其他

讓破鏡也能重圓的黏著劑

生活中,我們常利用黏著劑來黏貼或修補物品,黏著劑之所以管用,在於它一開始呈液態、黏著之後便會固化,有些黏著劑還能讓便利貼重複使用,其中可是大有學問。

撰文/楊嘉慧
審稿/高啟林(膠帶業者四維公司資深副總)
2002-01

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讓破鏡也能重圓的黏著劑

生活中,我們常利用黏著劑來黏貼或修補物品,黏著劑之所以管用,在於它一開始呈液態、黏著之後便會固化,有些黏著劑還能讓便利貼重複使用,其中可是大有學問。

撰文/楊嘉慧
審稿/高啟林(膠帶業者四維公司資深副總)
2002-01

 黏著劑為我們生活帶來相當多的便利,舉凡紙張、皮革、塑膠等各種物品,都能以其接合。黏著劑之所以能和被著體產生交互作用,主要是因為大部份黏著劑屬高分子物質,不僅分子本身可鍵結成堅固結構,也能以化學鍵或機械扣鎖作用等方式與其他物質進行黏合。


大部份的黏著劑是呈液態,久置一段時間會固化。(影像來源:http://www.sxc.hu)


為什麼是液態?


 曾在台大高分子科學與工程學研究所講授黏著劑科技的膠帶業者四維公司資深副總高啟林表示,膠與被著體之間的交互作用力有好幾種,最基本的黏著力來源是利用分子間的吸引力,例如氫鍵,以及任何黏著劑都會產生的凡得瓦力(Van der Waals force)等。不過,分子力的作用距離通常很小,為了製造較多分子力,黏著劑一般呈液態,利用其流動性填滿被著體表面凹洞,增加近距離的接觸面積。常用於黏貼信封的漿糊,即是利用黏著劑的流動性,滲入紙張縫隙,而漿糊的原料為水與麵粉,其中含有大量澱粉分子,可與紙張纖維素的羥基(-OH)產生氫鍵而互相吸引,因而黏住紙張。

 不過液態黏著劑產生的分子力並不夠強,用手一拉就會分離,理想的黏著劑必須能固化,與物體表面凹凸不平處相互扣鎖,使物體能抵抗欲分開兩者的外力,這稱為機械性交互扣鎖原理(mechanical interlocking)。


黏著劑的黏著過程會經歷兩個步驟,先利用液態濕潤物體,滲進物體表面凹洞後,待其固化,膠與物體表面就會相互扣鎖,外力便無法將兩物體分離了。(電腦繪圖:姚裕評)


 黏著劑的固化方式有很多種,常見的熱熔膠在高溫(65~180℃)時會熔融成液態而具流動性,冷卻後便固化而有黏性,有些黏著劑則是當溶劑揮發變乾即會固化,例如白膠、口紅膠、透明膠水、漿糊等。

 除了以物理方式固化,也有經化學反應而固化。例如三秒膠的主要成份為氰基丙烯酸酯,於常溫下會快速與空氣中的水氣行聚合反應,在數秒內硬化成具有強度的黏著劑;乾化後具有強大接著力的AB膠也是一例,將A、B兩種液態膠混合後,兩劑會相互反應成聚合物而固化。

 固化後的黏著劑不僅能與被著體產生機械力,本身結構也會增強,原因是固化過程中有些黏著劑因溶劑揮發,而使黏著劑分子彼此間更靠近,因此產生更多分子力;AB膠則是產生新的化學鍵,使結構更緊密,因此固化後的膠並不易脆裂。


糾纏增強黏著效果


 除了由液態變成固態產生黏著力,高啟林表示,有些黏著劑的分子會相互糾纏,使物體黏合得更牢固,例如強力膠即屬於此類黏著劑。


強力膠與被著體的分子不會彼此糾纏,使用時,兩面均要塗強力膠,待溶劑快揮發完時,再緊壓兩物體,兩邊的分子就會開始糾纏,達到黏合效果。(電腦繪圖:姚裕評)


 強力膠的主要成份為氯丁二烯橡膠,當溶劑快乾時(此時用手觸摸強力膠有點黏性但不黏手),讓塗有強力膠的兩面接合,即可使兩邊的氯丁二烯橡膠分子彼此糾纏,達到較好的黏著效果。若待其完全揮發才接合,氯丁二烯橡膠分子將達不到糾纏效果;但太早接合,溶劑則會稀釋分子濃度,且在溶劑揮發過程中產生氣泡,糾纏效果也有限。

 本身即可做為黏著劑的塑膠熱封袋,也是分子糾纏結合的例子。塑膠袋為聚合物,當達某一高溫時,聚合分子會發生擴散作用而相互糾纏,冷卻固化之後,塑膠袋就相黏起來了。

 綜言之,黏著劑的基本接合方式不外乎先利用液態濕潤物體表面,再經固化與物體相互扣鎖,即可達到緊密結合。由於分子結構不同,各種黏著劑只能近距離與某些特定材質形成較強的分子力或彼此糾纏,因此並無所謂萬用膠,不論黏合金屬、木頭、塑膠等,都要使用特定的黏著劑,才能達到最佳接合效果。




有點黏又不會太黏的膠帶


 市面上所販售的各種膠帶都屬於「感壓型黏著劑」。膠帶包含黏著劑和基材兩部份,基材是讓黏著劑附著的材質,即膠帶的「帶」,如紙張、不織布、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)等。製作方式是將調配好的黏著劑塗於基材,待乾燥後即形成有黏性的膠帶。與一般液態膠水不同的是,膠帶的黏著劑會添加化學物質,使膠維持在具有黏性及彈性的半固態,因此輕壓膠帶,其上的黏著劑會變形並滲進凹洞,產生黏性。

 膠帶的黏性與黏著劑的添加量及接觸面積等有關,以生活中經常使用的便利貼和透明膠帶為例,便利貼使用的是乳膠狀黏著劑,膠懸浮於水中,塗在基材上會一顆顆分離,單位面積內的黏著劑較少,黏於紙上時,接觸面積比一般膠帶少,所以黏性不高,撕下後膠不會沾黏紙張的纖維,而且仍會留在基材上,因此可保持黏性、重複使用;而透明膠帶則使用包括溶劑型和乳膠狀黏著劑,兩種均能達到使膠平整、均勻佈滿在基材上,達到較強的黏性(以乳膠狀製作時,利用升溫乾燥之際,破壞原本一顆顆分離的分子結構,在基材表面上形成一層平整的膜)。


上圖為透明膠帶黏著劑示意圖,膠平整、均勻佈滿基材;下圖為便利貼,膠是一顆顆分佈於基材上,且顆粒大小不一,其單位面積內黏著劑較少。(電腦繪圖:姚裕評)


 此外,膠帶黏度的持久度,則受基材的防水性、透氣性等影響。醫療用膠帶通常使用可透氣的基材,如不織布,好讓汗水排出;而透明膠帶、水管工程使用的膠帶則採用防水基材,避免水破壞基材而影響黏合效果。






延伸閱讀

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《蘇老師化學黑白講》,蘇瓦茲著,天下文化出版

高一課本《基礎化學》