邮票的背胶为什么要先用水润湿才会有粘性?

摘要

粘合剂要想发挥作用,通常必须经历一个叫做固化的过程,也就是说一开始以液体的形式存在,但与要粘合的两个物体接触后又能变成坚硬的固体。
那么如何实现固化的过程?一个最简单的办法自然是通过溶液挥发来实现。

《为什么胶带能粘住纸片却粘不住空气?》《为什么胶有的时候粘不牢?》这两篇文章中我们提到,一种粘合剂要想牢固粘住物体,首先它必须能够很好覆盖在要粘合的物体表面,即能够浸润物体表面,其次这种材料还要有足够的机械强度,阻止外力将它粘合的两个物体分开。

但是这样就带来了一个矛盾:要想具备足够的机械强度,我们就必须选择固体,特别是高分子材料,作为粘合剂的主要成分,然而这些材料不能流动,无法很好地与要粘合的物体表面充分接触;而另一方面,液体能够流动,可以很好地覆盖在物体表面,但它们通常强度很低。因此,粘合剂要想发挥作用,通常必须经历一个叫做固化的过程,也就是说一开始以液体的形式存在,但与要粘合的两个物体接触后又能变成坚硬的固体。

那么如何实现固化的过程?一个最简单的办法自然是通过溶液挥发来实现。例如糖本身是固体,如果几粒糖掉在餐桌上,我们只要用手轻轻一抹就可以把它们从桌面上清理掉。但如果糖水洒到桌子上,经过一段时间后水挥发掉了,残留下的覆盖在桌子上的一层糖就只能用湿抹布才能擦掉。这是因为溶液可以流动,使得糖的分子与桌面有了更好的接触。随着水的逐渐挥发,糖的分子就牢固地留在了桌面上。

各种高分子材料的分子虽然要比糖大得多,但很多情况下我们仍然不难找到合适的溶剂去溶解它们。如果我们把溶液涂抹到要粘合的物体的表面,那么溶在其中的高分子材料就会在溶剂帮助下与物体表面发生亲密的接触。当溶剂挥发后,两个物体之间就被一层坚固的高分子材料牢牢连接起来,粘合的任务也就宣告完成。另外,有的时候被粘合的物体本身有很多微小的孔洞,那么溶剂不仅会挥发,还可以渗透进这些孔洞,把溶在其中的高分子化合物留在表面。因此,只要找到合适的溶剂将高分子材料配成溶液,一种粘合剂就做好了。

除了将高分子材料的溶液直接用于粘合两个物体,我们还可以先将溶液涂到其中一个物体的表面,然后让溶剂挥发,这个物体的表面就留下了一层高分子材料的薄膜。由于失去了溶剂,这层薄膜不会有任何的粘性,但只要我们用少量的溶剂将它润湿,溶液重新形成,薄膜就会再次“焕发活力”,可以用来粘住另一个物体。这样的胶有时被称为“再湿胶”,在实际生活中的应用也非常广泛,邮票的背胶就是一个很好的例子。

(图片来源:http://www.123rf.com/photo_8923158_a-large-world-foreign-postage-stamp-collection-background.html)

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在大多数人的生活体验中,塑料、橡胶、合成纤维等合成高分子材料是不会溶解在水中的。的确,谁也没见过一件化纤衣服在水中洗着洗着就不见了,或者一只塑料杯装满水之后不一会儿就被泡出一个大洞。但实际上能够溶于水的高分子材料并不罕见,例如一种名为聚乙烯醇的合成高分子化合物就是典型的例子。除此之外,糊精、阿拉伯胶等天然高分子化合物或者由天然高分子化合物转化而来的材料也可以溶在水中。

如果我们把这些材料制成的水溶液涂在邮票背面,再让水分挥发,邮票的背胶就加工好了。当我们需要把邮票贴到信封上时,只要用水打湿背胶,甚至只需要用舌头舔一舔让唾液润湿背胶,背胶就恢复了粘性,可以让邮票牢固地贴在信封上。当然,由于背胶的材料能够溶于水,如果我们将贴有邮票的信封长时间泡在水中,就可以将邮票从信封上揭下来。相信许多集邮爱好者都有过这样的经历吧。不过最近几年来由于技术的进步,许多邮票的背胶已经不再采用这一类溶液形式的胶,而是改用不干胶。我们在使用的时候只需将邮票从贴纸上揭下再贴到信封上就好了,不需要事先用水润湿邮票的背面。关于不干胶的原理,在后面的文章中我们还会详细了解。

用舌头舔舐邮票背面时,唾液润湿邮票的背胶,背胶重新恢复粘性 (图片来源:https://www.pinterest.com/pin/565905509400813719/)

用舌头舔舐邮票背面时,唾液润湿邮票的背胶,背胶重新恢复粘性 (图片来源:https://www.pinterest.com/pin/565905509400813719/)

通过溶剂挥发来完成粘合剂的固化这种方法在生产和使用上都简便易行,并且常用的溶剂大都成本低廉,因此溶剂形式的粘合剂曾经在市场上占有很高的份额。然而近些年来这一类粘合剂正在越来越多地遭到淘汰,一个重要原因是用作溶剂的通常是各种有机物,因为容易挥发,所以又被称为挥发性有机物(VOC).目前已经有许多挥发性有机物被证实会对人体健康造成一定程度的损害,例如苯是世界卫生组织确定的1类致癌物,也就是对人体有明确致癌作用的物质,能够增加患白血病的风险[1]。其它许多挥发性有机物也能够不同程度地对身体造成负面影响。

当粘合剂固化后,这些挥发性有机物并不会凭空消失,而是进入了空气,如果被人吸入体内,就有可能对健康造成危害。特别是在工厂车间等工作场所,使用者长期、大量地接触粘合剂中的挥发性有机物,如果室内通风不够,就更容易造成使用者中毒。近年来由于使用粘合剂而导致使用者患上各种职业病甚至死亡的消息时有发生,很多都是由于使用者吸入粘合剂中的挥发性有机物所导致。另外,挥发性有机物多数易燃,这也是溶液类型的粘合剂的一个潜在的安全隐患。基于这两点原因,设法降低甚至消除粘合剂中的挥发性有机物含量的呼声日益高涨。

那么如何实现这一目标呢?一个办法是设法提高溶质在粘合剂中的浓度,一定质量的粘合剂,溶在其中的高分子材料越多,溶剂含量自然越低,因而进入空气并且对使用者造成潜在威胁的挥发性有机物的量自然更少。然而各种高分子材料在溶剂中的溶解度往往有一定的上限,超过一定的浓度,我们就很难把更多的高分子材料溶解进去,因此这种办法虽然能够一定程度上减少挥发性有机物的危害,但并不能彻底消除。

另一种办法是改用对人体无害的水作为溶剂。刚才我们提到,有很多高分子材料可以溶解在水中。即便是那些无法溶在水中的高分子化合物,我们也可以用其它的方法让它们稳定地分散在水中。例如常用的白乳胶就是聚醋酸乙烯酯这种高分子材料分散在水中得到的乳液。以水为载体的粘合剂由于基本上消除了挥发性有机物,对环境的友好程度大大提高,近些年来逐渐取代基于有机溶剂的粘合剂,为越来越多的消费者所接受。

白乳胶是一种常见的以水为分散剂的粘合剂 (图片来源:http://zsdqjxq.myjidian.com/show-bairujiaoyouduma.html)

白乳胶是一种常见的以水为分散剂的粘合剂 (图片来源:http://zsdqjxq.myjidian.com/show-bairujiaoyouduma.html)

不过,以水为溶剂的粘合剂也并非没有缺点。首先,水的挥发速度比大多数有机溶剂要慢,因此使用者需要等待更长的时间才能将部件粘合牢固,在许多应用场合特别是大规模的生产中,这往往意味着生产效率的大幅下降和生产成本的显著提高。其次,在前面我们提到,一种胶要想牢固粘住物体,首先就必须能够浸润这种物体的表面,而水在这方面的表现要比大多数有机溶剂差得多。同一种粘合剂,将溶剂从有机物换成水之后,有些固体表面可能就再也粘不牢了。这也大大限制了基于水的粘合剂的应用。

那么,有没有其它的固化方法,既能保证胶的良好性能,又不至于对环境和使用者健康造成明显损害呢?答案是肯定的。接下来我们就将了解另外几种常见的固化机制。

 

注释:

[1] 另一种有明确致癌作用的挥发性有机物是甲醛。但甲醛虽然同样经常出现在粘合剂中,通常并不是作为溶剂,而是通过化学反应帮助粘合剂固化。

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