膠水的黏性是我們在生活中經常見到甚至用到的。事實上，大部分物質黏性的體現都有著相似的原理。
 

　　本文從水的黏性出發，探究水的黏性因何而起，總結水的黏性的成因，進而推廣至粘合劑。
 

　　黏性的成因有三種：粘合劑與基底表面的作用力強于基底之間的作用力，粘合劑與被粘黏物質反應改變接觸面處基底的性質增強了基底之間的作用力，滲透并固化。本質是增大物體之間的作用力。
 

　　再參考有關膠水的研究，以熱塑性聚氨酯熱熔膠為例，探究物質增強黏性的機理與抑制削弱黏性的過程的機理。
 

　　關鍵詞：摩擦力，內聚力，分子間作用力，固化。
 

　　1.引言
 

　　膠，是我們在生活中經常遇到的一類物質。常見的膠有環氧樹脂膠、白膠、糨糊，甚至可以推廣到水。其實，只要可以用來黏合的物質都可以被稱為“膠”。
 

　　水作為膠的一個例子就是測量氣體常數實驗中的“液封”
 

　　不同于用液體淹沒導管口使氣體無法通過的液封，此時液體本身不是塞子，而是膠水。磨砂玻璃之間的摩擦并不足以抵抗瓶中產生的氫氣的氣壓，但沾濕了之后再合上就很難打開。
 

　　水，為什么會產生黏性？黏性本身究竟是怎么產生的？
 

　　2.水的黏合原理
 

　　黏性，本質上就是物質之間的相互作用。水的黏性有三種原理：在表面與基底之間比基底之間更強的作用力，與被粘黏物質發生反應改變基底性質，滲透并固化。
 

　　2.1表面強作用力
 

　　此處“強”是相對于兩種基底之間的分子間作用力。
 

　　水浸潤物體時，表面張力會拉近水與物體表面的距離，這會體現出黏性，因為表面張力其實不弱。如果物體有彈性，那么會產生彈性毛細現象，導致物體變形。濕頭發粘在一起正是彈性毛細現象的體現。[1]
 

　　如果水浸潤物體，就可以體現黏性。如果是水不浸潤的物體，比如荷葉，水都無法附著，又怎么體現黏性？
 

　　水會填充可以浸潤的物體表面的空隙。在浸潤物體時，水與物體之間以及浸潤處水分子之間的間隙比原先水分子之間以及物體之間的空氣與物體之間的間隙要小，從而增大接觸面分子間作用力。[2]一個生動的例子，干燥的沙子堆不了沙堡，潮濕的沙子可以。
 

　　這種情況下，水的黏性主要來自接觸面的分子間作用力，而液態水比固態水(包括結合水)分子間作用力小[3]，所以水多到形成較厚的水膜甚至水層時，被粘物體之間被黏性小的液態水隔開，水主要體現的就是潤滑作用，但是水膜、水層固化則會增強黏合性(這是冬天不能舔戶外的鐵欄桿的原因)。[4]
 

　　此外，溶于水的物質，接觸面存在少量水，那么部分固體就會溶于水，形成溶液。溶液也可以填充物體表面的空隙。在水蒸發以后，析出晶體的過程發生在基底表面。此時，可能是分子間作用力，也可能是化學鍵，比如兩塊食鹽晶體經過在接觸面溶解再析出晶體的過程形成一塊晶體后，是通過離子鍵的作用連接。
 

　　2.2改變被粘黏物質性質
 

　　與水發生反應以后，物體可能會黏在一起。比如，大米中的支鏈淀粉、面粉中的蛋白質存在大量分子內氫鍵，分子間作用力較小，黏性弱；吸收水分后分子內氫鍵斷開并與水形成分子間氫鍵，分子舒展；水分蒸發后，舒展開的、存在大量分支的分子更易于形成分子間氫鍵，從而和別的物質黏在一起 [5]
 

　　2.3滲透并固化
 

　　水滲入物體間結冰，將兩個物體凍在一起。這時候，冰中水分子的網格與基底之間互相穿插，從而連接。
 

　　如果是溶液滲入物體并在內部結晶，則是通過滲透并固化實現黏合。
 

　　2.4 總結
 

　　這些原理本質都是增強被黏合的物體之間的作用力。不一定是分子間作用力，也可能是化學鍵。
 

　　這些原理并不是互相排斥的，所以可以共同起作用。此外，為了讓水起到黏合的作用，首先要附著在物體上，因此需要浸潤物體。
 

　　3. 膠增強黏合能力的機理
 

　　膠體現黏性的作用方式與水起黏合作用的作用方式別無二致。[2]
 

　　然而，一般情況下，黏合所需的黏性遠遠大于水能提供的黏性，因此需要增強黏合能力。這里以熱塑性聚氨酯熱熔膠為例。
 

　　3.1 增強附著能力
 

　　牢牢附著在被粘物體表面，是發揮粘黏作用的必要條件。比如，熱塑性聚氨酯熱熔膠通過氨基甲酸酯、異氰酸酯衍生物(比如脲基)與被粘物體表面的羥基、氧化物(部分塑料要預先通過放電處理氧化增加極性)等形成氫鍵作用；還可以滲入纖維之間、橡膠內部，通過異氰酸酯發生反應成鍵并在水或堿或高溫作用下形成交聯結構，同時與纖維、橡膠的極性鍵之間形成強的分子間作用力增強了附著能力；當基底表面有水而粘合劑中有異氰酸酯時，異氰酸酯與表面吸附的水反應形成脲類化合物。由于脲類化合物與金屬氧化物的極性都大，脲類化合物可以與金屬氧化物之間形成穩定的絡合物。[7]
 

　　從斷裂強度、斷裂伸長度、粘度、粘連強度的數據看，熱塑性聚氨酯熱熔膠的附著能力很好。[8]
 

　　前文2.1指出，黏性與粘合劑滲透、浸潤基底的能力正相關。一定時間內(對于大部分膠，指的是干結之前)滲透、浸潤程度與流動性正相關，因此如果聚合度過大導致分子之間互相牽制以至于難以流動會顯著減弱附著能力。
 

　　3.2 增強材料強度
 

　　膠或被粘物體可能會被撕裂而失去粘黏效果。因此，需要增強膠與被粘物體的材料強度。從微觀來看，增強材料強度就要增強材料各部分之間的吸引力。以熱塑性聚氨酯熱熔膠為例，其至少應用了兩種策略：通過分子間聚合使部分分子間作用力變成化學鍵，通過氫鍵加強了分子間作用力。[6][9]
 

　　從數據看，熱塑性聚氨酯熱熔膠的材料強度很大，并且與其內聚強度正相關，而熱塑性聚氨酯熱熔膠的內聚強度主要由聚合物形成網狀結構提供[10]，因此如果聚合度過小導致分子之間互相牽制不夠會顯著減弱材料強度。[8]
 

　　3.3 增強耐久
 

　　膠的黏性隨時間而變化或者受到環境影響，會產生一些問題，俗稱“膠老化了”。膠的穩定性包括其熱穩定性、剪切穩定性、化學穩定性、生物穩定性。
 

　　熱塑性聚氨酯熱熔膠作為合成高分子聚合物，不天然存在抑或是天然存在很少，生物缺乏分解其的酶，所以目前生物穩定性好。
 

　　熱塑性聚氨酯熱熔膠的熱穩定性在日常大多數條件下都是可以接受的。不論是在水的沸點上下的明顯軟化溫度[11]還是更高的明顯分解溫度(約279℃)[9]都已經足夠支持日常生活中大多數情境的應用。
 

　　熱塑性聚氨酯熱熔膠形成的膠粘層耐油、化學藥品、沖擊、曲撓、疲勞、低溫、水的性能良好，且能吸收振動。[12]因為實驗條件限制，不能確定長時間處于不良環境會產生什么影響。[13]
 

　　3.4 不足以及應對
 

　　熱塑性聚氨酯熱熔膠肯定是有缺點的。
 

　　由于異氰酸酯與水[14]或羧酸[15]反應會釋放二氧化碳，產生的氣體導致分子網格中充滿孔洞而粘連強度下降[14]，所以一般會加入干燥劑[14]且原料聚酯多元醇制備時醇要過量以降低聚酯多元醇酸度 [16]。
 

　　原料聚醚多元醇中鉀離子、鈉離子、水的含量要少，否則會形成凝膠而報廢。[16]
 

　　耐水性能也是個困難之處。水解會瓦解分子，聚氨酯熱熔膠中的基團水解速率是酯基快于脲基快于氨基甲酸酯快于醚鍵。[17]可以通過添加碳化二亞胺增加水解穩定性。[18]即使不水解，水會在分子網格中形成氫鍵，使網格變形而被破壞。水的極性大，所以極性大的酯基比極性小的醚鍵更容易吸水。但是，可以通過增加硬段、內部氫鍵的數量使網格更加緊湊，從而減少、減緩水的滲透。[17]
 

　　3.5 總結
 

　　增強黏性，總的來說，就是增加粘合劑與基底之間或者基底與基底之間的作用力，并且抑制連接結構被破壞。
 

　　此外，聚氨酯與聚酰胺不能混為一談，盡管尼龍66也很難降解(尼龍66不耐水的主要原因不是水解，而是因為分子吸水，導致分子網格變形，性能變差)。[19]
 

　　4. 結論
 

　　物質的黏性有三種來源：粘合劑與基底表面的作用力強于基底之間的作用力；粘合劑與基底反應改變接觸面附近基底的性質，從而增強了基底之間的作用力；滲透進入基底，固化形成連通基底之間的網格。究其本質，都是增大物體之間的作用力。
 

　　隨著發展，對黏性的要求也在不斷改變。除了尋找新的粘合劑，還可以改良已經有的粘合劑。改善的方式，無非增強有利的，抑制有害的。