為什麼有的粘合劑由兩個部分組成?
說到膠或者粘合劑,大家首先想到的多半是裝在小瓶子里的膠水,用的時候倒一點出來塗在要粘合的物體上即可。然而也有一些粘合劑是分別裝在兩個容器中,在使用之前必須把兩個部分混合均勻,否則就無法發揮作用。這樣的粘合劑就是俗稱的AB膠。
(圖片來源:http://www.directindustry.com/prod/panacol-elosol-gmbh/product-38500-1550817.html)
比起普通的粘合劑,AB膠在形式上要複雜得多,使用起來也更麻煩。那麼我們為什麼要開發這一類粘合劑,它們又有什麼獨到之處呢?
在前面我們提到,一種粘合劑要想牢固粘住物體,順利完成固化是很關鍵的一步,而最簡單的實現固化的方法就是將高分子材料溶解在溶劑中,將溶液塗在待粘合的物體表面,然後讓溶劑揮發。然而這種方法也存在很明顯的弊端,那就是大量溶劑揮發到空氣中後,對環境和使用者的健康都可能會帶來負面影響。
那麼能不能不依賴溶劑完成固化過程呢?我們知道,高分子材料一般是通過許許多多的小分子互相之間發生聚合反應得到的,例如聚氨酯這一類高分子材料經常被用於粘合劑,它是由兩種小分子化合物——二元醇和二異氰酸酯反應得到的。
形成聚氨酯的化學反應
許多二元醇和二異氰酸酯在室溫下都是液體,但反應之後得到的聚氨酯卻是強度很高的固體。不難看出,如果原本處於液態的化合物在塗到要粘合的物體表面後能夠發生聚合反應形成高分子,那麼無需溶劑揮發,我們同樣可以實現膠的固化。很顯然,在這種固化過程中,原先存在於膠中的分子一個不留地全部進入到高分子中,而不會揮發到空氣中,揮發性有機物可能造成的環境和健康問題自然迎刃而解。
可是隨之而來的就有一個難題:這樣的粘合劑如何生產和儲存?二元醇和二異氰酸酯相互之間非常容易發生反應,如果把它們直接放到一個瓶子里,等產品送到顧客手上,瓶子里的液體早就變成一坨堅硬的固體,沒法使用了。
當然,我們可以選擇一些反應活性沒有那麼強的反應物,在室溫下,它們即便混合在一起也可以在相當長時間內「和平共處」,只有溫度升高到一定程度彼此之間才會發生聚合反應。這不失為解決問題的一個方法,而事實上許多粘合劑也確實是這樣做的。但這意味著使用者往往需要額外購置烘箱、電吹風等加熱設備,而且許多要粘合的材料不能耐受很高的溫度,在高溫下粘合劑雖然順利固化,物體本身卻完蛋了,這可不是我們想要的結果。因此這種方法存在著一定的局限性。
另一個辦法則是分別將兩種反應物儲存在不同的容器中,在使用前它們沒有機會見面,自然可以長時間保持穩定。當需要粘合物體時,我們只要把它們混合,再塗到物體表面,不需要加熱,粘合劑很快就可以固化,從而將兩個物體牢固連接起來。這就是為什麼許多粘合劑要做成AB膠的形式,除了聚氨酯,還有許多不同的聚合反應可以被用於AB膠的固化,例如環氧膠就是另一種常見的AB膠。
一種環氧樹脂AB膠 (圖片來源http://www.tools4flooring.com/johnsonite-996-two-part-epoxy-adhesive-gallon.html)
不過,AB膠雖然不需要加熱就可以完成固化,使用起來卻也有另外一些不便之處。首先,兩個組分的比例一定要合適。例如前面提到的聚氨酯,理想的反應條件下,二元醇和二異氰酸酯的分子個數一定是一比一。在這種條件下,每個二元醇分子可以同時和兩個二異氰酸酯分子反應,而兩個二異氰酸酯分子也同時可以和兩個二元醇分子反應,這樣的結果就是兩種分子不斷拉起手來,變成分子量巨大的聚氨酯。
相反,如果兩種分子的比例變成二比一,例如二元醇的分子個數較多,那麼二者相遇後,二異氰酸酯很快就會被消耗殆盡,反應無法產生高分子化合物,只能得到一些沒有任何強度的小分子。這樣的反應產物幾乎沒有任何機械強度,無法將兩個物體粘合在一起。因此,在使用AB膠時,按照比例準確稱量兩個組分是非常關鍵的。通常廠家都會在產品包裝上或者說明書中註明兩個組分需要按照什麼樣的比例混合。
但按照比例稱量兩個組分還只是成功的一半,我們還必須把兩個組分均勻混合,這樣它們才能充分發生反應。如果兩個組分混合得不好,固化同樣不能順利進行,固化後的粘合劑也不會有很好的強度。
很多時候,AB膠的使用者既沒有條件準確稱量兩個組分,也很難保證兩個組分的充分混合。因此,為了保證AB膠的使用效果並且給用戶提供便利,生產廠家往往會採用特殊的包裝和施膠設備。一種常見的方法是將兩個組分分別儲存在側面連在一起的兩個圓筒中,在使用時,將連體筒安放到手動、電動或者氣動的膠槍中,再將一個特製的噴嘴與連體筒的開口相連,隨著使用者操作膠槍,兩個組分就會按照一定的比例同時從筒中被擠出,在噴嘴中混合均勻。這樣既可以讓兩個組分之間的比例合適,又能讓它們得到充分混合,從而保證了固化後膠的強度。對於用量較大的工廠,我們還可以使用全自動的設備來混合并施加AB膠。
AB膠常見的使用方式是事先將兩個部分儲存在連體的筒中,使用時兩部分通過特製的噴嘴共同擠出,保證了兩部分能夠以指定的比例混合均勻 (圖片來源:http://us.henkel-adhesives-blog.com/post/LED-Assembly-Solutions/Dispensing-2-Component-Adhesives-LED-Assembly/)
既然AB膠使用起來這麼麻煩,為什麼它們在很多時候還深受歡迎呢?除了前面提到的可以不使用溶劑,能夠避免揮發性有機物帶來的健康和環境隱患,還有一個重要的原因是這種方法可以打造更為強勁的粘合劑。
仍然以聚氨酯為例,剛才我們提到,它是由二元醇和二異氰酸酯反應而來。所謂二元醇,就是同一個分子中具有兩個醇的結構(即羥基),這樣反應得到的產物通常稱為線性聚合物,因為分子像是一根根長長的鏈條,沒有任何分支。
但實際上我們完全可以把二元醇替換成多元醇,也就是一個分子中含有三個或者更多醇結構的化合物。這樣反應得到的產物就不再是線性聚合物,而是三維的網狀結構。網狀結構通常具有比線性聚合物更高的機械強度,因此更受粘合劑使用者的青睞。
然而網狀結構的形成也就意味著所有的分子都通過化學鍵被牢固連接到一起,不再能夠分散到溶劑分子中去,也就說不再能夠被溶解。這意味著我們無法通過溶劑揮發的辦法來得到一個網狀結構,但如果採用AB膠的形式,由於固化是通過小分子不斷反應來完成的,並不依賴於溶液,因此可以輕而易舉地得到網狀結構。這就是為什麼很多時候我們必須依賴於AB膠。
有的朋友可能會說,AB膠確實很好,但我還是覺得使用起來太麻煩。有沒有可能只依靠一種組分,不需要溶劑,也不需要加熱,在室溫下就能完成膠的固化呢?辦法確實是有的,接下來我們就來了解另外幾種選擇。
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