為什么萬能膠能夠在瞬間粘住物體？

撰文 | 魏昕宇（材料學(xué)博士）

1951年的一天，美國伊斯曼柯達公司的兩位研發(fā)人員打算測量一種名為氰基丙烯酸乙酯的液體的折射率。這個任務(wù)通常是通過阿貝折射儀來完成的，按照操作流程，他們需要將薄薄的一層液體夾在兩塊棱鏡中間，然后讀取折射率數(shù)值。然而測量結(jié)束后，他們卻驚訝地發(fā)現(xiàn)，兩塊棱鏡被牢固地粘在一起無法分開了 [1] 。兩位研究人員向上司匯報了這次事故，然后忐忑不安地等待上司責(zé)怪他們損壞了昂貴的儀器。然而他們的上司不僅絲毫沒有責(zé)怪他們，反而異常興奮，因為他意識到，一種全新的粘合劑即將誕生，它就是日后深受歡迎的萬能膠 [2]。

那么萬能膠為什么能夠在如此短的時間內(nèi)將物體粘住呢？這是因為氰基丙烯酸乙酯的化學(xué)性質(zhì)極其活潑，只要遇到水，它們就可以非常迅速地發(fā)生聚合反應(yīng)，變成固態(tài)的聚氰基丙烯酸乙酯，從而將兩個物體牢牢連接起來。我們周圍的環(huán)境看似干燥，實際上總是有一定的水氣，要粘合的物體表面通常也有微量的水分存在，而這很少的一點水就足以讓氰基丙烯酸乙酯完成聚合反應(yīng)。

萬能膠的固化機理

實際上除了氰基丙烯酸乙酯，苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯等化合物都可以發(fā)生聚合反應(yīng)，得到我們熟知的聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯等高分子材料，而且這些聚合反應(yīng)通常速度也不慢，那么為什么唯獨氰基丙烯酸乙酯獨具魅力呢？

這是因為這些化合物雖然也可以發(fā)生聚合反應(yīng)，但化學(xué)性質(zhì)沒有氰基丙烯酸乙酯那么活潑，不能被水引發(fā)。我們要想利用它們來開發(fā)粘合劑，就必須要額外添加其他的化學(xué)物質(zhì)（引發(fā)劑）來引發(fā)聚合反應(yīng)，而這往往帶來一些難題。有的化合物性質(zhì)非常活潑，在室溫下就可以讓聚合反應(yīng)快速地進行。這樣的化合物只能與引發(fā)劑分開儲存，萬萬不可放在同一個容器里，否則生產(chǎn)出來的粘合劑還沒等送到顧客手上，就已經(jīng)變成一坨堅硬的固體，沒法使用了。還有一些化合物需要在較高的溫度下才會引發(fā)聚合反應(yīng)，所以常溫下我們可以放心地把它和粘合劑的其他組分放在一起，然而顧客在使用的時候也必須對待粘合的物體進行加熱，使用起來并不是很方便。另外一種解決方案就是前面提到的光固化粘合劑：某些化合物在通常狀況下很穩(wěn)定，但是一旦經(jīng)過特定波長的光的照射就會迅速引發(fā)聚合反應(yīng)。這樣顧客在使用的時候不需要預(yù)先混合兩個組分，也不需要對要粘合的物體進行加熱，但需要配備紫外燈等專門的光源設(shè)備，而且也無法用這樣的粘合劑粘合不透明的物體，很多時候也不是那么方便。

因此，萬能膠之所以深受歡迎，不僅由于它固化速度很快，還由于它形式簡單，使用起來非常方便。我們不需要預(yù)先混合兩個組分，不需要加熱，也不需要提供光照，只要將它從瓶子里倒出來涂到要粘合的物體表面，然后把兩個物體緊密壓在一起，等上最多一兩分鐘就好了。因此萬能膠特別受到普通消費者的青睞，對于時不時要使用粘合劑來修補物體或者制作一些簡單的手工，但又不愿意或者不方便配備膠槍、高溫烘箱或者紫外燈這樣的專業(yè)設(shè)備的普通人來說，萬能膠無疑是最好的選擇。即便是在大型的生產(chǎn)線上，萬能膠也能給使用者帶來很大的便利。另外，氰基丙烯酸乙酯能夠粘合許多不同類型的材料，這也是它被冠以萬能膠的美稱的一個重要原因。

有的朋友可能要問，既然水能夠引發(fā)氰基丙烯酸乙酯的聚合反應(yīng)，而微量的水氣在環(huán)境中又無處不在，為什么裝在瓶子里的萬能膠能夠保持穩(wěn)定而不會固化呢？這是因為萬能膠在生產(chǎn)過程中通常會加入少量的酸性物質(zhì)，它們能夠防止氰基丙烯酸乙酯發(fā)生聚合反應(yīng)。實際上氰基丙烯酸乙酯早在上世紀(jì)40年代就被合成出來，但人們一開始并沒有發(fā)現(xiàn)它具有瞬間粘住物體的能力，很可能是因為最初得到的氰基丙烯酸乙酯不夠純凈，其中含有的雜質(zhì)阻礙了聚合反應(yīng)的發(fā)生 [3]。

另外，水氣雖然無處不在，但它們?nèi)菀捉佑|到氰基丙烯酸乙酯的表面卻很難滲入內(nèi)部。這也是氰基丙烯酸乙酯能夠迅速粘住物體，在容器中卻可以保持穩(wěn)定的一個重要原因。不過即便如此，如果放任氰基丙烯酸乙酯與水氣接觸，它仍然會逐漸發(fā)生聚合反應(yīng)而失去使用的價值。因此，買來的萬能膠如果一次用不完，一定要將容器的蓋子蓋緊，防止水氣進入。

除了萬能膠，還有一些其他類型的粘合劑也是通過環(huán)境中的水分來完成固化的，家庭裝修中常用的硅酮密封膠就是一個典型的例子。這些密封膠中的硅酮本來以液體的形式存在，一旦暴露在空氣中，在水氣的幫助下，硅酮分子之間會通過化學(xué)反應(yīng)連接起來，最終形成固體，將縫隙牢牢地堵住。

前一段時間鬧得沸沸揚揚的“毒跑道”事件則涉及到了另一個通過水氣固化的典型例子——單組份聚氨酯粘合劑。在前面我們提到，聚氨酯粘合劑通常是做成AB膠的形式，這是由于合成聚氨酯的兩種原料二元醇和二異氰酸酯“勢同水火”，彼此接觸后很容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，無法穩(wěn)定存在于同一容器中。那么單組份聚氨酯粘合劑是怎么回事呢？其中的奧秘在于二異氰酸酯獨特的化學(xué)性質(zhì)。

從上面這個化學(xué)反應(yīng)式不難看出，要想得到聚氨酯，二元醇和二異氰酸酯的分子個數(shù)之比應(yīng)該是1：1，這樣反應(yīng)才能不斷持續(xù)下去。如果二異氰酸酯的分子遠遠多于二元醇，那么當(dāng)二元醇被消耗殆盡后，反應(yīng)就會終止，因為二異氰酸酯彼此之間無法發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

然而環(huán)境中如果有水氣存在，本已停滯的化學(xué)反應(yīng)又繼續(xù)向前進行了。這是因為水氣可以與二異氰酸酯發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將一部分異氰酸酯轉(zhuǎn)化為胺，同時釋放出二氧化碳，而胺可以與剩下的二異氰酸酯繼續(xù)反應(yīng)。利用這一反應(yīng)，我們可以在聚氨酯的生產(chǎn)過程中讓二異氰酸酯適當(dāng)過量，這樣得到的聚氨酯分子量不高，仍然是液體。把這些液態(tài)的聚氨酯覆蓋到待粘合的物體表面后，環(huán)境中的水分會推動反應(yīng)繼續(xù)進行，從而得到堅硬的固體。利用這一方法得到的單組份聚氨酯粘合劑使用起來非常方便，除了被用于在塑膠跑道中粘合橡膠顆粒，還被廣泛用于建筑和室內(nèi)裝修。另外，由于反應(yīng)過程中有二氧化碳氣體放出，因此異氰酸酯的這一反應(yīng)還被廣泛用于生產(chǎn)聚氨酯泡沫。我們生活中用到的床墊、汽車坐墊，以及用于建筑隔熱的泡沫，很多都是用這種方法得到的。

單組份聚氨酯粘合劑的固化機理

同萬能膠一樣，硅酮密封膠和單組份聚氨酯粘合劑由于借助環(huán)境中的水氣完成固化，因此可以用非常簡便的單組份形式生產(chǎn)，使用起來也非常方便，不需要額外的設(shè)備。不過這兩類粘合劑的固化速度要比萬能膠慢得多，因此在實際應(yīng)用中受到一定的限制，但在林林總總的粘合劑市場中也分別占有一席之地。

一種用于粘合地板的單組份聚氨酯粘合劑[4]

參考文獻和注釋

[1] John T. O’Connor, “Sticking with Winners”, ChemTech, 1994, 24, 51

[2] 實際上萬能膠雖然能夠迅速粘合玻璃，但粘合的強度會隨著時間推移而逐漸降低，因此通常不推薦用萬能膠粘合玻璃

[3] H. W. Coover, D. W. Dreifus, J. T. O’ Connor, “Cyanoacrylate Adhesives”, 收錄于Irving Skeist主編的Handbook of Adhesives一書 （Springer出版社2012年出版）

[4] http://www.homedepot.com/p/Roberts-4-Gal-Wood-and-Bamboo-Flooring-Urethane-Adhesive-R1509-4-8P/202935481?cm_mmc=Shopping%7cTHD%7cG%7c0%7cG-BASE-PLA-D23-Hardwood%7c&gclid=CjwKEAiA9s_BBRCL3ZKWsfblgS8SJACbST7D_Y21u92mkiqB-mULckvD7CFL80MKMibYzszuWMUI7xoCaU7w_wcB&gclsrc=aw.ds