黏合劑的神奇世界

編譯 喬若靜

黏合劑無處不在，從航空航天工業到簡單而無處不在的便利貼，都有它們的身影。科學作者阿萊娜·萊文（Alaina G. Levine）來到黏合劑巨頭3M公司的美國創新中心，了解更多有關黏合劑的物理學原理。

當我站在一個滿是明亮顯示屏、背景音樂以及充滿熱情和愉悅的解說的走廊時，我的第一個想法是我來到了1986年的沃爾特迪士尼世界。事實上，這里是一家資產300億美元的跨國材料科學和黏合劑公司的總部，它就是3M公司，便利貼（也叫即時貼）的發明者。我所在的地方是美國明尼蘇達州的圣保羅市，我來這里是采訪3M公司在黏合劑和膠帶領域對科學創新所作出的貢獻。我期待的是能為我解答這些問題的科學家，而不是一個充滿了各種黏合劑的游樂場。

阿萊娜·萊文在3M的創新世界里“玩”得不亦樂乎

采訪開始一如往常。在3M創新中心的巨大入口處，我受到了3M公司公關經理斯蒂芬妮·吉斯-伯格丹（Stefanie Giese-Bogdan）的熱情相迎，她邀請我隨她一起，沿著如隧道般的走廊往前，直到關上門后進入一片寂靜的黑暗中，接著周圍巨大的屏幕亮起，流暢的多媒體開始演示介紹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打開，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，另一場投影開始在曲面天花板上演示，突然間，感覺就像置身于真正的迪士尼樂園一樣，聚光燈在我的周圍快速翻轉閃耀。

我凝視著投影展示的3M創新的龐大世界，在3M創新中心一個巨大房間里，3M的技術人員正在與客戶會面，討論如何將3M的創新發明融入他們的產品中。在我們繞著房間里27個演示臺（每個演示臺專門介紹3M的一種核心技術）走一圈時，擁有分析化學博士學位的吉斯-伯格丹對我說道：“創新始于想象力，我們3M將想象力與協作溝通結合在一起，利用科學技術解決與日常生活息息相關的實際問題。”

3M公司的工業膠粘劑和膠帶部門是其116年歷史上最大的部門，世界各地擁有6 100多名員工，在10個國家設有研發中心，在26個國家建有生產制造工廠。黏合劑是3M產品中46種核心技術之一，由于黏合劑用于太多的應用領域——從航空航天和汽車工業到醫療設備和電子產品，該公司已有超過3萬種黏合劑產品，此外還有面對零售業和消費者的便利貼（百事貼、即時貼）和思高膠帶。

3M的創新世界是一個不向公眾開放的展示廳和游樂場，3M會邀請其客戶與科學家一起，在這里開展頭腦風暴，討論如何讓他們受益的各種技術。客戶可以在這里游玩、試驗和發現，他們可以觀看演示、了解新的創新，并與3M專家一起嘗試解決某些問題。這就是我的膠帶故事真正開始的地方，當我在黏合劑展示臺中間隨便逛著的時候，作為展覽主辦人之一的吉斯-伯格丹向我解釋了這里的創新游戲，比如明尼蘇達動物園打電話來說一條鯨魚受傷了，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解決方案，結果非常有效，并因其應用價值和柔韌的特性而被納入了人體用繃帶的整個產品系列中。

黏合劑科學

為了了解更多關于黏合劑的科學知識，我采訪了公司研發領域的高級技術主管克里斯蒂娜·托馬斯（Cristina Thomas）。托馬斯擁有化學工程博士學位，但她認為自己是一名聚合物物理學家，因為她的大部分技術生涯都在從事計算材料模型化的研究。她說：“我們周圍世界使用的黏合劑比我們意識到的要多，因為我們經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，我們現在所在的房間里的電子設備、顯示器內部等都有黏合劑，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。這些專用產品可以黏合到某個表面，去除后可以不留下任何殘余物質。

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

但正如3M公司聚合物黏合劑科學家安東尼·帕格里卡（Anthony Pagliuca）所說的那樣，要做到這一點，黏合劑必須首先將基底材料“弄濕”，它必須具有流動性并能均勻覆蓋在整個表面上，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，然后才能通過這兩種材料的氫鍵、機械聯鎖和化學鍵等的相互作用完成黏附。

3M的即時貼取代了傳統的訂書釘，是文具必備品之一

3M簡史

1902年成立之初，3M公司是明尼蘇達礦業和制造公司名下的一家小規模采礦企業，創始人最初的目標是在礦井里開采某種礦產，結果證明該目標既不可行也不可持續。為此他們研究了其他材料和產品，很快發現他們可以利用科學知識和工程技術開發和改進多個領域的產品。20世紀20年代開發的早期產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黏合劑和膠帶開發產生了極大的興趣。經過多年的發展，3M公司已經成為擁有9萬人的大公司，開發了在家庭、企業、學校、醫院等領域使用的6萬種產品，涉及地球上的大多數行業。3M公司1/3的銷售產品來自過去5年發明的新產品。

3M特別出名的一款產品是隨處可見的即時貼，它的發現非常偶然。1968年，3M科學家斯賓塞·西爾弗（Spencer Siler）在實驗室忙于研究黏合劑。在這個過程中，他發現了一種特殊的東西：一種可以黏附在物質表面的黏合劑，但并沒有緊緊地粘在一起。西爾弗說：“這是我作為研究人員開發新黏合劑工作的一部分，當時我們想要開發更大、更強、更結實的黏合劑，而這個達不到這些要求。”

西爾弗發現的是一種叫作微球體的東西，它保留了粘性，但具有“可移動性”，容易從附著的表面上脫落下來。他開始與3M的其他科學家分享他的黏合劑發現，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）發現，西爾弗的微球體可以作為一種書簽類型的黏合劑，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年獲準生產，這種被命名為即時貼（或便利貼）的產品于1980年正式在美國推出，1981年正式在歐洲和加拿大推出。

即時貼很快風靡全球，3M公司繼續擴大產品生產線，不久前又開發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10萬項專利，2015年在明尼蘇達州的工業園區建立的最先進的1.5億美元的研發實驗室；但便利貼仍然是3M最令人矚目的產品和品牌之一。

在設計產品時，科學家考慮了三個因素。首先，要有一套黏附機制，如何黏附在不同表面上以及如何與這些表面產生相互作用；其次，科學家要對附著表面對黏合劑的作用力進行鑒定和測試，這些力（如剪切力或剝落力等）都會對黏合劑的性能產生影響，并影響其完整性和功能；最后，黏合劑的耐久性，包括周圍環境對黏合劑有效性的影響等。

考慮到以上這些因素，知道如下觀點并不奇怪，即物理學在思考和設計有效黏合劑和膠帶方面起著很大作用。畢竟，黏合劑的基本力學性能必須進行精確計算、測試和確定。事實上，在3M實驗室有一整棟樓專門負責這項任務，里面擁有材料分析和處理所需要的各種設備。

弄清楚聚合物的流動情況以及理解使用時和使用后的穩定性是開發結構和壓力敏感型黏合劑的重要方面。黏合劑會如何分布和黏附在某個表面上？黏附機制是什么？固化機制是什么？有些黏合劑在將兩個表面粘在一起時保持黏性，而另一些黏合劑則在固化時變成固體或泡沫狀。知道黏合劑的作用和它所操作的環境決定如下的方面：黏合劑在表面的分布情況、黏合劑和表面之間的化學鍵的強度。黏度和彈性也是黏合劑很重要的特性。需要專業的設計人員進行相關設計，如設計大型工業系統的黏合劑存儲盒和噴射黏液的噴嘴等。

材料科學在配制黏合劑和和基底方面起著重要作用，根據實際應用的不同，除了良好的粘結作用之外，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性能用于路面標線的膠帶，這種膠帶有一個分層結構，這個分層結構的一面與道路接觸，上層則嵌入許多反射光線的微粒，在各種環境條件下司機都可以看到清晰的路面標記。托馬斯說：“這種黏合劑通過附加的物理特性（光學機制）向駕駛員傳遞信息。”

此外，隨著膠合劑技術應用到3M的許多產品中，黏合劑科學通常需要與其他技術結合起來。例如，3M借鑒了膠帶配方的某些技術，將該技術與交聯化學結合起來，創造出一種強大的水性膠黏劑。在某個項目中，3M的科學家將粘彈性泡沫與黏合劑一起注入，創造出一種用于汽車工業的理想粘接膠帶。他們還使用普通的彈性材料，開發了一種專用的高強度模型，制造商可以用它們制造出更能耐受沖擊力的產品。同時，黏合劑專家還進行了微復制技術的研究，這項技術是3M最大的科學資產之一。微復制過程包括熔化塑料小球，并將其擠壓成塑料薄膜，在表面上進行微刻操作。每平方厘米上可以產生均勻排列的數千個特征的微刻，以改變表面的物理、光學和化學性質。這項技術的一項應用是制造路標，薄膜通常粘在鋁質基板上，成千上萬的微小棱鏡將汽車前燈的燈光反射回司機處，讓道路上的標志和標記比以往更明亮。

黏合劑還必須能夠承受一系列的環境刺激，任何可能影響功能或持久性的問題都必須加以解決。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物質和混合物）環境中的路面標線和交通標志，它們必須能堅守在自己的“崗位”上，并持續承受各種沖擊力、震動力和車輛的來往運動。另外，黏合劑還必須要能夠應對壓力、溫度和其他各種變量的變化。

在3M的一個實驗室中，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度和黏性的化學工程師。他在旋轉流變儀上涂上一點某種黏合劑的樣本，然后測量它的硬度、消散系數以及對加熱和冷卻的反應，甚至在低于明尼蘇達冬季通常氣溫的溫度條件。他說：“我開發了新的測試方法，而不僅是進行標準的測試方法，我正在試圖突破界限，進行下一個標準測試。”

3M黏合劑設計開發策略（SEALS）

在為客戶設計黏合劑時，3M專家會就以下幾個方面的首字母縮寫（SEALS）提出問題：

基底材料（S: Substrate）：基底材料的性質是什么？

環境因素（E:Environment）：黏合環境是什么？黏合環境會受到何種環境影響（內/外環境、高/低溫度、化學品、鹽）？

具體應用（A: Application）：產品用途是什么？膠粘劑的起效速度、持久時間等方面需要達到什么樣的應用要求？

負載（L:Load）：不同類型、大小和方向上黏合點的應力是多少？

規模（S: Size）：就工業膠粘劑來說，每月、每季度或每年能達到多大的生產能力？

3M的專家正在與客戶合作開發理想的黏合劑

物理學上的突破

據托馬斯所說，物理學上的突破已經對3M的黏合劑開發產生了令人興奮的影響。對于化學家來說，聚合物是一種由重復小分子或單位組成的宏觀分子，但人們現在明白，這些長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的統計方法來進行探索和解釋。

托馬斯說：“我們可以用簡化的模型來處理聚合物，在這種模型中，分子由單個單位或取代原子群的微粒來表示。”然后利用物理原理對黏附聚合物中的大分子進行研究，使科學家能夠理解它們在特定條件下的行為。“當我對聚合系統進行相位分離時，其行為與我分離較小分子的行為不同，這是黏合劑科學領域的真正進展。”

根據溫度的不同，有些黏合劑的表現如玻璃（固體狀），有些像橡膠（流體狀），所以托馬斯和她的團隊會從復雜的系統中汲取靈感和知識。當你用“化學黏合方法”開發某種黏合劑，目的是將其轉化為固體時，黏合劑就會經歷化學反應，一旦固化，它就能提供耐高強度、耐高溫、耐潮濕或耐化學暴露的能力。通過光、熱或其他機制來實現黏合也可提高黏合劑的性能，因為這會導致形成一種像玻璃聚合物一樣的黏性網狀物。

但是，僅僅因為黏合劑運用了大量的物理學原理，并不意味著3M的科學家就會被它所束縛。在3M的創新世界里，吉斯-伯格丹向我展示了多層光學薄膜：一種用于某種特種膠帶的銀色反光薄膜。她解釋說：“如果你傾斜一個反射面，就會存在某個不再反射的角度，這個角度被稱為布魯斯特角。多層光學薄膜不存在這樣一個布魯斯特角，它在任何角度都可以反射。”這種薄膜用來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，可以用于從手機到電視等電子設備上，以節省能源，還可以用在拋物面鏡上，將光線導引到太陽能電池上。這是吉斯-伯格丹準備在創新世界中展示的眾多產品之一。她開玩笑地說道：“你能說多久可以戰勝物理定律嗎？ 我們做到了，我們打破了布魯斯特角這一物理規律。”

3M創新中心讓我得以一窺黏合劑的神奇世界，在我離開的時候，我獲得的關鍵信息是黏合劑無處不在，并且正在不斷擴大它們的覆蓋范圍、強度和多樣性用途。托馬斯說：“我們每天看到的許多東西里都有黏合劑，或使用了黏附科學的成果，在這背后有很多對基本物理學的理解。 即使是我們日常生活中早已認為理所當然的事情，比如道路上的標記，也需要用到黏合劑。”大量好的黏合劑發揮著如下功能：讓卡車反復輾壓的路面標志、可重復使用的便利貼、粘貼在脆弱敏感皮膚上的醫用膠帶等，還有覆蓋了全球范圍的黏合劑和膠帶的其他各種實際應用。