粘合剂的粘合性能原因探究

1.背景综述

粘合剂（Bonding agent）是最重要的辅助材料之一，在包装工业中应用极为广泛。粘合剂是具有粘性的物质，借助其粘合性能将两种分离的材料连接在一起。粘合剂的种类很多。这里的粘性指的并不仅仅是代表内摩擦力大小的粘度，更重要的是和其他材料接触形成的界面的粘附作用大小。

按照粘合剂的来源可以分为天然的粘合剂和人工合成的粘合剂。包装所用的瓦楞纸和面板之间的粘合剂很多是用天然的淀粉粘合的，而如我们常见的万能胶、AB胶之类的属于人工合成的粘合剂。我们一般都是直接使用这些东西，而往往没有想过它们的粘合作用的来源。本文希望通过对粘附原理的浅显探究得到一些启示，从而对粘合剂的改良提出一些自己的看法。

2.粘合原理综述

通过网上搜集资料，得到粘合力的来源主要有以下几点：（1）范德华力；（2）化学键作用力；（3）静电作用力；（4）扩散理论等。这几点当中最为关键的为第一点，那就是分子间作用力——范德华力。其它几个影响较小的原因为：化学键虽然单个键能远远大于范德华力，但是由于化学键的数目相比于分子间的作用来说小很多，从而导致其影响不大；有些学者指出：双电层中的电荷密度必须达到1021电子/cm2时，静电吸引力才能对胶接强度产生较明显的影响，因而静电作用的影响通常也较小；扩散理论是指粘合物和被粘合物之间发生分子级别的扩散，导致两相之间的界面逐渐消失，变相地增加了接触面，但是由于通常情况下被粘合的为固体物质，常温下扩散极其缓慢因此也对粘合性能影响不大。

综上，对粘合剂粘合性能影响最大的一般来说应该是分子之间的范德华力以及氢键作用。

3.分子间相互作用力对粘合性能的具体影响

根据计算，由于范德华力的作用，当两个理想的平面相距为10Å；时，它们之间的引力强度可达10-1000MPa；当距离为3-4Å；时，可达100-1000MPa。这个数值远远超过现代最好的结构胶黏剂所能达到的强度。但是在实际应用时，界面的平整度达不到这样的理想程度，因此接触面积远没有直观看上去这么大。但是这样的作用力大小基本足以满足日常所需。

通过有机聚合的原理生产的粘合剂，例如我们做实验时遇到的环氧树脂类，是通过要进行粘合的部位加入环氧树脂和固化剂来实现粘合的。具体过程分为两步。第一步：未固化的液体装粘合剂充分润湿被粘合的固体表面；第二步：粘合剂中的树脂和固化剂发生反应，固化交联，粘度快速增大，抗剪应力增大，最终完成粘合。

示意图如下：

由上图知，不平整的表面不仅仅提供了较大的接触面积，而且也产生了机械咬合的作用。受到这种启发，人们发现如果对被粘固体表面预先进行酸腐蚀等操作使其平整度大大下降的话，会产生更好的粘合效果。

除上述讨论的内容之外，实验和应用表明，当粘合剂有较多极性基团，例如羧基、羟基等时，粘附作用会大大增大。例如工业生产的聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯的表面进行等离子处理之后会显著提高可粘结性。如果在使用粘合剂之前先对要进行粘合的表面进行处理，连接一定的氨基或者羟基，就会大大增大和粘合剂之间的分子间作用力（包括范德华力和氢键作用力）。

偶联剂又称表面处理剂、增粘剂，它的主要作用是来改善粘合剂对被粘物的浸润，提高粘接接头的强度和耐湿热性。偶联剂多是低分子化合物，粘度比较低，分子一端是能与环氧树脂起反应或相容的有机基团；另一端是可以水解的基团，它易与被粘物间反应形成牢固的化学键，改善了粘合剂对表面浸润，加强了粘合剂与被粘物间的结合，从而提高了粘接力。最常用的偶联剂是有机硅偶联剂。

4.粘合材料的新发展

(1)自修复材料

由于现代生活和科学发展对于材料的质量有了更为苛刻的要求，往往当出现肉眼可以察觉的裂纹再考虑粘合修复时就已经迟了，因此最近发展的自修复材料受到了广泛关注。

理想的自修复材料是在产生分裂的部位，高分子自发地再次缠绕起来，从而达到修复效果，但是现在还达不到那样的水平。现在研究较多的是将可以粘合填充裂纹的物质填充在微球或者微管之中，在发生断裂时，物质自动释放出来聚合达到修复效果。

(2)“壁虎胶带”

仿生，是最近科研的热点，很多科学的进步都源于对大自然的反思。壁虎是我们常见的一种小动物，它们能飞檐走壁而得名“壁虎”。近些年的研究表明，壁虎的脚趾上并不是像人类的皮肤一样，而是有成千上万的纳米级别的绒毛。正是这些绒毛使得壁虎在接触不同粗糙度的表面时都能保证和其更充分接触，而细小绒毛较大的比表面积也体现为强大的吸附能力。

文章来源：《分子科学学报》 网址: http://www.fzkxxbzz.cn/qikandaodu/2020/1222/473.html