为什么有的粘合剂由两个部分组成?

摘要

既然AB胶使用起来这么麻烦,为什么它们在很多时候还深受欢迎呢?除了可以不使用溶剂,避免挥发性有机物带来的健康和环境隐患,还有一个重要的原因是这种方法可以打造更为强劲的粘合剂。

说到胶或者粘合剂,大家首先想到的多半是装在小瓶子里的胶水,用的时候倒一点出来涂在要粘合的物体上即可。然而也有一些粘合剂是分别装在两个容器中,在使用之前必须把两个部分混合均匀,否则就无法发挥作用。这样的粘合剂就是俗称的AB胶。

(图片来源:http://www.directindustry.com/prod/panacol-elosol-gmbh/product-38500-1550817.html)

(图片来源:http://www.directindustry.com/prod/panacol-elosol-gmbh/product-38500-1550817.html)

比起普通的粘合剂,AB胶在形式上要复杂得多,使用起来也更麻烦。那么我们为什么要开发这一类粘合剂,它们又有什么独到之处呢?

在前面我们提到,一种粘合剂要想牢固粘住物体,顺利完成固化是很关键的一步,而最简单的实现固化的方法就是将高分子材料溶解在溶剂中,将溶液涂在待粘合的物体表面,然后让溶剂挥发。然而这种方法也存在很明显的弊端,那就是大量溶剂挥发到空气中后,对环境和使用者的健康都可能会带来负面影响。

那么能不能不依赖溶剂完成固化过程呢?我们知道,高分子材料一般是通过许许多多的小分子互相之间发生聚合反应得到的,例如聚氨酯这一类高分子材料经常被用于粘合剂,它是由两种小分子化合物——二元醇和二异氰酸酯反应得到的。

形成聚氨酯的化学反应

形成聚氨酯的化学反应

许多二元醇和二异氰酸酯在室温下都是液体,但反应之后得到的聚氨酯却是强度很高的固体。不难看出,如果原本处于液态的化合物在涂到要粘合的物体表面后能够发生聚合反应形成高分子,那么无需溶剂挥发,我们同样可以实现胶的固化。很显然,在这种固化过程中,原先存在于胶中的分子一个不留地全部进入到高分子中,而不会挥发到空气中,挥发性有机物可能造成的环境和健康问题自然迎刃而解。

可是随之而来的就有一个难题:这样的粘合剂如何生产和储存?二元醇和二异氰酸酯相互之间非常容易发生反应,如果把它们直接放到一个瓶子里,等产品送到顾客手上,瓶子里的液体早就变成一坨坚硬的固体,没法使用了。

当然,我们可以选择一些反应活性没有那么强的反应物,在室温下,它们即便混合在一起也可以在相当长时间内“和平共处”,只有温度升高到一定程度彼此之间才会发生聚合反应。这不失为解决问题的一个方法,而事实上许多粘合剂也确实是这样做的。但这意味着使用者往往需要额外购置烘箱、电吹风等加热设备,而且许多要粘合的材料不能耐受很高的温度,在高温下粘合剂虽然顺利固化,物体本身却完蛋了,这可不是我们想要的结果。因此这种方法存在着一定的局限性。

另一个办法则是分别将两种反应物储存在不同的容器中,在使用前它们没有机会见面,自然可以长时间保持稳定。当需要粘合物体时,我们只要把它们混合,再涂到物体表面,不需要加热,粘合剂很快就可以固化,从而将两个物体牢固连接起来。这就是为什么许多粘合剂要做成AB胶的形式,除了聚氨酯,还有许多不同的聚合反应可以被用于AB胶的固化,例如环氧胶就是另一种常见的AB胶。

一种环氧树脂AB胶 (图片来源http://www.tools4flooring.com/johnsonite-996-two-part-epoxy-adhesive-gallon.html)

一种环氧树脂AB胶 (图片来源http://www.tools4flooring.com/johnsonite-996-two-part-epoxy-adhesive-gallon.html)

不过,AB胶虽然不需要加热就可以完成固化,使用起来却也有另外一些不便之处。首先,两个组分的比例一定要合适。例如前面提到的聚氨酯,理想的反应条件下,二元醇和二异氰酸酯的分子个数一定是一比一。在这种条件下,每个二元醇分子可以同时和两个二异氰酸酯分子反应,而两个二异氰酸酯分子也同时可以和两个二元醇分子反应,这样的结果就是两种分子不断拉起手来,变成分子量巨大的聚氨酯。

相反,如果两种分子的比例变成二比一,例如二元醇的分子个数较多,那么二者相遇后,二异氰酸酯很快就会被消耗殆尽,反应无法产生高分子化合物,只能得到一些没有任何强度的小分子。这样的反应产物几乎没有任何机械强度,无法将两个物体粘合在一起。因此,在使用AB胶时,按照比例准确称量两个组分是非常关键的。通常厂家都会在产品包装上或者说明书中注明两个组分需要按照什么样的比例混合。

但按照比例称量两个组分还只是成功的一半,我们还必须把两个组分均匀混合,这样它们才能充分发生反应。如果两个组分混合得不好,固化同样不能顺利进行,固化后的粘合剂也不会有很好的强度。

很多时候,AB胶的使用者既没有条件准确称量两个组分,也很难保证两个组分的充分混合。因此,为了保证AB胶的使用效果并且给用户提供便利,生产厂家往往会采用特殊的包装和施胶设备。一种常见的方法是将两个组分分别储存在侧面连在一起的两个圆筒中,在使用时,将连体筒安放到手动、电动或者气动的胶枪中,再将一个特制的喷嘴与连体筒的开口相连,随着使用者操作胶枪,两个组分就会按照一定的比例同时从筒中被挤出,在喷嘴中混合均匀。这样既可以让两个组分之间的比例合适,又能让它们得到充分混合,从而保证了固化后胶的强度。对于用量较大的工厂,我们还可以使用全自动的设备来混合并施加AB胶。

AB胶常见的使用方式是事先将两个部分储存在连体的筒中,使用时两部分通过特制的喷嘴共同挤出,保证了两部分能够以指定的比例混合均匀 (图片来源:http://us.henkel-adhesives-blog.com/post/LED-Assembly-Solutions/Dispensing-2-Component-Adhesives-LED-Assembly/)

AB胶常见的使用方式是事先将两个部分储存在连体的筒中,使用时两部分通过特制的喷嘴共同挤出,保证了两部分能够以指定的比例混合均匀 (图片来源:http://us.henkel-adhesives-blog.com/post/LED-Assembly-Solutions/Dispensing-2-Component-Adhesives-LED-Assembly/)

既然AB胶使用起来这么麻烦,为什么它们在很多时候还深受欢迎呢?除了前面提到的可以不使用溶剂,能够避免挥发性有机物带来的健康和环境隐患,还有一个重要的原因是这种方法可以打造更为强劲的粘合剂。

仍然以聚氨酯为例,刚才我们提到,它是由二元醇和二异氰酸酯反应而来。所谓二元醇,就是同一个分子中具有两个醇的结构(即羟基),这样反应得到的产物通常称为线性聚合物,因为分子像是一根根长长的链条,没有任何分支。

但实际上我们完全可以把二元醇替换成多元醇,也就是一个分子中含有三个或者更多醇结构的化合物。这样反应得到的产物就不再是线性聚合物,而是三维的网状结构。网状结构通常具有比线性聚合物更高的机械强度,因此更受粘合剂使用者的青睐。

然而网状结构的形成也就意味着所有的分子都通过化学键被牢固连接到一起,不再能够分散到溶剂分子中去,也就说不再能够被溶解。这意味着我们无法通过溶剂挥发的办法来得到一个网状结构,但如果采用AB胶的形式,由于固化是通过小分子不断反应来完成的,并不依赖于溶液,因此可以轻而易举地得到网状结构。这就是为什么很多时候我们必须依赖于AB胶。

有的朋友可能会说,AB胶确实很好,但我还是觉得使用起来太麻烦。有没有可能只依靠一种组分,不需要溶剂,也不需要加热,在室温下就能完成胶的固化呢?办法确实是有的,接下来我们就来了解另外几种选择。

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