毛巾自然晾乾後為啥變硬?因為纖維表面有「結合水」

可能大家都發現了，毛巾用得久了就會發硬。有人說，這是因為水中游離的鈣、鎂離子與肥皂結合，生成鈣鎂皂附著在毛巾的表面所致；也有人說，人們體液中不易溶於水的油脂、蛋白質、皮屑、無機鹽、灰垢等雜質僅用清水很難清洗乾淨，雜質經過日積月累，毛巾的使用感就會變差。

於是，一大波生活小妙招湧現出來——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乾後也會變硬。

實際上，日本花王株式會社（Kao Corporation）和北海道大學（Hokkaido University）的研究人員也曾經就這個現象專門做過研究。他們認為，一種與普通的水不有著不同的氫鍵結合狀態的「結合水」（Bound Water）影響了毛巾原有的柔韌性和蓬鬆感。

2020 年初，該研究團隊在《物理化學雜誌》在線發表了這一研究成果，論文題為 Direct Observation of Bound Water on Cotton Surfaces by Atomic Force Microscopy and Atomic Force Microscopy–Infrared Spectroscopy（基於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合水）。

纖維表面的結合水影響毛巾的硬度

科學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裡。

研究人員為這種毛巾變硬的現象提出了一個理論模型。

根據模型，棉質材料的軟硬是由一根根纖維交錯形成的網絡決定的，而影響纖維網絡的，正是結合水在纖維素表面的毛細管粘附現象。

具體來講，在毛巾自然晾乾時，結合水的表面張力（0.078 N/m）會引起纖維之間的毛細作用力，因此，晾乾過程中水分持續減少，纖維之間的距離也越來越近。

但水分的持續減少並不代表完全蒸發了。相反，部分水不僅殘留在內部，也殘留在纖維的表面，只是這裡所說的水（結合水）已經不是我們通常意義上的水（普通水）了。棉纖維表面的結合水影響著毛巾的硬度。

下圖 a、b 分別是通過自然晾乾和經洗滌、甩乾等一系列操作（想像一下洗衣機是怎麼工作的）晾乾的毛巾的狀態，根據圖片可以想像到，a 比較硬，像是被粘住了；而 b 更為柔軟鬆散。

值得一提的是，日本本土目前對面料評估的體系為 KES-FB，因此在這一研究中，研究人員也是基於這一體系。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，由於結合水的存在，棉纖維由於彎曲而脫離連接。

為了驗證這一發現，研究人員通過加熱的方式，試圖從自然晾乾的毛巾中人為地去除結合水，結果毛巾果然又呈現出了其原有的柔韌性和蓬鬆感。

結合水的發現，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構的分析儀器。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，旨在研究物質的表面結構及性質。利用這種儀器，研究人員能夠以納米級解析度，獲得固體材料表面形貌結構和粗糙度等等信息。

擁有獨特氫鍵的結合水

那麼，結合水是什麼水？和普通的水有什麼區別呢？

為了解結合水的結構、性質，研究人員使用了一種基於原子力顯微鏡的紅外光譜（AFM-IR）特殊分析技術，這種技術簡單來講就是，用可調紅外雷射照射樣品表面，並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 處五顏六色的標記表示 AFM–IR 的測量點。下圖 b 為溼度 50% 時自然晾乾（藍線）和完全晾乾（綠線）的毛巾的 AFM-IR 數據（實際上藍線有兩個明顯峰值，綠線則沒有，再一次證明了結合水的存在）。

值得一提的是，研究人員發現，結合水和普通水的區別在於氫鍵（Hydrogen Bond）狀態。

如果還沒有把知識還給老師的話，你或許還記得化學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）。

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

不過，對於上述結合水的性質，研究團隊目前還沒有強有力的證據來證明。