胶水为什么能粘?
用一个脑筋急转弯式的回答方法,答案是十分简单的:因为不能粘的不会被叫做胶水。但如果尝试正面回答这个问题,对于大部分朋友而言可能会有一些困难。作为粘接两个物体的中间体,胶水是我们生活中熟悉而又陌生的一种化工产品,熟悉在于你知道它遍布你的生活,陌生在于你大概率并不了解你使用的胶水由何物质组成以及如何完成它的职能。接下来让我们尝试了解这个你生活中熟悉的陌生人——胶水。
一、胶粘的基本原理
我们来简单的回想一下,你是如何把两张纸用胶水粘在一起的。你取来了两张平整的纸,拂去表面的浮尘,向其中一张纸上涂布了一些胶水,这些胶水一点点浸润了涂布的区域,接下来将另一张纸压在上面,你会发现纸变得有些潮湿,等待胶水干透,粘接的工作结束了。 你得到了粘在一起的两张纸,它们粘接部分的结构是这样的:
它们三部分组合在一起,像一块完整的固体。当你尝试拉开这个组合,对两张纸施加反向的力的时候,显然,有力在阻碍你,把两张纸往回拉,我们可以将这个力称之为——胶粘力。经过中学化学学习的朋友也许已经想到了一些东西,不过我们照顾一下忘记了的同学,先假装没想到。
在回答胶粘力究竟是什么之前,我们需要一些基础知识。作为现代人的我们知道物质由分子、原子或离子组成,我们日常接触的固体物质为什么没有散开,而凝聚在一起呢?容易想到,一定是因为有微观层面的相互作用。经过中学化学学习的朋友可以想到,原子或离子之间的力,有化学键和金属键,分子之间的力,有范德华力和氢键。
考虑到我们一般不希望胶水破坏被粘接的材料,尝试利用分子之间的力成为大量而普遍的选择,这便是胶粘力的一种主要的来源——分子间相互作用。所以一种胶水粘物品的基本原理便可以简单通俗地总结为:被粘物体通过与“胶水分子”紧密接触,形成分子之间的相互作用(范德华力和氢键),后胶水固化形成固体,从而将被粘物体粘接了起来。这便是吸附理论的简单通俗的表述,它适用于大部分胶水粘接的主要机理解释。当然除了吸附理论,还有机械理论、扩散理论、静电理论和弱边界层理论,有兴趣的读者可以自行搜索学习。
需要特别注意的是这个“紧密接触”,这指的是能够让界面形成分子间作用力的距离。由于分子间作用力生效的距离在1nm以内,仅靠粗糙的固体表面接触实质上并不能实现这个距离,微观上仍然是固-气-固的形态,并不构成固-固“紧密接触”。这对于胶水的浸润性提出了要求,浸润性保证胶水可以较好地将被粘接材料的气-固界面转变成液-固界面,达成紧密接触。
二、“胶水分子”是什么?
让我们进行一些稍微深入的思考,如果让我们选一种分子当“胶水分子”,参照上文的基本原理,大概有这几个方面是我们需要考虑的:
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分子间作用力与分子量正相关,因此我们要选择分子量大的分子来提供较大的分子间作用力,同时保证固化后能形成固体,具备机械强度;
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这个分子应当能配置成一种能润湿被粘物的液体,这样才能和被粘接的材料紧密接触;
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正常的使用方法下,不会对人产生明显的毒害作用;
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有可靠的从自然界获取或化学合成的方法;
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粘好之后的物质应当有稳定的化学性质,不能轻易被反应掉。
理论上符合这些条件的,便可以作为“胶水分子”的选择,用材料学术语表述的话——粘料,它是决定胶粘剂性能的基本成分,又称基料或胶料。
浆糊
在现代化学尚未构建的时期,古人就有粘接书纸,裱补图书的需求。一种重要的材料被创造并使用——浆糊。生活阅历丰富的朋友也许曾经用过,面粉或米浆加水熬煮,便能得到最简单的浆糊,使用它粘接书纸的古人也许并不了解其中最为关键起到粘接效果的物质——淀粉。
作为一种天然高分子,淀粉具有较大的分子量,易于从玉米、小麦、马铃薯、大米和木薯等植物中提取获得,无毒无害,性质稳定。与水加热后,淀粉颗粒破碎糊化,便形成了均匀的凝胶相,可以浸润纸张与纤维素分子紧密接触。综上淀粉符合了所有之前提到的条件,加之羟基的存在使得淀粉分子也能较好的与纤维素分子形成氢键,进一步提升了浆糊粘接纸张的粘接性能。
古人对于基础的淀粉浆糊有诸多改进的尝试,除了原料的精制和熬煮方法的改良,古人还尝试向其中加入药物等辅料以期达到防腐、防虫蛀、防潮和延长储存时间的效果,形成了较为完善的浆糊配方,例如明代高濂所著《遵生八笺·燕闲清赏笺》的法糊方:“白面一斤,浸三五日,候酸臭作过,入白芨面五钱,黄蜡三钱,白芸香三钱,石灰末一钱,官粉一钱,明矾二钱。用花椒一二两煎汤,去椒,先投蜡、矾、芸香、石灰、官粉熬化,入面作糊,粘褙不脱。又法:飞面一斤,入白芨末四两,褚树汁调,亦妙。”
到了现代,我们对于这种以淀粉为主要粘料的浆糊有了一个严谨的名字——淀粉基胶粘剂,化学和材料学的研究者证实了淀粉基胶粘剂粘接的机理除了前文所述的吸附理论,还包括静电理论、扩散理论和机械理论。并且众多研究者使用多种现代的化学方法对于淀粉进行氧化、酯化等改性来改善胶粘剂的性能,淀粉基胶粘剂也被广泛应用于木材加工、医药、纺织、建筑和纸基材料,续写着淀粉浆糊的悠长历史。
PVA胶水
对于年轻的朋友来说,上面这样的胶水更像是生活中经常出现的胶水,这种胶水的组成成分很少被我们关注,细心的朋友可以在这些胶水的产品页面发现它们的主要成分是PVA——聚乙烯醇
由于乙烯醇并不能稳定的单独存在,所以聚乙烯醇的生产实际上是由聚醋酸乙烯酯水解得到的。
看着式子右边的产物,我们不难发现,聚乙烯醇作为聚合物分子量很大,并且丰富的羟基使得其能较好溶于水,配置成能浸润纸的液体,读到这里的朋友应当可以参照前文,自行解释PVA胶水粘接纸张的原理了。
值得一提的是,会有朋友担心孩子用的胶水含有甲醛。这样的担心是有道理的,因为曾经的文具胶水主要成分并非聚乙烯醇,而是聚乙烯醇酸性条件下与甲醛的缩合产物——聚乙烯醇缩甲醛。这样的生产方式得到的胶水游离甲醛含量约为0.2%。
好在由于标准逐渐严格和科学技术进步,更为安全的胶水配方和更为环保的生产方法已经使得原先的生产方式被淘汰出文具胶水的生产,更严格的国标保障着我们手里的每一瓶胶水不会危害我们的身体健康。
三、结语
千年以前的人类从大自然取材制备天然的胶粘剂,现在的人类则发展出了广泛的合成方法制备性能更强、用途更广的合成胶粘剂。合成胶粘剂产业是人类工业进程树上的一个小小的枝杈,然而其广泛的应用几乎覆盖了整棵工业进程树。种类繁多的胶粘剂被开发出来应用于建筑、汽车、电子、航空航天等等方面,默默地为人类改造世界,改善生活提供助力。