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為什么粘合劑偏愛高分子?
互聯(lián)網(wǎng)綜合 0 2022-09-06 09:37:34
膠水在化學(xué)中的學(xué)名是粘合劑(黏合劑),粘合劑是具有粘性的物質(zhì),借助其粘性能將兩種分離的材料連接在一起。粘合劑的種類很多,這個范疇遠(yuǎn)比膠水的范疇大得多。
大的方向,粘合劑分為兩種,一種是需要固化的,另一種則不需要固化,也就是所謂的不干膠、壓敏膠。這里固化是指粘合中的一個過程,很多固化過程并非從液體到固體的轉(zhuǎn)變,需要注意。
那么,粘合劑是怎么將物體與物體粘接起來的呢?
1、首先需要平滑表面,很早以前就有人發(fā)現(xiàn)平滑表面的兩個物體會有粘合的現(xiàn)象,例如兩塊超平玻璃板,這就是分子間作用力在起作用,平滑表面可以使兩個物體的接觸面積增大。我們?nèi)庋劭吹降钠交谖⒂^條件下仍然是凹凸不平的,所以實(shí)際兩個物體接觸時的接觸面很小,但如果表面有一層水,比如桌上有一層很薄的水,然后你會發(fā)現(xiàn),茶杯好像可以被吸住,這就是因?yàn)樗梢苑植嫉侥切┤庋劭床坏降陌疾壑?,茶杯與桌子的接觸面積大了,同時就是大氣壓在起作用。如何排除大氣壓的影響呢,取兩片有一定彈性的硬質(zhì)PET塑料片,粘上水之后,自上而下水平分離,內(nèi)外層大氣壓相同,這時可以看到兩片塑料呈Y型分離而不是V型分離,這個使塑料片形變的應(yīng)力就來自于分子間作用力,而此時的水就是粘合劑。因此,這一條是說,粘合劑的粘合力來自于分子間作用力。 2、水作為粘合劑顯然不夠火候,直接的問題是水會揮發(fā),干燥之后就沒了,而且水分子內(nèi)的作用力太弱,很容易撕開,所以,如果把水凍成冰是不是就會好些?沒錯,將兩個物體間的水凍成冰之后,人們發(fā)現(xiàn)兩個物體可以很牢固地粘在一起,比如家里冰箱冷凍室里常常出現(xiàn)的景象,還有當(dāng)人們用舌頭去舔零下三十度的鐵管時,舌頭上的口水瞬間凝固,舌頭就粘到鐵管上了。這時,固化之后的水便是很不錯的粘合劑,從分類的角度來說,這還是一種熱熔膠,也就是高溫熔化低溫固化的膠,只是使用溫度需在0度以下。除了水之外,錫焊、鐵焊都是這是這個原理,當(dāng)然一般意義上的熱熔膠比這些要高大上多了。這一條說的是,粘合劑為什么要固化。 3、水的分子間作用力還不到位,盡管有氫鍵還比較強(qiáng)勁,但分子作用力畢竟是與分子量呈正相關(guān)的,所以如果用高分子來做粘合劑顯然更合適,而且最好是帶有分子間氫鍵的高分子,加強(qiáng)作用力。古人搞不到那么多高分子,能夠獲取的主要就是淀粉和蛋白質(zhì),于是可以看到傳統(tǒng)的粘合劑主要就是面糊、糯米汁、牡蠣汁等。還有一種傳統(tǒng)的高分子是無機(jī)硅酸鹽,粘土加石灰就可以蓋房子了,這一支后來發(fā)展出了水泥。粘合劑成為一門學(xué)科則是在高分子化學(xué)發(fā)展起來之后,包括橡膠類、PVA聚乙烯醇、EVA乙烯-醋酸乙烯酯、PU聚氨酯等等大量材料都可以用作粘合劑,優(yōu)異的粘合劑大多具備氫鍵或極性鍵。這一條說的是粘合劑都是些什么物質(zhì),為什么粘合劑偏愛高分子。 4、然后要說的問題是怎么固化。 a)上面提到把水凍成冰的方式,這樣的固化方式就是熱熔膠的原理,但熱熔膠的種類并不多,因?yàn)槟軌蛟诓惶叩臏囟认鲁尸F(xiàn)流動性的高分子材料很少,主要就是SBS、SIS、SEBS這些嵌段高分子。 b)于是五花八門的固化方式出現(xiàn)了,最多的是溶劑法,把膠用溶劑給化成液態(tài)(其實(shí)準(zhǔn)確地說是具備了流動性),這種方式很普遍,比如面糊和水泥就是用水這么做的,水干了,膠也就固化了,當(dāng)然這時的面糊和水泥不過只是在水中部分溶解,類似于乳液狀態(tài),更多的還是用的甲苯、環(huán)己烷之類的,沒錯,很多家具、服裝里都用的那種。 c)這個方法很快就被人發(fā)現(xiàn)不太好,因?yàn)槿芙獾臐舛纫话愕陀?0%,需要大量溶劑,浪費(fèi)資源污染環(huán)境不說,固化的過程很慢,耗能也多,因此需要想方設(shè)法提高固體含量,于是乳液型膠開始大行其道,乳液中的水不是溶劑而是分散劑,不過很多人分不清乳液和溶液,這里不多說原理了,總之這種膠固化會快很多,目前量產(chǎn)的有效成分最多可以到60%,EVA乳、天膠很多都是這樣的固化方式。 d)就不能不用溶劑或分散劑么?當(dāng)然可以,問題是解決純膠怎么固化,一種方式是選用具有蠕變性能的膠例如天膠,沒錯,純的天膠就可以做粘合劑,它是固體,但卻具有蠕變性(可以理解為固態(tài)的流動性),這種不用固化的膠往往用于壓敏膠,后面再說;更多的膠用的是加固化劑的方式,就是本身是液態(tài),加入一些反應(yīng)性的物質(zhì),這種固化方式又常被稱為硫化,不少雙組份膠都是這個原理,少數(shù)單組份膠也是這個原理,多數(shù)利用的是與水或二氧化碳發(fā)生反應(yīng)。 e)比較另類的502在這里出現(xiàn)了,它的固化方式是聚合,擠出來的時候它是單體,可是它遇到空氣可以快速聚合, f)更時尚的固化方式是UV光固化和粒子固化,就是用電磁波或者粒子促進(jìn)其發(fā)生反應(yīng)??傊?,固化方式有很多種,將來或許還有更多。 5、是不是所有的膠都是利用的分子間作用力?目前看不全是,一種方案是定制出鎖扣模式,粘合的兩個表面生長出的分子鏈像鏈條一樣扣起來,這是利用的物理作用,但是拉斷卻需要破壞化學(xué)鍵,其強(qiáng)度比一般膠強(qiáng)一個數(shù)量級;還有一種方式是兩個表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成化學(xué)鍵,破壞時也是需要破壞化學(xué)鍵,所以,要想強(qiáng)度大,還得是依靠更強(qiáng)的化學(xué)鍵。 6、最后就是說壓敏膠了,過去曾被稱為不干膠。壓敏膠是日常生活中極為常見的膠,膠帶、貼紙,一般那種粘上還需要揭開的場合都需要用壓敏膠。壓敏膠的重要原理是不需要固化,而重要的表觀現(xiàn)象是粘住很容易,揭開費(fèi)點(diǎn)力,什么意思呢,就是粘上時可能只需要施加1牛的力,而揭開時可能就需要10牛的力,要破壞膠層之間的作用力最好達(dá)到20牛,否則揭開時膠流的到處都是(不少劣質(zhì)膠帶就這樣),而破壞物體的力可能需要100牛,這些在化學(xué)上有著確切的術(shù)語,這里不多說了。
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