黏附

在所有關(guān)于涂料的討論中，我遺漏了一些重要的東西——任何黏合材料（如涂層、油漆或膠水）實(shí)際附著在物體表面的機(jī)制。換句話說，到底什么是黏附力？我們?nèi)绾尾拍軠?zhǔn)確地定義一個(gè)東西有多“黏”？

這些問題的答案取決于你問的是誰。對化學(xué)家來說，用能量來描述附著力可能是最好的。對物理學(xué)家或工程師來說，黏附力與力相關(guān)。這兩種觀點(diǎn)都正確，因?yàn)閺母旧现v，黏附力指的是不同材料分子間的吸引力。而黏附力的強(qiáng)度通常由分離它們所需的努力或工作來定義：要么是能量的多少，要么是拆開連接所需的最大力量。

很多人把自己的職業(yè)生涯投入對黏附力的研究中。全球黏合劑產(chǎn)業(yè)規(guī)模巨大，2018年，它的經(jīng)濟(jì)價(jià)值已達(dá)450億美元。因此，試圖用幾頁紙來總結(jié)它并不是明智的做法。不管怎樣，讓我們先從基礎(chǔ)知識開始，了解材料之間的聯(lián)系可能是什么樣的。設(shè)想一種通用的人造接合面：一滴不知名的液體停留在一塊干凈的固體材料上。一般來說，這些材料的相互作用方式可能有三到四種：

首先是化學(xué)層面的。如果黏合劑和物體表面之間形成了分子鍵，那么兩者便是以化學(xué)方式相互作用的。在涂料中，這種黏附力是由顏料顆粒周圍的黏合劑分子促成的。它們與物體表面的分子發(fā)生反應(yīng)，相互分享和借用電子，然后在二者的接合面上形成新的化合物。這與一個(gè)被稱為“吸附”的過程有關(guān)，即黏合劑需要“潤濕”表面（我們稍后會詳細(xì)介紹這一點(diǎn)）。

然后是物理層面的。沒有任何固體材料是真正光滑的。即便是高度拋光的玻璃片，在微觀尺度下也是峰谷交錯(cuò)。從理論上說，如果液體可以流進(jìn)這些不平之地，它就可以與物體表面進(jìn)行特別親密的接觸。液體和固體之間實(shí)際上沒有發(fā)生反應(yīng)。這種被稱為“連鎖”的連接是物理現(xiàn)象，而不是化學(xué)現(xiàn)象。液體附著物體表面的方式類似于攀巖者將手指伸進(jìn)山體的縫隙。這種機(jī)制就是涂料制造商建議在涂刷墻壁或木制家具之前用砂紙將它們打磨粗糙的原因：這樣才能為物體表面增加更多的崎嶇。粗糙度被廣泛認(rèn)為是一種屏障，可以防止物體表面和涂層之間開裂。

然而，這種機(jī)制的重要性很可能取決于產(chǎn)品的用途。涂料是一種涂層，是一種應(yīng)用于固體表面的液體，它會在表面干燥或固化。相比之下，黏合劑是用來把東西連接在一起的——相當(dāng)于三明治中的“肉”，而不是最上面的面包。如果你試圖用液體黏合劑來黏合兩種材料，其粗糙度未必會促成材料之間的連鎖。凱文·肯德爾（Kevin Kendall）[12]教授是黏附科學(xué)領(lǐng)域的大人物，他寫了一部名為《黏性宇宙》（The Sticky Universe）的著作。關(guān)于粗糙度，他在書中描述道：“在制造或連接的過程中，它總是與你作對。”他還證明了在某些情況下，增加表面粗糙度可能會大幅降低兩種材料之間的黏附力。

但無論是抹膠還是刷涂料，大家似乎都認(rèn)為粗糙的表面有一定好處。在打磨或者刮擦材料的過程中，你間接地清潔了它。通過去除油跡、污漬和其他隨時(shí)間積累的污物，你改變了其表面的化學(xué)特性。干凈的表面總是比被污染的表面有更好的黏附力，無論其接合面有多粗糙。因此，粗糙度對黏附力來說并不是無關(guān)緊要，只不過它不是唯一重要的因素。

為了理解擴(kuò)散，也就是第三種液固接合面相互作用的方式，我請教了英國皇家化學(xué)學(xué)會會員、黏合劑專家史蒂文·阿博特（Steven Abbott）教授。他擁有數(shù)十年從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，非常熟悉黏合劑和涂層的各種要求。[13]在一通漫長的清晨電話中，他解釋說，黏附形式的重要程度取決于產(chǎn)品的具體功能。

擴(kuò)散通常只發(fā)生在固體是聚合物的情況下，但這并不意味著它是罕見的。聚合物無處不在，無論是在自然界（橡膠、絲綢、纖維素）還是在工業(yè)世界（尼龍、硅膠和特氟龍）。定義某物是否為聚合物主要從結(jié)構(gòu)來判斷：其分子呈重復(fù)的長鏈。在這種黏附方式中，分子之間的結(jié)合不如在接合面上相互糾纏（就像兩盤煮熟的意大利面條被攪成了一鍋）的那么多。在油漆和涂料行業(yè)，擴(kuò)散被視為一種罕見的黏附方式，幾乎不會得到實(shí)際應(yīng)用。但阿博特說，它在黏合劑中發(fā)揮著重要作用。

人們忽視了擴(kuò)散的重要性，因?yàn)樗麄児淌刂髩K聚合物不能混合的想法。但他們忘了，50年前，一位名叫尤金·赫爾方（Eugene Helfand）的科學(xué)家證明了聚合物在接合面上遵循著非常獨(dú)特的熱力學(xué)規(guī)則。在那里，你可以很容易地發(fā)現(xiàn)在納米層面相互糾纏的物質(zhì)，而這往往足以讓材料之間形成強(qiáng)大的連接。

按照全球黏性產(chǎn)品巨頭3M公司的說法，還有第四種黏附方式：靜電相互作用。該公司負(fù)責(zé)人表示，如果你曾經(jīng)看到過一張紙?jiān)谀銣?zhǔn)備為其貼上膠帶之前飄走了，那么你已經(jīng)體驗(yàn)了這一效果。但我認(rèn)為，當(dāng)你把膠帶拉開時(shí)，帶電粒子在膠帶上堆積產(chǎn)生的吸引力并不是讓膠帶粘在物體表面的原因。是的，它有助于將材料吸引到一起，但這并不是二者保持貼緊狀態(tài)的原因。所以，我有點(diǎn)猶豫是否可以把靜電學(xué)視為一種“黏附模型”。也許這種混淆是由于在緊密排列的原子之間存在一種相關(guān)的吸引力：范德瓦耳斯力。它通常與靜電相互作用歸為一類，盡管二者有著細(xì)微的不同。這些原子間微小的力確實(shí)在黏附過程中起了作用，但正如我們將在第2章中發(fā)現(xiàn)的那樣，將這種力利用到極致的并不是人類。

這些方式本身都不能完全解釋黏附力。對于任何給定的黏合產(chǎn)品，我們幾乎都無從確定到底是哪一種（或幾種）方式在起作用。正如黏合劑與密封膠生產(chǎn)商波士膠（Bostik）新西蘭公司首席化學(xué)研究員莫妮克·帕斯勒（Monique Parsler）告訴我的：“每一種黏合劑的工作原理都不同。”[14]還有其他因素在起作用，比如黏聚力，也就是液體與自身黏合的能力。你可以把它想象成一種內(nèi)在的力，來自相似分子間形成的鍵。涂料或黏合劑要經(jīng)久耐用，需要同時(shí)具備良好的黏聚力和黏附力，若其中任何一方不合格，產(chǎn)品也就不合格。涂料的黏聚力若不合格，看起來就像被剝?nèi)チ祟伾谋∧ぃじ搅θ舨缓细瘢瑒t會使涂層從物體表面上脫落。無論哪種情況，我們都得重新噴涂涂料。