膠水的黏性是我們?cè)谏钪薪?jīng)常見到甚至用到的。事實(shí)上，大部分物質(zhì)黏性的體現(xiàn)都有著相似的原理。
本文從水的黏性出發(fā)，探究水的黏性因何而起，總結(jié)水的黏性的成因，進(jìn)而推廣至粘合劑。
黏性的成因有三種：粘合劑與基底表面的作用力強(qiáng)于基底之間的作用力，粘合劑與被粘黏物質(zhì)反應(yīng)改變接觸面處基底的性質(zhì)增強(qiáng)了基底之間的作用力，滲透并固化。本質(zhì)是增大物體之間的作用力。
再參考有關(guān)膠水的研究，以熱塑性聚氨酯熱熔膠為例，探究物質(zhì)增強(qiáng)黏性的機(jī)理與抑制削弱黏性的過程的機(jī)理。
關(guān)鍵詞：摩擦力，內(nèi)聚力，分子間作用力，固化。
1.引言
膠，是我們?cè)谏钪薪?jīng)常遇到的一類物質(zhì)。常見的膠有環(huán)氧樹脂膠、白膠、糨糊，甚至可以推廣到水。其實(shí)，只要可以用來黏合的物質(zhì)都可以被稱為“膠”。
水作為膠的一個(gè)例子就是測量氣體常數(shù)實(shí)驗(yàn)中的“液封”
不同于用液體淹沒導(dǎo)管口使氣體無法通過的液封，此時(shí)液體本身不是塞子，而是膠水。磨砂玻璃之間的摩擦并不足以抵抗瓶中產(chǎn)生的氫氣的氣壓，但沾濕了之后再合上就很難打開。
水，為什么會(huì)產(chǎn)生黏性？黏性本身究竟是怎么產(chǎn)生的？
2.水的黏合原理
黏性，本質(zhì)上就是物質(zhì)之間的相互作用。水的黏性有三種原理：在表面與基底之間比基底之間更強(qiáng)的作用力，與被粘黏物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)改變基底性質(zhì)，滲透并固化。
2.1表面強(qiáng)作用力
此處“強(qiáng)”是相對(duì)于兩種基底之間的分子間作用力。
水浸潤物體時(shí)，表面張力會(huì)拉近水與物體表面的距離，這會(huì)體現(xiàn)出黏性，因?yàn)楸砻鎻埩ζ鋵?shí)不弱。如果物體有彈性，那么會(huì)產(chǎn)生彈性毛細(xì)現(xiàn)象，導(dǎo)致物體變形。濕頭發(fā)粘在一起正是彈性毛細(xì)現(xiàn)象的體現(xiàn)。[1]
如果水浸潤物體，就可以體現(xiàn)黏性。如果是水不浸潤的物體，比如荷葉，水都無法附著，又怎么體現(xiàn)黏性？
水會(huì)填充可以浸潤的物體表面的空隙。在浸潤物體時(shí)，水與物體之間以及浸潤處水分子之間的間隙比原先水分子之間以及物體之間的空氣與物體之間的間隙要小，從而增大接觸面分子間作用力。[2]一個(gè)生動(dòng)的例子，干燥的沙子堆不了沙堡，潮濕的沙子可以。
這種情況下，水的黏性主要來自接觸面的分子間作用力，而液態(tài)水比固態(tài)水(包括結(jié)合水)分子間作用力小[3]，所以水多到形成較厚的水膜甚至水層時(shí)，被粘物體之間被黏性小的液態(tài)水隔開，水主要體現(xiàn)的就是潤滑作用，但是水膜、水層固化則會(huì)增強(qiáng)黏合性(這是冬天不能舔戶外的鐵欄桿的原因)。[4]
此外，溶于水的物質(zhì)，接觸面存在少量水，那么部分固體就會(huì)溶于水，形成溶液。溶液也可以填充物體表面的空隙。在水蒸發(fā)以后，析出晶體的過程發(fā)生在基底表面。此時(shí)，可能是分子間作用力，也可能是化學(xué)鍵，比如兩塊食鹽晶體經(jīng)過在接觸面溶解再析出晶體的過程形成一塊晶體后，是通過離子鍵的作用連接。
2.2改變被粘黏物質(zhì)性質(zhì)
與水發(fā)生反應(yīng)以后，物體可能會(huì)黏在一起。比如，大米中的支鏈淀粉、面粉中的蛋白質(zhì)存在大量分子內(nèi)氫鍵，分子間作用力較小，黏性弱；吸收水分后分子內(nèi)氫鍵斷開并與水形成分子間氫鍵，分子舒展；水分蒸發(fā)后，舒展開的、存在大量分支的分子更易于形成分子間氫鍵，從而和別的物質(zhì)黏在一起 [5]
2.3滲透并固化
水滲入物體間結(jié)冰，將兩個(gè)物體凍在一起。這時(shí)候，冰中水分子的網(wǎng)格與基底之間互相穿插，從而連接。
如果是溶液滲入物體并在內(nèi)部結(jié)晶，則是通過滲透并固化實(shí)現(xiàn)黏合。
2.4 總結(jié)
這些原理本質(zhì)都是增強(qiáng)被黏合的物體之間的作用力。不一定是分子間作用力，也可能是化學(xué)鍵。
這些原理并不是互相排斥的，所以可以共同起作用。此外，為了讓水起到黏合的作用，首先要附著在物體上，因此需要浸潤物體。
3. 膠增強(qiáng)黏合能力的機(jī)理
膠體現(xiàn)黏性的作用方式與水起黏合作用的作用方式別無二致。[2]
然而，一般情況下，黏合所需的黏性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水能提供的黏性，因此需要增強(qiáng)黏合能力。這里以熱塑性聚氨酯熱熔膠為例。
3.1 增強(qiáng)附著能力
牢牢附著在被粘物體表面，是發(fā)揮粘黏作用的必要條件。比如，熱塑性聚氨酯熱熔膠通過氨基甲酸酯、異氰酸酯衍生物(比如脲基)與被粘物體表面的羥基、氧化物(部分塑料要預(yù)先通過放電處理氧化增加極性)等形成氫鍵作用；還可以滲入纖維之間、橡膠內(nèi)部，通過異氰酸酯發(fā)生反應(yīng)成鍵并在水或堿或高溫作用下形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)，同時(shí)與纖維、橡膠的極性鍵之間形成強(qiáng)的分子間作用力增強(qiáng)了附著能力；當(dāng)基底表面有水而粘合劑中有異氰酸酯時(shí)，異氰酸酯與表面吸附的水反應(yīng)形成脲類化合物。由于脲類化合物與金屬氧化物的極性都大，脲類化合物可以與金屬氧化物之間形成穩(wěn)定的絡(luò)合物。[7]
從斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長度、粘度、粘連強(qiáng)度的數(shù)據(jù)看，熱塑性聚氨酯熱熔膠的附著能力很好。[8]
前文2.1指出，黏性與粘合劑滲透、浸潤基底的能力正相關(guān)。一定時(shí)間內(nèi)(對(duì)于大部分膠，指的是干結(jié)之前)滲透、浸潤程度與流動(dòng)性正相關(guān)，因此如果聚合度過大導(dǎo)致分子之間互相牽制以至于難以流動(dòng)會(huì)顯著減弱附著能力。
3.2 增強(qiáng)材料強(qiáng)度
膠或被粘物體可能會(huì)被撕裂而失去粘黏效果。因此，需要增強(qiáng)膠與被粘物體的材料強(qiáng)度。從微觀來看，增強(qiáng)材料強(qiáng)度就要增強(qiáng)材料各部分之間的吸引力。以熱塑性聚氨酯熱熔膠為例，其至少應(yīng)用了兩種策略：通過分子間聚合使部分分子間作用力變成化學(xué)鍵，通過氫鍵加強(qiáng)了分子間作用力。[6][9]
從數(shù)據(jù)看，熱塑性聚氨酯熱熔膠的材料強(qiáng)度很大，并且與其內(nèi)聚強(qiáng)度正相關(guān)，而熱塑性聚氨酯熱熔膠的內(nèi)聚強(qiáng)度主要由聚合物形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)提供[10]，因此如果聚合度過小導(dǎo)致分子之間互相牽制不夠會(huì)顯著減弱材料強(qiáng)度。[8]
3.3 增強(qiáng)耐久
膠的黏性隨時(shí)間而變化或者受到環(huán)境影響，會(huì)產(chǎn)生一些問題，俗稱“膠老化了”。膠的穩(wěn)定性包括其熱穩(wěn)定性、剪切穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、生物穩(wěn)定性。
熱塑性聚氨酯熱熔膠作為合成高分子聚合物，不天然存在抑或是天然存在很少，生物缺乏分解其的酶，所以目前生物穩(wěn)定性好。
熱塑性聚氨酯熱熔膠的熱穩(wěn)定性在日常大多數(shù)條件下都是可以接受的。不論是在水的沸點(diǎn)上下的明顯軟化溫度[11]還是更高的明顯分解溫度(約279℃)[9]都已經(jīng)足夠支持日常生活中大多數(shù)情境的應(yīng)用。
熱塑性聚氨酯熱熔膠形成的膠粘層耐油、化學(xué)藥品、沖擊、曲撓、疲勞、低溫、水的性能良好，且能吸收振動(dòng)。[12]因?yàn)閷?shí)驗(yàn)條件限制，不能確定長時(shí)間處于不良環(huán)境會(huì)產(chǎn)生什么影響。[13]
3.4 不足以及應(yīng)對(duì)
熱塑性聚氨酯熱熔膠肯定是有缺點(diǎn)的。
由于異氰酸酯與水[14]或羧酸[15]反應(yīng)會(huì)釋放二氧化碳，產(chǎn)生的氣體導(dǎo)致分子網(wǎng)格中充滿孔洞而粘連強(qiáng)度下降[14]，所以一般會(huì)加入干燥劑[14]且原料聚酯多元醇制備時(shí)醇要過量以降低聚酯多元醇酸度 [16]。
原料聚醚多元醇中鉀離子、鈉離子、水的含量要少，否則會(huì)形成凝膠而報(bào)廢。[16]
耐水性能也是個(gè)困難之處。水解會(huì)瓦解分子，聚氨酯熱熔膠中的基團(tuán)水解速率是酯基快于脲基快于氨基甲酸酯快于醚鍵。[17]可以通過添加碳化二亞胺增加水解穩(wěn)定性。[18]即使不水解，水會(huì)在分子網(wǎng)格中形成氫鍵，使網(wǎng)格變形而被破壞。水的極性大，所以極性大的酯基比極性小的醚鍵更容易吸水。但是，可以通過增加硬段、內(nèi)部氫鍵的數(shù)量使網(wǎng)格更加緊湊，從而減少、減緩水的滲透。[17]
3.5 總結(jié)
增強(qiáng)黏性，總的來說，就是增加粘合劑與基底之間或者基底與基底之間的作用力，并且抑制連接結(jié)構(gòu)被破壞。
此外，聚氨酯與聚酰胺不能混為一談，盡管尼龍66也很難降解(尼龍66不耐水的主要原因不是水解，而是因?yàn)榉肿游?，?dǎo)致分子網(wǎng)格變形，性能變差)。[19]
4. 結(jié)論
物質(zhì)的黏性有三種來源：粘合劑與基底表面的作用力強(qiáng)于基底之間的作用力；粘合劑與基底反應(yīng)改變接觸面附近基底的性質(zhì)，從而增強(qiáng)了基底之間的作用力；滲透進(jìn)入基底，固化形成連通基底之間的網(wǎng)格。究其本質(zhì)，都是增大物體之間的作用力。
隨著發(fā)展，對(duì)黏性的要求也在不斷改變。除了尋找新的粘合劑，還可以改良已經(jīng)有的粘合劑。改善的方式，無非增強(qiáng)有利的，抑制有害的。
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更新時(shí)間：2024-03-29 
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