撕出石墨烯的胶带,究竟有何奥妙(中)

更新时间:2019年09月16日 23:03????来源:科学公园????手机版我要报错

文 | 魏昕宇

上接《撕出石墨烯的胶带,究竟有何奥妙(上)》

二、这种液体不寻常

介绍到这里,相信你已经理解了压敏胶带是如何粘住物体的:当我们将压敏胶带贴到物体表面并用力按压时,胶带表面处于液态的高分子化合物的剪切速率增大,黏度下降,流动性增强,可以充分接触待黏合的物体表面。而黏合完毕后,胶带本身的重力不足以提供较高的剪切速率,高分子的黏度急剧增加到流动几乎可以忽略不计的程度,因此胶带就可以牢固地贴在物体表面。

当然,即便在较低的剪切速率下,假以时日,液态的高分子仍然可以流动,从而导致胶带逐渐粘不牢。要想解决这个问题,最简单的办法是在高分子材料中引入一定程度的化学或者物理交联。这样一来,胶带从整体上失去了流动的能力,但是从局部上看,位于交联点之间的分子链条仍然具有流动的能力,因此依然能够让胶带与被黏合的物体表面充分接触。事实上,天然橡胶除了用于制造轮胎,也曾经是生产压敏胶带的重要原材料。不过近些年来,各种合成材料异军突起,终结了天然橡胶在压敏胶带领域一家独大的局面。

了解了压敏胶带的特点,我们也就不难理解为什么压敏胶带往往比较容易从被黏合的物体表面剥离下来而不留痕迹。当被黏合的两个物体在外力作用下重新被分开时,通常都是整个物件相对最薄弱的地方遭到了破坏。很多时候固化后的黏合剂本身的强度要弱于物体,因此断裂首先发生在这里,断裂后的两个物体表面都会残留一些黏合剂。还有的时候,黏合剂与其中某个物体接触的地方首先撑不住,断裂发生后,一个物体的表面会被黏合剂所覆盖,另一个物体的表面则比较干净。如果两个物体的黏合只是暂时性的,过了一段时间还要把它们分开,那么后一种断裂方式显然是我们更希望看到的,因为它保证了至少一个物体的表面的洁净。

当我们用压敏胶带去黏合物体时,虽然剪切稀化效应的存在使得覆盖在胶带上的高分子材料的黏度降低,但其流动性恐怕还是比不上溶液型黏合剂、光固化胶或者502 胶等黏度更低的黏合剂,覆盖固体表面的能力自然不如后者。因此,用压敏胶带黏合的物体,胶带与物体的界面往往要比胶本身薄弱得多,因此,常常不需要用很大的力气就可以让断裂在界面处发生,从而使得胶带干干净净地从物体表面剥离。相反,用前面介绍的几种胶黏合的物体,固化后的黏合剂与物体的界面并不一定比黏合剂本身更易断裂,因此当我们把被黏合的物体分开时,很难保证物体表面没有黏合剂的残留。

黏合被破坏时可能出现的几种情况

(a)黏合剂本身发生断裂;(b)黏合剂与物体的界面发生断裂;(c)被黏合的物体发生断裂

当然,这种比较只是一般性的描述,并不意味着压敏胶带就不能很牢固地粘住物体,也不意味着粘在物体表面的压敏胶带一定就可以很容易且干净地撕下来。用于包装的很多压敏胶带强度就相当高,用它们封装的纸箱可以承受相当的重量。当我们用力去撕胶带时,往往会发生另一种断裂的情形,那就是胶带与纸箱表面的连接没有被破坏,反倒是纸板自身先挺不住了。于是撕下来的胶带上就沾满了碎纸片,而纸箱也像是被扒了一层皮。如果你希望重复利用纸箱和胶带,这种情况肯定很令你头疼,不过海姆和诺沃肖洛夫这两位天才却成功利用这一现象打断了石墨片层之间的连接,得到了石墨烯,把坏事变成了好事。

不过细心的朋友可能会问这样一个问题:当我们从物体表面撕下胶带时,为什么发生断裂的是胶与物体之间的界面,而不是胶与基材之间的界面呢?这就涉及压敏胶带的生产过程了。

三、胶带是如何生产出来的?

刚才我们提到,所谓胶带就是覆盖有胶的基材。对于压敏胶带来说,胶与基材之间的界面是相当重要的一个组成部分。当我们从物体表面撕下压敏胶带时,通常是希望撕掉胶带后的物体表面能够洁净如初,但如果胶与基材的界面不够牢固,剥离胶带时,胶就有可能与基材脱离,留在物体表面,从而前功尽弃。

那么如何让胶和基材牢固连接在一起呢?覆盖在基材表面的胶相当于一层涂层,因此如果我们复习一下前面提到的涂层形成的机制就会意识到,必须保证胶能够浸润基材的表面。对于纸这样表面能较高、容易被液体浸润的基材,这不难做到,但如果选择表面能较低的塑料作为基材,有些时候就必须对基材表面进行适当的处理,提高基材的表面能。

不过即便基材表面的性质合适,如果直接把室温下处于液态的高分子涂在基材表面,它们虽然在较高的剪切速率下能够顺利地流动,但是仍然不足以让胶与基材表面在短时间内形成充分的接触,难以在两者之间建立牢固连接。因此,需要在生产胶带过程中设法降低胶的黏度,让它更快地覆盖基材的表面。而做到这一点也不难,只需要将前文中介绍过的黏合剂和涂料固化的方法照搬过来就好了。例如,我们可以将高分子材料溶于有机溶剂或者分散在水中,将溶液涂在基材表面,待溶剂挥发后,一层均匀的胶就形成了;我们也可以将单体先涂到基材表面,然后施加光照让将单体转化为高分子材料;对于像热塑弹性体这样的材料,还可以采取类似热熔胶的方法,即通过升高温度来让它更容易流动。从这个角度看,压敏胶带虽然在使用时无须固化,生产过程中仍然需要固化这一阶段。

好了,现在我们选择了合适的基材,也把胶牢固地覆盖在了基材的表面,胶带的生产是否就万事大吉了呢?当然不行。如果直接让这样的胶带出厂,就相当于将溶液型的黏合剂放在敞口容器里储存,或者将光固化胶放在透明容器里任凭紫外线的照射,等产品送到顾客手上时,裸露的胶的表面很可能要么吸附了许多尘埃,要么粘上了别的物体,要么两块胶带自己粘在一起,总之产品多半已经废掉了。因此,在出厂前,胶带表面必须再施加一层起保护作用的薄膜,或者直接将它盘绕成卷,让这一层胶带的胶直接贴在上一层胶带的背面。

有了保护层,胶带在储存过程中不会粘住别的物体,但是需要使用的时候,保护层岂不是也很难与胶带分开?这个问题解决起来也不难。我们前面提到,黏合剂要想粘住物体,要能浸润物体表面。反过来,如果我们不想让黏合剂与物体之间粘的很牢,就需要设法让它不能浸润物体表面,这可以通过在物体表面施加特殊的涂层从而降低表面能来实现。例如前文介绍过的硅酮,覆盖在物体表面后能够有效地降低物体的表面能。用这种方法处理过的保护层,只需要轻轻一撕就能够顺利与胶带分离,丝毫不影响正常使用。

看完上面的介绍,你或许会惊讶,原来看上去毫不起眼的一卷压敏胶带,竟然暗藏了这么多的玄机。确实,胶带的生产看似简单,其实需要众多原材料和一系列复杂加工工序的密切配合才能得到性能令人满意的产品。像前面提到的很多技术一样,压敏胶带诞生与发展的背后,也有许多有趣的故事。

未完待续

(本文节选自作者所着《塑料的世界》一书,科学出版社2019年5月出版)



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