黏合劑的神奇世界

編譯 喬若靜

黏合劑無(wú)處不在，從航空航天工業(yè)到簡(jiǎn)單而無(wú)處不在的便利貼，都有它們的身影?？茖W(xué)作者阿萊娜·萊文（Alaina G. Levine）來(lái)到黏合劑巨頭3M公司的美國(guó)創(chuàng)新中心，了解更多有關(guān)黏合劑的物理學(xué)原理。

當(dāng)我站在一個(gè)滿是明亮顯示屏、背景音樂(lè)以及充滿熱情和愉悅的解說(shuō)的走廊時(shí)，我的第一個(gè)想法是我來(lái)到了1986年的沃爾特迪士尼世界。事實(shí)上，這里是一家資產(chǎn)300億美元的跨國(guó)材料科學(xué)和黏合劑公司的總部，它就是3M公司，便利貼（也叫即時(shí)貼）的發(fā)明者。我所在的地方是美國(guó)明尼蘇達(dá)州的圣保羅市，我來(lái)這里是采訪3M公司在黏合劑和膠帶領(lǐng)域?qū)茖W(xué)創(chuàng)新所作出的貢獻(xiàn)。我期待的是能為我解答這些問(wèn)題的科學(xué)家，而不是一個(gè)充滿了各種黏合劑的游樂(lè)場(chǎng)。

阿萊娜·萊文在3M的創(chuàng)新世界里“玩”得不亦樂(lè)乎

采訪開(kāi)始一如往常。在3M創(chuàng)新中心的巨大入口處，我受到了3M公司公關(guān)經(jīng)理斯蒂芬妮·吉斯-伯格丹（Stefanie Giese-Bogdan）的熱情相迎，她邀請(qǐng)我隨她一起，沿著如隧道般的走廊往前，直到關(guān)上門(mén)后進(jìn)入一片寂靜的黑暗中，接著周?chē)薮蟮钠聊涣疗穑鲿车亩嗝襟w開(kāi)始演示介紹3M的歷史和目前的研究狀況。

介紹完畢，走廊另一頭的雙扇門(mén)打開(kāi)，面前是一片空曠的空間，擺放著幾把像是天文館用的工作椅，可以向后仰靠凝視頭頂。吉斯-伯格丹笑著建議我坐在視野最佳的第二排中間的椅子上，我往后仰靠，另一場(chǎng)投影開(kāi)始在曲面天花板上演示，突然間，感覺(jué)就像置身于真正的迪士尼樂(lè)園一樣，聚光燈在我的周?chē)焖俜D(zhuǎn)閃耀。

我凝視著投影展示的3M創(chuàng)新的龐大世界，在3M創(chuàng)新中心一個(gè)巨大房間里，3M的技術(shù)人員正在與客戶會(huì)面，討論如何將3M的創(chuàng)新發(fā)明融入他們的產(chǎn)品中。在我們繞著房間里27個(gè)演示臺(tái)（每個(gè)演示臺(tái)專門(mén)介紹3M的一種核心技術(shù)）走一圈時(shí)，擁有分析化學(xué)博士學(xué)位的吉斯-伯格丹對(duì)我說(shuō)道：“創(chuàng)新始于想象力，我們3M將想象力與協(xié)作溝通結(jié)合在一起，利用科學(xué)技術(shù)解決與日常生活息息相關(guān)的實(shí)際問(wèn)題?！?/p>

3M公司的工業(yè)膠粘劑和膠帶部門(mén)是其116年歷史上最大的部門(mén)，世界各地?fù)碛? 100多名員工，在10個(gè)國(guó)家設(shè)有研發(fā)中心，在26個(gè)國(guó)家建有生產(chǎn)制造工廠。黏合劑是3M產(chǎn)品中46種核心技術(shù)之一，由于黏合劑用于太多的應(yīng)用領(lǐng)域——從航空航天和汽車(chē)工業(yè)到醫(yī)療設(shè)備和電子產(chǎn)品，該公司已有超過(guò)3萬(wàn)種黏合劑產(chǎn)品，此外還有面對(duì)零售業(yè)和消費(fèi)者的便利貼（百事貼、即時(shí)貼）和思高膠帶。

3M的創(chuàng)新世界是一個(gè)不向公眾開(kāi)放的展示廳和游樂(lè)場(chǎng)，3M會(huì)邀請(qǐng)其客戶與科學(xué)家一起，在這里開(kāi)展頭腦風(fēng)暴，討論如何讓他們受益的各種技術(shù)?？蛻艨梢栽谶@里游玩、試驗(yàn)和發(fā)現(xiàn)，他們可以觀看演示、了解新的創(chuàng)新，并與3M專家一起嘗試解決某些問(wèn)題。這就是我的膠帶故事真正開(kāi)始的地方，當(dāng)我在黏合劑展示臺(tái)中間隨便逛著的時(shí)候，作為展覽主辦人之一的吉斯-伯格丹向我解釋了這里的創(chuàng)新游戲，比如明尼蘇達(dá)動(dòng)物園打電話來(lái)說(shuō)一條鯨魚(yú)受傷了，需要某種特殊的繃帶粘在它黏滑的嘴唇上，3M研究人員提出了一個(gè)解決方案，結(jié)果非常有效，并因其應(yīng)用價(jià)值和柔韌的特性而被納入了人體用繃帶的整個(gè)產(chǎn)品系列中。

黏合劑科學(xué)

為了了解更多關(guān)于黏合劑的科學(xué)知識(shí)，我采訪了公司研發(fā)領(lǐng)域的高級(jí)技術(shù)主管克里斯蒂娜·托馬斯（Cristina Thomas）。托馬斯擁有化學(xué)工程博士學(xué)位，但她認(rèn)為自己是一名聚合物物理學(xué)家，因?yàn)樗拇蟛糠旨夹g(shù)生涯都在從事計(jì)算材料模型化的研究。她說(shuō)：“我們周?chē)澜缡褂玫酿ず蟿┍任覀円庾R(shí)到的要多，因?yàn)槲覀兘?jīng)常需要把一些東西粘在某些表面上?！?托馬斯指著地毯、天花板和墻壁說(shuō)，我們現(xiàn)在所在的房間里的電子設(shè)備、顯示器內(nèi)部等都有黏合劑，甚至將微芯片固定在合適的位置也要用到黏合劑。通過(guò)貼在窗戶上的膠粘片和可伸縮的黏合劑可保持這幢建筑的能源效率。這些專用產(chǎn)品可以黏合到某個(gè)表面，去除后可以不留下任何殘余物質(zhì)。

黏合劑是一種能夠通過(guò)表面附著力將材料粘在一起的物質(zhì)，通常由聚合物制成。現(xiàn)代黏合劑可以使兩種物體天衣無(wú)縫地黏合在一起，而不會(huì)在基底材料上產(chǎn)生任何間隔，比如空穴。其工作原理是：人工創(chuàng)造出與分子自然結(jié)合力同樣強(qiáng)大的黏合力，將材料黏合在一起。

但正如3M公司聚合物黏合劑科學(xué)家安東尼·帕格里卡（Anthony Pagliuca）所說(shuō)的那樣，要做到這一點(diǎn)，黏合劑必須首先將基底材料“弄濕”，它必須具有流動(dòng)性并能均勻覆蓋在整個(gè)表面上，以使接觸面積最大化。液體將基底材料弄濕的程度取決于其表面能，而且要讓黏合劑更有效，它的表面能必須等于或低于基底材料的表面能，然后才能通過(guò)這兩種材料的氫鍵、機(jī)械聯(lián)鎖和化學(xué)鍵等的相互作用完成黏附。

3M的即時(shí)貼取代了傳統(tǒng)的訂書(shū)釘，是文具必備品之一

3M簡(jiǎn)史

1902年成立之初，3M公司是明尼蘇達(dá)礦業(yè)和制造公司名下的一家小規(guī)模采礦企業(yè)，創(chuàng)始人最初的目標(biāo)是在礦井里開(kāi)采某種礦產(chǎn)，結(jié)果證明該目標(biāo)既不可行也不可持續(xù)。為此他們研究了其他材料和產(chǎn)品，很快發(fā)現(xiàn)他們可以利用科學(xué)知識(shí)和工程技術(shù)開(kāi)發(fā)和改進(jìn)多個(gè)領(lǐng)域的產(chǎn)品。20世紀(jì)20年代開(kāi)發(fā)的早期產(chǎn)品包括最早的防水砂紙和遮蔽膠帶，最初的成功讓該公司對(duì)黏合劑和膠帶開(kāi)發(fā)產(chǎn)生了極大的興趣。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，3M公司已經(jīng)成為擁有9萬(wàn)人的大公司，開(kāi)發(fā)了在家庭、企業(yè)、學(xué)校、醫(yī)院等領(lǐng)域使用的6萬(wàn)種產(chǎn)品，涉及地球上的大多數(shù)行業(yè)。3M公司1/3的銷(xiāo)售產(chǎn)品來(lái)自過(guò)去5年發(fā)明的新產(chǎn)品。

3M特別出名的一款產(chǎn)品是隨處可見(jiàn)的即時(shí)貼，它的發(fā)現(xiàn)非常偶然。1968年，3M科學(xué)家斯賓塞·西爾弗（Spencer Siler）在實(shí)驗(yàn)室忙于研究黏合劑。在這個(gè)過(guò)程中，他發(fā)現(xiàn)了一種特殊的東西：一種可以黏附在物質(zhì)表面的黏合劑，但并沒(méi)有緊緊地粘在一起。西爾弗說(shuō)：“這是我作為研究人員開(kāi)發(fā)新黏合劑工作的一部分，當(dāng)時(shí)我們想要開(kāi)發(fā)更大、更強(qiáng)、更結(jié)實(shí)的黏合劑，而這個(gè)達(dá)不到這些要求?！?/p>

西爾弗發(fā)現(xiàn)的是一種叫作微球體的東西，它保留了粘性，但具有“可移動(dòng)性”，容易從附著的表面上脫落下來(lái)。他開(kāi)始與3M的其他科學(xué)家分享他的黏合劑發(fā)現(xiàn)，以找到這種黏合劑的潛在用途。將近6年后，另一位3M研究人員阿特·弗萊（Art Fry）發(fā)現(xiàn)，西爾弗的微球體可以作為一種書(shū)簽類(lèi)型的黏合劑，可以粘在紙上，也可以移走重新粘在其他地方。1977年，弗萊找到了制造這種黏合劑的辦法，并于1978年獲準(zhǔn)生產(chǎn)，這種被命名為即時(shí)貼（或便利貼）的產(chǎn)品于1980年正式在美國(guó)推出，1981年正式在歐洲和加拿大推出。

即時(shí)貼很快風(fēng)靡全球，3M公司繼續(xù)擴(kuò)大產(chǎn)品生產(chǎn)線，不久前又開(kāi)發(fā)了以植物原料為主的黏合劑。3M最近的里程碑包括：公司在2014年獲得了第10萬(wàn)項(xiàng)專利，2015年在明尼蘇達(dá)州的工業(yè)園區(qū)建立的最先進(jìn)的1.5億美元的研發(fā)實(shí)驗(yàn)室；但便利貼仍然是3M最令人矚目的產(chǎn)品和品牌之一。

在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，科學(xué)家考慮了三個(gè)因素。首先，要有一套黏附機(jī)制，如何黏附在不同表面上以及如何與這些表面產(chǎn)生相互作用；其次，科學(xué)家要對(duì)附著表面對(duì)黏合劑的作用力進(jìn)行鑒定和測(cè)試，這些力（如剪切力或剝落力等）都會(huì)對(duì)黏合劑的性能產(chǎn)生影響，并影響其完整性和功能；最后，黏合劑的耐久性，包括周?chē)h(huán)境對(duì)黏合劑有效性的影響等。

考慮到以上這些因素，知道如下觀點(diǎn)并不奇怪，即物理學(xué)在思考和設(shè)計(jì)有效黏合劑和膠帶方面起著很大作用。畢竟，黏合劑的基本力學(xué)性能必須進(jìn)行精確計(jì)算、測(cè)試和確定。事實(shí)上，在3M實(shí)驗(yàn)室有一整棟樓專門(mén)負(fù)責(zé)這項(xiàng)任務(wù)，里面擁有材料分析和處理所需要的各種設(shè)備。

弄清楚聚合物的流動(dòng)情況以及理解使用時(shí)和使用后的穩(wěn)定性是開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)和壓力敏感型黏合劑的重要方面。黏合劑會(huì)如何分布和黏附在某個(gè)表面上？黏附機(jī)制是什么？固化機(jī)制是什么？有些黏合劑在將兩個(gè)表面粘在一起時(shí)保持黏性，而另一些黏合劑則在固化時(shí)變成固體或泡沫狀。知道黏合劑的作用和它所操作的環(huán)境決定如下的方面：黏合劑在表面的分布情況、黏合劑和表面之間的化學(xué)鍵的強(qiáng)度。黏度和彈性也是黏合劑很重要的特性。需要專業(yè)的設(shè)計(jì)人員進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)，如設(shè)計(jì)大型工業(yè)系統(tǒng)的黏合劑存儲(chǔ)盒和噴射黏液的噴嘴等。

材料科學(xué)在配制黏合劑和和基底方面起著重要作用，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的不同，除了良好的粘結(jié)作用之外，黏合劑或膠帶還需要具有其他屬性。例如，3M公司制造了一種帶有特定光學(xué)性能用于路面標(biāo)線的膠帶，這種膠帶有一個(gè)分層結(jié)構(gòu)，這個(gè)分層結(jié)構(gòu)的一面與道路接觸，上層則嵌入許多反射光線的微粒，在各種環(huán)境條件下司機(jī)都可以看到清晰的路面標(biāo)記。托馬斯說(shuō)：“這種黏合劑通過(guò)附加的物理特性（光學(xué)機(jī)制）向駕駛員傳遞信息?！?/p>

此外，隨著膠合劑技術(shù)應(yīng)用到3M的許多產(chǎn)品中，黏合劑科學(xué)通常需要與其他技術(shù)結(jié)合起來(lái)。例如，3M借鑒了膠帶配方的某些技術(shù)，將該技術(shù)與交聯(lián)化學(xué)結(jié)合起來(lái)，創(chuàng)造出一種強(qiáng)大的水性膠黏劑。在某個(gè)項(xiàng)目中，3M的科學(xué)家將粘彈性泡沫與黏合劑一起注入，創(chuàng)造出一種用于汽車(chē)工業(yè)的理想粘接膠帶。他們還使用普通的彈性材料，開(kāi)發(fā)了一種專用的高強(qiáng)度模型，制造商可以用它們制造出更能耐受沖擊力的產(chǎn)品。同時(shí)，黏合劑專家還進(jìn)行了微復(fù)制技術(shù)的研究，這項(xiàng)技術(shù)是3M最大的科學(xué)資產(chǎn)之一。微復(fù)制過(guò)程包括熔化塑料小球，并將其擠壓成塑料薄膜，在表面上進(jìn)行微刻操作。每平方厘米上可以產(chǎn)生均勻排列的數(shù)千個(gè)特征的微刻，以改變表面的物理、光學(xué)和化學(xué)性質(zhì)。這項(xiàng)技術(shù)的一項(xiàng)應(yīng)用是制造路標(biāo)，薄膜通常粘在鋁質(zhì)基板上，成千上萬(wàn)的微小棱鏡將汽車(chē)前燈的燈光反射回司機(jī)處，讓道路上的標(biāo)志和標(biāo)記比以往更明亮。

黏合劑還必須能夠承受一系列的環(huán)境刺激，任何可能影響功能或持久性的問(wèn)題都必須加以解決。例如，暴露在水、石油、大氣化合物（如污染物以及許多其他的化學(xué)物質(zhì)和混合物）環(huán)境中的路面標(biāo)線和交通標(biāo)志，它們必須能堅(jiān)守在自己的“崗位”上，并持續(xù)承受各種沖擊力、震動(dòng)力和車(chē)輛的來(lái)往運(yùn)動(dòng)。另外，黏合劑還必須要能夠應(yīng)對(duì)壓力、溫度和其他各種變量的變化。

在3M的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室中，我遇到了阿倫·赫澤高（Aaron Hedegaard），研究各種黏度和彈性以量化其強(qiáng)度和黏性的化學(xué)工程師。他在旋轉(zhuǎn)流變儀上涂上一點(diǎn)某種黏合劑的樣本，然后測(cè)量它的硬度、消散系數(shù)以及對(duì)加熱和冷卻的反應(yīng)，甚至在低于明尼蘇達(dá)冬季通常氣溫的溫度條件。他說(shuō)：“我開(kāi)發(fā)了新的測(cè)試方法，而不僅是進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法，我正在試圖突破界限，進(jìn)行下一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試?！?/p>

3M黏合劑設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)策略（SEALS）

在為客戶設(shè)計(jì)黏合劑時(shí)，3M專家會(huì)就以下幾個(gè)方面的首字母縮寫(xiě)（SEALS）提出問(wèn)題：

基底材料（S: Substrate）：基底材料的性質(zhì)是什么？

環(huán)境因素（E:Environment）：黏合環(huán)境是什么？黏合環(huán)境會(huì)受到何種環(huán)境影響（內(nèi)/外環(huán)境、高/低溫度、化學(xué)品、鹽）？

具體應(yīng)用（A: Application）：產(chǎn)品用途是什么？膠粘劑的起效速度、持久時(shí)間等方面需要達(dá)到什么樣的應(yīng)用要求？

負(fù)載（L:Load）：不同類(lèi)型、大小和方向上黏合點(diǎn)的應(yīng)力是多少？

規(guī)模（S: Size）：就工業(yè)膠粘劑來(lái)說(shuō)，每月、每季度或每年能達(dá)到多大的生產(chǎn)能力？

3M的專家正在與客戶合作開(kāi)發(fā)理想的黏合劑

物理學(xué)上的突破

據(jù)托馬斯所說(shuō)，物理學(xué)上的突破已經(jīng)對(duì)3M的黏合劑開(kāi)發(fā)產(chǎn)生了令人興奮的影響。對(duì)于化學(xué)家來(lái)說(shuō)，聚合物是一種由重復(fù)小分子或單位組成的宏觀分子，但人們現(xiàn)在明白，這些長(zhǎng)分子可以看作近似的分子鏈，因此它們的行為可以用物理學(xué)的統(tǒng)計(jì)方法來(lái)進(jìn)行探索和解釋。

托馬斯說(shuō)：“我們可以用簡(jiǎn)化的模型來(lái)處理聚合物，在這種模型中，分子由單個(gè)單位或取代原子群的微粒來(lái)表示?！比缓罄梦锢碓韺?duì)黏附聚合物中的大分子進(jìn)行研究，使科學(xué)家能夠理解它們?cè)谔囟l件下的行為?！爱?dāng)我對(duì)聚合系統(tǒng)進(jìn)行相位分離時(shí)，其行為與我分離較小分子的行為不同，這是黏合劑科學(xué)領(lǐng)域的真正進(jìn)展?！?/p>

根據(jù)溫度的不同，有些黏合劑的表現(xiàn)如玻璃（固體狀），有些像橡膠（流體狀），所以托馬斯和她的團(tuán)隊(duì)會(huì)從復(fù)雜的系統(tǒng)中汲取靈感和知識(shí)。當(dāng)你用“化學(xué)黏合方法”開(kāi)發(fā)某種黏合劑，目的是將其轉(zhuǎn)化為固體時(shí)，黏合劑就會(huì)經(jīng)歷化學(xué)反應(yīng)，一旦固化，它就能提供耐高強(qiáng)度、耐高溫、耐潮濕或耐化學(xué)暴露的能力。通過(guò)光、熱或其他機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)黏合也可提高黏合劑的性能，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致形成一種像玻璃聚合物一樣的黏性網(wǎng)狀物。

但是，僅僅因?yàn)轲ず蟿┻\(yùn)用了大量的物理學(xué)原理，并不意味著3M的科學(xué)家就會(huì)被它所束縛。在3M的創(chuàng)新世界里，吉斯-伯格丹向我展示了多層光學(xué)薄膜：一種用于某種特種膠帶的銀色反光薄膜。她解釋說(shuō)：“如果你傾斜一個(gè)反射面，就會(huì)存在某個(gè)不再反射的角度，這個(gè)角度被稱為布魯斯特角。多層光學(xué)薄膜不存在這樣一個(gè)布魯斯特角，它在任何角度都可以反射。”這種薄膜用來(lái)在建筑物中制造采光井，由于布魯斯特角不再是需要考慮的因素，薄膜可以安置在彎曲處。例如，可以用于從手機(jī)到電視等電子設(shè)備上，以節(jié)省能源，還可以用在拋物面鏡上，將光線導(dǎo)引到太陽(yáng)能電池上。這是吉斯-伯格丹準(zhǔn)備在創(chuàng)新世界中展示的眾多產(chǎn)品之一。她開(kāi)玩笑地說(shuō)道：“你能說(shuō)多久可以戰(zhàn)勝物理定律嗎？ 我們做到了，我們打破了布魯斯特角這一物理規(guī)律?！?/p>

3M創(chuàng)新中心讓我得以一窺黏合劑的神奇世界，在我離開(kāi)的時(shí)候，我獲得的關(guān)鍵信息是黏合劑無(wú)處不在，并且正在不斷擴(kuò)大它們的覆蓋范圍、強(qiáng)度和多樣性用途。托馬斯說(shuō)：“我們每天看到的許多東西里都有黏合劑，或使用了黏附科學(xué)的成果，在這背后有很多對(duì)基本物理學(xué)的理解。 即使是我們?nèi)粘Ｉ钪性缫颜J(rèn)為理所當(dāng)然的事情，比如道路上的標(biāo)記，也需要用到黏合劑。”大量好的黏合劑發(fā)揮著如下功能：讓卡車(chē)反復(fù)輾壓的路面標(biāo)志、可重復(fù)使用的便利貼、粘貼在脆弱敏感皮膚上的醫(yī)用膠帶等，還有覆蓋了全球范圍的黏合劑和膠帶的其他各種實(shí)際應(yīng)用。