为什么万能胶能够在瞬间粘住物体?

摘要

​1951年的一天,美国伊斯曼柯达公司的两位研发人员打算测量一种名为氰基丙烯酸乙酯的液体的折射率。这个任务通常是通过阿贝折射仪来完成的,按照操作流程,他们需要将薄薄的一层液体夹在两块棱镜中间,然后读取折射率数值。然而测量结束后,他们却惊讶地发现,两块棱镜被牢固地粘在一起无法分开了 [1] 。

题图
​​       ​1951年的一天,美国伊斯曼柯达公司的两位研发人员打算测量一种名为氰基丙烯酸乙酯的液体的折射率。这个任务通常是通过阿贝折射仪来完成的,按照操作流程,他们需要将薄薄的一层液体夹在两块棱镜中间,然后读取折射率数值。然而测量结束后,他们却惊讶地发现,两块棱镜被牢固地粘在一起无法分开了 [1] 。两位研究人员向上司汇报了这次事故,然后忐忑不安地等待上司责怪他们损坏了昂贵的仪器。然而他们的上司不仅丝毫没有责怪他们,反而异常兴奋,因为他意识到,一种全新的粘合剂即将诞生,它就是日后深受欢迎的万能胶 [2]。

那么万能胶为什么能够在如此短的时间内将物体粘住呢?这是因为氰基丙烯酸乙酯的化学性质极其活泼,只要遇到水,它们就可以非常迅速地发生聚合反应,变成固态的聚氰基丙烯酸乙酯,从而将两个物体牢牢连接起来。我们周围的环境看似干燥,实际上总是有一定的水气,要粘合的物体表面通常也有微量的水分存在,而这很少的一点水就足以让氰基丙烯酸乙酯完成聚合反应。

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万能胶的固化机理

​实际上除了氰基丙烯酸乙酯,苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯等化合物都可以发生聚合反应,得到我们熟知的聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯等高分子材料,而且这些聚合反应通常速度也不慢,那么为什么唯独氰基丙烯酸乙酯独具魅力呢?

这是因为这些化合物虽然也可以发生聚合反应,但化学性质没有氰基丙烯酸乙酯那么活泼,不能被水引发。我们要想利用它们来开发粘合剂,就必须要额外添加其他的化学物质(引发剂)来引发聚合反应,而这往往带来一些难题。有的化合物性质非常活泼,在室温下就可以让聚合反应快速地进行。这样的化合物只能与引发剂分开储存,万万不可放在同一个容器里,否则生产出来的粘合剂还没等送到顾客手上,就已经变成一坨坚硬的固体,没法使用了。还有一些化合物需要在较高的温度下才会引发聚合反应,所以常温下我们可以放心地把它和粘合剂的其他组分放在一起,然而顾客在使用的时候也必须对待粘合的物体进行加热,使用起来并不是很方便。另外一种解决方案就是前面提到的光固化粘合剂:某些化合物在通常状况下很稳定,但是一旦经过特定波长的光的照射就会迅速引发聚合反应。这样顾客在使用的时候不需要预先混合两个组分,也不需要对要粘合的物体进行加热,但需要配备紫外灯等专门的光源设备,而且也无法用这样的粘合剂粘合不透明的物体,很多时候也不是那么方便。

因此,万能胶之所以深受欢迎,不仅由于它固化速度很快,还由于它形式简单,使用起来非常方便。我们不需要预先混合两个组分,不需要加热,也不需要提供光照,只要将它从瓶子里倒出来涂到要粘合的物体表面,然后把两个物体紧密压在一起,等上最多一两分钟就好了。因此万能胶特别受到普通消费者的青睐,对于时不时要使用粘合剂来修补物体或者制作一些简单的手工,但又不愿意或者不方便配备胶枪、高温烘箱或者紫外灯这样的专业设备的普通人来说,万能胶无疑是最好的选择。即便是在大型的生产线上,万能胶也能给使用者带来很大的便利。另外,氰基丙烯酸乙酯能够粘合许多不同类型的材料,这也是它被冠以万能胶的美称的一个重要原因。

有的朋友可能要问,既然水能够引发氰基丙烯酸乙酯的聚合反应,而微量的水气在环境中又无处不在,为什么装在瓶子里的万能胶能够保持稳定而不会固化呢?这是因为万能胶在生产过程中通常会加入少量的酸性物质,它们能够防止氰基丙烯酸乙酯发生聚合反应。实际上氰基丙烯酸乙酯早在上世纪40年代就被合成出来,但人们一开始并没有发现它具有瞬间粘住物体的能力,很可能是因为最初得到的氰基丙烯酸乙酯不够纯净,其中含有的杂质阻碍了聚合反应的发生 [3]。

另外,水气虽然无处不在,但它们容易接触到氰基丙烯酸乙酯的表面却很难渗入内部。这也是氰基丙烯酸乙酯能够迅速粘住物体,在容器中却可以保持稳定的一个重要原因。不过即便如此,如果放任氰基丙烯酸乙酯与水气接触,它仍然会逐渐发生聚合反应而失去使用的价值。因此,买来的万能胶如果一次用不完,一定要将容器的盖子盖紧,防止水气进入。

除了万能胶,还有一些其他类型的粘合剂也是通过环境中的水分来完成固化的,家庭装修中常用的硅酮密封胶就是一个典型的例子。这些密封胶中的硅酮本来以液体的形式存在,一旦暴露在空气中,在水气的帮助下,硅酮分子之间会通过化学反应连接起来,最终形成固体,将缝隙牢牢地堵住。

前一段时间闹得沸沸扬扬的“毒跑道”事件则涉及到了另一个通过水气固化的典型例子——单组份聚氨酯粘合剂。在前面我们提到,聚氨酯粘合剂通常是做成AB胶的形式,这是由于合成聚氨酯的两种原料二元醇和二异氰酸酯“势同水火”,彼此接触后很容易发生化学反应,无法稳定存在于同一容器中。那么单组份聚氨酯粘合剂是怎么回事呢?其中的奥秘在于二异氰酸酯独特的化学性质。

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​从上面这个化学反应式不难看出,要想得到聚氨酯,二元醇和二异氰酸酯的分子个数之比应该是1:1,这样反应才能不断持续下去。如果二异氰酸酯的分子远远多于二元醇,那么当二元醇被消耗殆尽后,反应就会终止,因为二异氰酸酯彼此之间无法发生化学反应。

然而环境中如果有水气存在,本已停滞的化学反应又继续向前进行了。这是因为水气可以与二异氰酸酯发生化学反应,将一部分异氰酸酯转化为胺,同时释放出二氧化碳,而胺可以与剩下的二异氰酸酯继续反应。利用这一反应,我们可以在聚氨酯的生产过程中让二异氰酸酯适当过量,这样得到的聚氨酯分子量不高,仍然是液体。把这些液态的聚氨酯覆盖到待粘合的物体表面后,环境中的水分会推动反应继续进行,从而得到坚硬的固体。利用这一方法得到的单组份聚氨酯粘合剂使用起来非常方便,除了被用于在塑胶跑道中粘合橡胶颗粒,还被广泛用于建筑和室内装修。另外,由于反应过程中有二氧化碳气体放出,因此异氰酸酯的这一反应还被广泛用于生产聚氨酯泡沫。我们生活中用到的床垫、汽车坐垫,以及用于建筑隔热的泡沫,很多都是用这种方法得到的。

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​单组份聚氨酯粘合剂的固化机理

​同万能胶一样,硅酮密封胶和单组份聚氨酯粘合剂由于借助环境中的水气完成固化,因此可以用非常简便的单组份形式生产,使用起来也非常方便,不需要额外的设备。不过这两类粘合剂的固化速度要比万能胶慢得多,因此在实际应用中受到一定的限制,但在林林总总的粘合剂市场中也分别占有一席之地。

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一种用于粘合地板的单组份聚氨酯粘合剂(图片来源http://www.homedepot.com/p/Roberts-4-Gal-Wood-and-Bamboo-Flooring-Urethane-Adhesive-R1509-4-8P/202935481?cm_mmc=Shopping%7cTHD%7cG%7c0%7cG-BASE-PLA-D23-Hardwood%7c&gclid=CjwKEAiA9s_BBRCL3ZKWsfblgS8SJACbST7D_Y21u92mkiqB-mULckvD7CFL80MKMibYzszuWMUI7xoCaU7w_wcB&gclsrc=aw.ds

了解了万能胶的工作原理,有的朋友可能会问:既然万能胶形式简单,使用方便,固化速度又极快,集众多优点于一身,那么我们为什么还需要开发其他类型的粘合剂呢?在下一篇文章中,我们就来简单讨论一下这个问题。

参考文献和注释

[1] John T. O’Connor, “Sticking with Winners”, ChemTech, 1994, 24, 51

[2] 实际上万能胶虽然能够迅速粘合玻璃,但粘合的强度会随着时间推移而逐渐降低,因此通常不推荐用万能胶粘合玻璃

[3] H. W. Coover, D. W. Dreifus, J. T. O’ Connor, “Cyanoacrylate Adhesives”, 收录于Irving Skeist主编的Handbook of Adhesives一书 (Springer出版社2012年出版)

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