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为什么胶水有时候粘不牢? 问题出在哪里?
时间:2016-09-29 11:04   来源:科学公园   责任编辑:沫朵

川北在线核心提示:原标题:为什么胶水有时候粘不牢? 问题出在哪里? 我们在生活中可能都遇到过这样的情形:贴到瓶子上的标签,一松手就从瓶子上滑落;粘到墙上的挂钩,看上去很牢固,可挂上重物后就连挂钩带重物一起摔到地上;刚买的新鞋,穿了没几天鞋面和鞋底就分了家。这些情况都说


  原标题:为什么胶水有时候粘不牢? 问题出在哪里?
 
  我们在生活中可能都遇到过这样的情形:贴到瓶子上的标签,一松手就从瓶子上滑落;粘到墙上的挂钩,看上去很牢固,可挂上重物后就连挂钩带重物一起摔到地上;刚买的新鞋,穿了没几天鞋面和鞋底就分了家。这些情况都说明,本来应该把两个物体牢固粘在一起的胶,并没有真正尽到它们的职责。
 
  为不同的材料和不同的应用场合选择合适的胶往往并非易事,很多时候甚至只能通过经验来判断。不过我们仍然可以从最基本的科学原理来分析一下,当胶粘不牢的时候,问题可能出在哪里。
 
  让我们不妨先回顾一下笔者《胶带是如何粘住物体的?》一文(http://zhidao.baidu.com/daily/view?id=5421&preview=1)中介绍过的 胶的工作原理。 胶这种常见的胶的主要成分是氰基丙烯酸乙酯,这是一种粘度很低、易于流动的液体。当我们需要用 胶粘合两个物体时,只要滴几滴在其中一个物体的表面上,让氰基丙烯酸乙酯的液体在固体表面铺展开形成一层薄膜,再把另一个物体覆盖上去,随着氰基丙烯酸乙酯在水汽作用下固化变成聚氰基丙烯酸乙酯,两个物体就被牢固粘住一起了。
 
  现在问题来了:氰基丙烯酸乙酯的液体为什么会在固体表面铺展开来?有的朋友可能会说,俗话说,人往高处走,水往低处流,重力使然嘛!的确,液体不像固体那样能够保持固定的形状,因此总是会在重力作用下到处流动。然而如果你仔细观察一下落在不粘锅表面的水滴,或者落在玻璃表面的水银液滴,就会发现这句话并不总是正确的。在这两种情况下,液滴都不再自发地铺展在固体表面,而是尽量保持球形。这是为什么呢?
 
  当氰基丙烯酸乙酯安静地呆在瓶子里的时候,它们的分子通过分子间作用力彼此吸引。当我们把液体滴到固体表面时,这种吸引力会促使氰基丙烯酸乙酯保持球形的液滴。然而我们之前提到过,分子间作用力不仅存在于同种分子之间,也存在于不同的分子之间。此时此刻,固体表面的分子与氰基丙烯酸乙酯分子也存在一个互相吸引的作用,这个作用会促使液体不再保持液滴形状,而是在固体表面铺展开。那么氰基丙烯酸乙酯的液滴将何去何从呢?这就取决于两种分子间作用力的“较量”了。
 
  如果氰基丙烯酸乙酯分子与固体表面分子之间的吸引力要强于氰基丙烯酸分子彼此之间的吸引力,那么氰基丙烯酸乙酯的分子就会在固体表面分子的“勾引”下在固体的表面铺展开,形成均匀的一层膜。这种现象,我们称为氰基丙烯酸乙酯的液体能够浸润某种固体。之后我们把另一个固体盖在这层膜上面,使之充分接触。随后氰基丙烯酸乙酯固化成聚氰基丙烯酸乙酯,于是两块固体就被粘在一起。相反,如果氰基丙烯酸乙酯分子之间的吸引力更强,那么它们就不大愿意在固体表面铺展开,而是倾向于继续保持球形的液滴,也就是说,不容易浸润这种固体。
 
  液体是否能够在固体表面自发扩展还可以从能量的角度考虑。固体与气体接触的地方总是有一个额外的能量,叫做表面能,因为在表面处固体分子不得不与气体分子相接触。一个表面总是希望这个能量越低越好。如果把一层液体覆盖在固体表面,那么固体改和液体接触,液体则与气体接触,虽然一个表面变成了两个表面,很多情况下总的表面能反而降低了。在这种情况下,液体自然容易在固体表面浸润。相反,如果某种液体覆盖上去后表面上的能量反而显著升高,那么浸润就变得不大可能发生。
 


  当液体覆盖在某种固体的表面时,原有的固体-气体表界面被固体-液体界面和液体-气体界面所代替。如果固体-液体界面和液体-气体界面的表面能之和小于固体-气体界面的表面能,那么这种覆盖就是可以自发进行的,即液体能够浸润固体表面
 
  无论是从哪种角度去解释,固体的性质对于液体能否浸润它的表面都是至关重要的。事实上,当液滴的尺寸小到一定程度,它能否在固体表面铺展开完全取决于双方的性质,连重力也失去了“发言权”。
 
  如果某种胶不能浸润要粘合的固体,那么即便我们用力迫使它在固体表面铺展,液体仍然不能很好地覆盖固体表面的某些部位。这样,当胶固化后,胶的固体与被粘合的固体之间就不能很好接触,互相之间的吸引作用也就不够强烈,稍微受到外力的作用就很容易被分开,也就是说,胶粘不牢了。
 


  如果胶不能浸润要粘合的物体,二者之间就不能充分发生接触(右)。在受到外力时,这样的地方就容易断裂
 
  在常见的固体中,纸张、木材、玻璃和金属等材料相对比较容易让液体在其表面浸润,而许多塑料和橡胶则不大容易让液体浸润它们的表面,至于以“不粘”著称的聚四氟乙烯等少数材料,那更是老大难,不经过特殊处理往往很难将它们粘合起来。另一方面,对于同一种固体,大多数有机物往往要比水更容易浸润固体表面,这就是为什么许多胶都会使用有机物作为溶剂的一个重要原因。因此,选择胶时,胶本身的性质必须与要粘合的固体的性质相匹配。生产厂家通常会在包装上注明某种胶使用的材料范围,如果你想要粘合的材料不在其中,那就要多加小心。
 
  要想让胶把物体粘牢,除了选择性能与被粘合的固体匹配的胶,被粘合物体表面的清洁也是非常关键的。这是因为许多固体的表面被油污或者灰尘玷污后,胶的液体会不再容易在浸润它们的表面,粘合的效果就大打折扣。因此在用胶粘合它们之前,必须先用适当的方法将固体表面清理干净。
 
  好了,现在我们选择了合适的胶,要粘合的固体表面也清洗干净了,可是粘好的物体还是轻轻一碰就分开,这又是怎么回事呢?
 
  让我们再来看这样一个例子:在一块洁净的玻璃表面涂上薄薄一层水,再将另一块玻璃放上去,只要轻轻一按,两块玻璃就像是变成了一块玻璃。这是因为水分别与两块玻璃的表面形成良好的接触,因此通过分子间作用力把它们连在一起。也就是说,水在这里实际上起到了胶的作用。
 
  然而只要我们稍稍用力,两块玻璃就可以被分开,表明水这种胶的强度并不高。显然,这是因为水始终保持在液体状态,自然无法承受很高的外力。所以,一种胶要想粘得牢固,不仅必须要与被粘合物体形成良好的接触,还必须能够顺利完成固化,形成强度很高的固体。如果后面这个环节出了问题,那么胶同样会粘不牢。例如有的胶必须要在高温条件下才能完成固化。用这样的胶去粘合物体时,如果只是在室温下放置,哪怕过了三五年,夹在两个物体之间的胶仍然只是黏糊糊的液体,自然不可能粘牢。所以我们在使用胶的时候,必须要认真遵循使用说明,让胶顺利完成固化,这样才能得到应有的强度。
 
  当然,无论多么坚固强劲的固体,受到的外力超过了一定程度,仍然逃不掉分崩离析的命运。因此,如果你选择了能够浸润被粘合物体表面的胶,也严格按照使用说明让胶固化,但胶仍然粘不牢固,那很可能是你要求的使用强度远远超过了这种胶的能力范围。例如涂在便利贴(post-it note)背面的胶强度就不高,这样才能让使用者很方便地把它从一个物体上取下再粘到另一个物体上。这样的强度粘一张纸片绰绰有余,但要想承受数十公斤的重物无异于异想天开。又如许多物体是通过一类被称为热熔胶的胶粘合的,这类胶的一个显著特点是室温下强度很高,但是温度升高后就会变得很差,如果被粘合物体要经常在高温环境下使用,使用这一类胶显然是不合适的。如果胶粘不牢是由于这个原因的话,那么解决办法也很简单:换一种胶吧。

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