从水到胶——黏合的机理

　　胶水的黏性是我们在生活中经常见到甚至用到的。事实上，大部分物质黏性的体现都有着相似的原理。
 

　　本文从水的黏性出发，探究水的黏性因何而起，总结水的黏性的成因，进而推广至粘合剂。
 

　　黏性的成因有三种：粘合剂与基底表面的作用力强于基底之间的作用力，粘合剂与被粘黏物质反应改变接触面处基底的性质增强了基底之间的作用力，渗透并固化。本质是增大物体之间的作用力。
 

　　再参考有关胶水的研究，以热塑性聚氨酯热熔胶为例，探究物质增强黏性的机理与抑制削弱黏性的过程的机理。
 

　　关键词：摩擦力，内聚力，分子间作用力，固化。
 

　　1.引言
 

　　胶，是我们在生活中经常遇到的一类物质。常见的胶有环氧树脂胶、白胶、糨糊，甚至可以推广到水。其实，只要可以用来黏合的物质都可以被称为“胶”。
 

　　水作为胶的一个例子就是测量气体常数实验中的“液封”
 

　　不同于用液体淹没导管口使气体无法通过的液封，此时液体本身不是塞子，而是胶水。磨砂玻璃之间的摩擦并不足以抵抗瓶中产生的氢气的气压，但沾湿了之后再合上就很难打开。
 

　　水，为什么会产生黏性？黏性本身究竟是怎么产生的？
 

　　2.水的黏合原理
 

　　黏性，本质上就是物质之间的相互作用。水的黏性有三种原理：在表面与基底之间比基底之间更强的作用力，与被粘黏物质发生反应改变基底性质，渗透并固化。
 

　　2.1表面强作用力
 

　　此处“强”是相对于两种基底之间的分子间作用力。
 

　　水浸润物体时，表面张力会拉近水与物体表面的距离，这会体现出黏性，因为表面张力其实不弱。如果物体有弹性，那么会产生弹性毛细现象，导致物体变形。湿头发粘在一起正是弹性毛细现象的体现。[1]
 

　　如果水浸润物体，就可以体现黏性。如果是水不浸润的物体，比如荷叶，水都无法附着，又怎么体现黏性？
 

　　水会填充可以浸润的物体表面的空隙。在浸润物体时，水与物体之间以及浸润处水分子之间的间隙比原先水分子之间以及物体之间的空气与物体之间的间隙要小，从而增大接触面分子间作用力。[2]一个生动的例子，干燥的沙子堆不了沙堡，潮湿的沙子可以。
 

　　这种情况下，水的黏性主要来自接触面的分子间作用力，而液态水比固态水(包括结合水)分子间作用力小[3]，所以水多到形成较厚的水膜甚至水层时，被粘物体之间被黏性小的液态水隔开，水主要体现的就是润滑作用，但是水膜、水层固化则会增强黏合性(这是冬天不能舔户外的铁栏杆的原因)。[4]
 

　　此外，溶于水的物质，接触面存在少量水，那么部分固体就会溶于水，形成溶液。溶液也可以填充物体表面的空隙。在水蒸发以后，析出晶体的过程发生在基底表面。此时，可能是分子间作用力，也可能是化学键，比如两块食盐晶体经过在接触面溶解再析出晶体的过程形成一块晶体后，是通过离子键的作用连接。
 

　　2.2改变被粘黏物质性质
 

　　与水发生反应以后，物体可能会黏在一起。比如，大米中的支链淀粉、面粉中的蛋白质存在大量分子内氢键，分子间作用力较小，黏性弱；吸收水分后分子内氢键断开并与水形成分子间氢键，分子舒展；水分蒸发后，舒展开的、存在大量分支的分子更易于形成分子间氢键，从而和别的物质黏在一起 [5]
 

　　2.3渗透并固化
 

　　水渗入物体间结冰，将两个物体冻在一起。这时候，冰中水分子的网格与基底之间互相穿插，从而连接。
 

　　如果是溶液渗入物体并在内部结晶，则是通过渗透并固化实现黏合。
 

　　2.4 总结
 

　　这些原理本质都是增强被黏合的物体之间的作用力。不一定是分子间作用力，也可能是化学键。
 

　　这些原理并不是互相排斥的，所以可以共同起作用。此外，为了让水起到黏合的作用，首先要附着在物体上，因此需要浸润物体。
 

　　3. 胶增强黏合能力的机理
 

　　胶体现黏性的作用方式与水起黏合作用的作用方式别无二致。[2]
 

　　然而，一般情况下，黏合所需的黏性远远大于水能提供的黏性，因此需要增强黏合能力。这里以热塑性聚氨酯热熔胶为例。
 

　　3.1 增强附着能力
 

　　牢牢附着在被粘物体表面，是发挥粘黏作用的必要条件。比如，热塑性聚氨酯热熔胶通过氨基甲酸酯、异氰酸酯衍生物(比如脲基)与被粘物体表面的羟基、氧化物(部分塑料要预先通过放电处理氧化增加极性)等形成氢键作用；还可以渗入纤维之间、橡胶内部，通过异氰酸酯发生反应成键并在水或碱或高温作用下形成交联结构，同时与纤维、橡胶的极性键之间形成强的分子间作用力增强了附着能力；当基底表面有水而粘合剂中有异氰酸酯时，异氰酸酯与表面吸附的水反应形成脲类化合物。由于脲类化合物与金属氧化物的极性都大，脲类化合物可以与金属氧化物之间形成稳定的络合物。[7]
 

　　从断裂强度、断裂伸长度、粘度、粘连强度的数据看，热塑性聚氨酯热熔胶的附着能力很好。[8]
 

　　前文2.1指出，黏性与粘合剂渗透、浸润基底的能力正相关。一定时间内(对于大部分胶，指的是干结之前)渗透、浸润程度与流动性正相关，因此如果聚合度过大导致分子之间互相牵制以至于难以流动会显著减弱附着能力。
 

　　3.2 增强材料强度
 

　　胶或被粘物体可能会被撕裂而失去粘黏效果。因此，需要增强胶与被粘物体的材料强度。从微观来看，增强材料强度就要增强材料各部分之间的吸引力。以热塑性聚氨酯热熔胶为例，其至少应用了两种策略：通过分子间聚合使部分分子间作用力变成化学键，通过氢键加强了分子间作用力。[6][9]
 

　　从数据看，热塑性聚氨酯热熔胶的材料强度很大，并且与其内聚强度正相关，而热塑性聚氨酯热熔胶的内聚强度主要由聚合物形成网状结构提供[10]，因此如果聚合度过小导致分子之间互相牵制不够会显著减弱材料强度。[8]
 

　　3.3 增强耐久
 

　　胶的黏性随时间而变化或者受到环境影响，会产生一些问题，俗称“胶老化了”。胶的稳定性包括其热稳定性、剪切稳定性、化学稳定性、生物稳定性。
 

　　热塑性聚氨酯热熔胶作为合成高分子聚合物，不天然存在抑或是天然存在很少，生物缺乏分解其的酶，所以目前生物稳定性好。
 

　　热塑性聚氨酯热熔胶的热稳定性在日常大多数条件下都是可以接受的。不论是在水的沸点上下的明显软化温度[11]还是更高的明显分解温度(约279℃)[9]都已经足够支持日常生活中大多数情境的应用。
 

　　热塑性聚氨酯热熔胶形成的胶粘层耐油、化学药品、冲击、曲挠、疲劳、低温、水的性能良好，且能吸收振动。[12]因为实验条件限制，不能确定长时间处于不良环境会产生什么影响。[13]
 

　　3.4 不足以及应对
 

　　热塑性聚氨酯热熔胶肯定是有缺点的。
 

　　由于异氰酸酯与水[14]或羧酸[15]反应会释放二氧化碳，产生的气体导致分子网格中充满孔洞而粘连强度下降[14]，所以一般会加入干燥剂[14]且原料聚酯多元醇制备时醇要过量以降低聚酯多元醇酸度 [16]。
 

　　原料聚醚多元醇中钾离子、钠离子、水的含量要少，否则会形成凝胶而报废。[16]
 

　　耐水性能也是个困难之处。水解会瓦解分子，聚氨酯热熔胶中的基团水解速率是酯基快于脲基快于氨基甲酸酯快于醚键。[17]可以通过添加碳化二亚胺增加水解稳定性。[18]即使不水解，水会在分子网格中形成氢键，使网格变形而被破坏。水的极性大，所以极性大的酯基比极性小的醚键更容易吸水。但是，可以通过增加硬段、内部氢键的数量使网格更加紧凑，从而减少、减缓水的渗透。[17]
 

　　3.5 总结
 

　　增强黏性，总的来说，就是增加粘合剂与基底之间或者基底与基底之间的作用力，并且抑制连接结构被破坏。
 

　　此外，聚氨酯与聚酰胺不能混为一谈，尽管尼龙66也很难降解(尼龙66不耐水的主要原因不是水解，而是因为分子吸水，导致分子网格变形，性能变差)。[19]
 

　　4. 结论
 

　　物质的黏性有三种来源：粘合剂与基底表面的作用力强于基底之间的作用力；粘合剂与基底反应改变接触面附近基底的性质，从而增强了基底之间的作用力；渗透进入基底，固化形成连通基底之间的网格。究其本质，都是增大物体之间的作用力。
 

　　随着发展，对黏性的要求也在不断改变。除了寻找新的粘合剂，还可以改良已经有的粘合剂。改善的方式，无非增强有利的，抑制有害的。