳酸氫鈉遇熱分解產生二氧化碳氣體的特性，提高聚丙烯酸鈉在吸水 過程中的膨脹程度。

(二) 實驗原理

1. 碳酸氫鈉在與水結合後開始起作用釋出二氧化碳 CO2，反應式如下： NaHC _{3 aq)}→ N𝑎+_{+ C} 3 C ₃+ ₂ → ₂C ₃+ 2C 3 aq)→C 2 g)+ 2 l) (∵C 2(g)+ 2 (l)↔ 2C 3 aq) Kh=1.7×10 3) 2. 碳酸氫鈉遇熱分解產生二氧化碳氣體，反應式如下： 2Na C 3 s) ∆ → C 2 g)+Na2C 3 aq)+ 2 l)

(三) 實驗藥品

1. 聚丙烯酸鈉 2. 碳酸氫鈉 (Sodium Bicarbonate) 澳洲 食品工業級

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(四) 實驗步驟

1. 測試市售聚丙烯酸鈉 15g 加水後的膨脹程度。 2. 固定水溫(室溫)，固定水量，改變市售聚丙烯酸鈉與碳酸氫鈉質量比，測試其 混合物加水後的膨脹程度 實驗步驟流程圖如圖 2.1 所示。 1-1 取聚丙烯酸鈉 5g，碳酸氫鈉 10g 於 100ml 燒杯中，均勻混合，加入室溫 105g 水，觀察此混合物加水後的膨脹程度，紀錄加水至開始膨脹的時間、 開始膨脹到最高點的時間及混合物膨脹到最高點距離燒杯杯口的高度 1-2 改取聚丙烯酸鈉 7.5g，碳酸氫鈉 7.5g 於 100ml 燒杯中，重複步驟 1-1 1-3 改取聚丙烯酸鈉 10g，碳酸氫鈉 5g 於 100ml 燒杯中，重複步驟 1-1。 1-4 改取聚丙烯酸鈉 11.25g，碳酸氫鈉 3.75g 於 100ml 燒杯中，重複步驟 1-1。 1-5 改取聚丙烯酸鈉 12g，碳酸氫鈉 3g 於 100ml 燒杯中，重複步驟 1-1。 1. 膨脹總時間：加水到膨脹最高點的時間 2. 膨脹變化時間：開始膨脹到膨脹最高點的時間 3. 膨脹高度：膨脹到最高點距燒杯杯口的垂直高度 圖 2.1 探討聚丙烯酸鈉與碳酸氫鈉不同質量比例對於立即雪花效果影響 之實驗流程圖 取聚丙烯酸鈉與碳酸氫鈉不同質量比例 (1：2、1：1、2：1、3：1、4：1) 加入室溫，105g 的水 測試

33 3. 固定市售聚丙烯酸鈉與碳酸氫鈉質量比 2：1，固定水量，改變水溫，測試其 混合物加水後的膨脹程度 實驗步驟流程圖如圖 2.2 所示。 1-1 取聚丙烯酸鈉 10g，碳酸氫鈉 5g 於 100ml 燒杯中，均勻混合，加入 105g 室溫的水，觀察此混合物加水後的膨脹程度，紀錄加水至開始膨脹的時間、 開始膨脹到最高點的時間及混合物膨脹到最高點距離燒杯杯口的高度 1-2 改加入 30℃~75℃ 105g 水，重複上述操作。 (從室溫量測，自 30℃，間隔 5℃量測一次，直至 75℃) 1. 膨脹總時間：加水到膨脹最高點的時間 2. 膨脹變化時間：開始膨脹到膨脹最高點的時間 3. 膨脹高度：膨脹到最高點距燒杯杯口的垂直高度 圖 2.2 探討不同水溫對於立即雪花效果影響之實驗流程圖

二、聚丙烯酸鈉有機合成實驗

(一) 實驗目的：

為了想要讓聚丙烯酸鈉吸水後膨脹效果更好，因此希望能藉由調整聚丙烯酸鈉 合成過程中的酸鹼度、實驗方式及引發劑，製程較低分子量，吸水程度不變的聚丙 烯酸鈉。 取聚丙烯酸鈉 10g 與碳酸氫鈉 5g 均勻混合 加入不同溫度 105g 的水 (室溫，自 30℃，每間隔 5℃量測一次，直至 75℃) 測試

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(二) 實驗原理

聚丙烯酸鈉的合成方法主要有聚合法、中和法及皂化法【18~20】。本研究分別 使用： 1. 中和法： 參考陸立美【32】聚丙烯酸合成反應流程，聚合生成聚丙烯酸，再將聚丙烯 酸與氫氧化鈉中和，產生聚丙烯酸鈉。 2. 聚合法： 參考新民高中【33】聚丙烯酸鈉合成反應流程，以丙烯酸和氫氧化鈉為反應 物，生成丙烯酸鈉單體，再在引發劑(例：過硫酸銨)引發下聚合成聚丙烯酸鈉。

(三) 實驗器材

1. 電磁加熱攪拌器 型號：HMS-102-4 廠牌：華夏科學有限公司 2. 回流冷凝管 3. 250mL 三頸瓶

(四) 實驗藥品

1. 丙烯酸 (Acrylic Acid) Panreac PR-PS 試藥級 2. 過硫酸銨 (Ammonium Persulfate)

35 Panreac PR-PA-ACS 試藥特級 3. 異丙醇 (Isopropanol) 試藥級 4. 氫氧化鈉 (Sodium Hydroxide) Taiwan 工業級 5. 甲醇 (Methyl Alcohol) Taiwan 工業級

(五) 實驗步驟

1. 中和法【32】 實驗步驟流程圖如圖 2.4 所示。 1-1 在 250mL 三頸瓶(如圖 2.3)中，加入 100mL 蒸餾水和 1 g 過硫酸銨。待過 硫酸銨溶解後，加入 5g 丙烯酸單體和 8 g 異丙醇。開動攪拌器，加熱使反 應瓶內溫度達到 65~70℃。 1-2 將 40g 丙烯酸單體和 2 g 過硫酸銨在 40 mL 水中溶解，用針筒量取此混合 溶液，由三頸瓶 C 處用針筒漸漸注入瓶內，由於聚合過程中放熱，瓶內溫 度有所升高，反應液逐漸回流。滴完丙烯酸和過硫酸銨溶液約 0.5 小時。 1-3 在 94℃繼續回流 1 小時，反應即可完成。聚丙烯酸相對分子品質約在 500~4000 之間。 圖 2.3 三頸瓶裝置圖 a：通氮氣 b：回流冷凝管 c：用針筒壓料(反應物注入孔)

36 1-4 在已製成的聚丙烯酸水溶液中，加入濃氫氧化鈉溶液 (濃度為 30%) 邊攪 拌邊進行中和，使溶液的 pH 值達到 10~12 範圍內即停止，即製得聚丙烯 酸鈉鹽。 1-5 將製得的聚丙烯酸鈉鹽溶液用甲醇純化後，抽氣過濾，並置於烘箱烘乾， 並用磨豆機磨成粉末，即得最後產物─聚丙烯酸鈉粉末。 圖 2.4 聚丙烯酸鈉中和法合成實驗步驟流程圖

37 2. 聚合法【33】 實驗步驟流程圖如圖 2.5 所示。 1-1 於 250ml 燒杯中加入丙烯酸 20g，過硫酸銨 0.75g，蒸餾水 69.25g，用磁 石攪拌，使其混合均勻。 1-2 在已配成的丙烯酸水溶液中，加入濃氫氧化鈉溶液 (濃度為 30%) 邊攪拌 邊進行中和，使溶液的 pH= 4 範圍內即停止，再加熱至 65~80℃，即反應 製得聚丙烯酸鈉鹽。 1-3 將製得的聚丙烯酸鈉鹽溶液用甲醇純化後，抽氣過濾，並置於烘箱烘乾， 並用磨豆機磨成粉末，即得最後產物─聚丙烯酸鈉粉末。 圖 2.5 聚丙烯酸鈉聚合法合成實驗步驟流程圖

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第二節 魔砂

一、實驗目的：

本研究將具有疏水性的溶液：撥水劑、思高潔、3M 完稿噴膠、液態黃蠟以及 保麗龍香蕉水飽和溶液分別附著於砂子上，製作出「魔砂」。希望藉由這些溶劑的 疏水性質幫助砂子在水中保持乾燥，達到「魔砂」神奇的效果。

二、實驗原理：

魔砂的神奇效果主要是來自於砂子的表面附著一層疏水性物質，使砂子浸水後 仍然保持乾燥，因此本研究分別利用撥水劑、思高潔、3M 完稿噴膠、黃蠟以及保 麗龍香蕉水飽和溶液這些不溶於水、標榜防水效果好的溶液為疏水性物質，將這些 溶劑分別附著在砂子的表層，利用這些溶劑疏水性質幫助砂子在水中保持乾燥。

三、實驗藥品：

以下藥品皆購自五金行、網路商店及美術材料行。 1. 砂畫用的細砂 2. 撥水劑 3. 思高潔 4. 3M 完稿噴膠 5. 黃蠟 6. 保麗龍 7. 香蕉水

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四、實驗步驟：

(一) 撥水劑

實驗步驟流程圖如圖 2.6 所示。 1. 先將砂子用水洗淨並用烤箱烘乾(烤箱上下火全開，定溫 250℃，烤 60 分鐘)。 2. 待烘乾後的砂子冷卻至室溫，將適量的撥水劑倒在砂子上，直至砂子被完全 覆蓋，均勻攪拌，置於烤箱再次烘乾(烤箱上下火全開，定溫 250℃，烤 60 分 鐘)。 3. 待有撥水劑附著的砂子冷卻至室溫後，將砂子倒入水中，測試是否有出現「魔 砂」疏水之效果。 冷卻至室溫 均勻攪拌 冷卻至室溫 圖 2.6 魔砂製作流程圖(撥水劑) 洗砂 烘砂 (烤箱上下火全開，溫度 250℃，烤 60 分鐘) 將撥水劑適量倒在乾砂上 烘砂 (烤箱上下火全開，溫度 250℃，烤 60 分鐘) 測試

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(二) 思高潔

實驗步驟流程圖如圖 2.7 所示。 1. 先將砂子用水洗淨並用烤箱烘乾(烤箱上下火全開，定溫 250℃，烤 60 分鐘)。 2. 待烘乾後的砂子冷卻至室溫，將思高潔噴灑在砂子上。不斷重複翻攪砂子、 噴灑思高潔，直至思高潔均勻附著在每粒砂子上。 3. 將已被思高潔附著浸濕的砂子置於烤箱再次烘乾(烤箱上下火全開，定溫 250 ℃，烤 60 分鐘)。 4. 待有思高潔附著的砂子冷卻至室溫後，將砂子倒入水中，測試是否有出現「魔 砂」疏水之效果。 冷卻至室溫 不斷重複翻攪噴灑，使思高潔可以均勻附著在每粒砂子上 冷卻至室溫 圖 2.7 魔砂製作流程圖(思高潔) 洗砂 烘砂 (烤箱上下火全開，溫度 250℃，烤 60 分鐘) 將思高潔均勻噴在乾砂上 烘砂 (烤箱上下火全開，溫度 250℃，烤 60 分鐘) 測試