黏附

在所有关于涂料的讨论中，我遗漏了一些重要的东西——任何黏合材料（如涂层、油漆或胶水）实际附着在物体表面的机制。换句话说，到底什么是黏附力？我们如何才能准确地定义一个东西有多“黏”？

这些问题的答案取决于你问的是谁。对化学家来说，用能量来描述附着力可能是最好的。对物理学家或工程师来说，黏附力与力相关。这两种观点都正确，因为从根本上讲，黏附力指的是不同材料分子间的吸引力。而黏附力的强度通常由分离它们所需的努力或工作来定义：要么是能量的多少，要么是拆开连接所需的最大力量。

很多人把自己的职业生涯投入对黏附力的研究中。全球黏合剂产业规模巨大，2018年，它的经济价值已达450亿美元。因此，试图用几页纸来总结它并不是明智的做法。不管怎样，让我们先从基础知识开始，了解材料之间的联系可能是什么样的。设想一种通用的人造接合面：一滴不知名的液体停留在一块干净的固体材料上。一般来说，这些材料的相互作用方式可能有三到四种：

首先是化学层面的。 如果黏合剂和物体表面之间形成了分子键，那么两者便是以化学方式相互作用的。在涂料中，这种黏附力是由颜料颗粒周围的黏合剂分子促成的。它们与物体表面的分子发生反应，相互分享和借用电子，然后在二者的接合面上形成新的化合物。这与一个被称为“吸附”的过程有关，即黏合剂需要“润湿”表面（我们稍后会详细介绍这一点）。

然后是物理层面的。 没有任何固体材料是真正光滑的。即便是高度抛光的玻璃片，在微观尺度下也是峰谷交错。从理论上说，如果液体可以流进这些不平之地，它就可以与物体表面进行特别亲密的接触。液体和固体之间实际上没有发生反应。这种被称为“连锁”的连接是物理现象，而不是化学现象。液体附着物体表面的方式类似于攀岩者将手指伸进山体的缝隙。这种机制就是涂料制造商建议在涂刷墙壁或木制家具之前用砂纸将它们打磨粗糙的原因：这样才能为物体表面增加更多的崎岖。粗糙度被广泛认为是一种屏障，可以防止物体表面和涂层之间开裂。

然而，这种机制的重要性很可能取决于产品的用途。涂料是一种涂层，是一种应用于固体表面的液体，它会在表面干燥或固化。相比之下，黏合剂是用来把东西连接在一起的——相当于三明治中的“肉”，而不是最上面的面包。如果你试图用液体黏合剂来黏合两种材料，其粗糙度未必会促成材料之间的连锁。凯文·肯德尔（Kevin Kendall） 教授是黏附科学领域的大人物，他写了一部名为《黏性宇宙》（ The Sticky Universe ）的著作。关于粗糙度，他在书中描述道：“在制造或连接的过程中，它总是与你作对。”他还证明了在某些情况下，增加表面粗糙度可能会大幅降低两种材料之间的黏附力。

但无论是抹胶还是刷涂料，大家似乎都认为粗糙的表面有一定好处。在打磨或者刮擦材料的过程中，你间接地清洁了它。通过去除油迹、污渍和其他随时间积累的污物，你改变了其表面的化学特性。干净的表面总是比被污染的表面有更好的黏附力，无论其接合面有多粗糙。因此，粗糙度对黏附力来说并不是 无关紧要 ，只不过它不是唯一重要的因素。

为了理解 扩散 ，也就是第三种液固接合面相互作用的方式，我请教了英国皇家化学学会会员、黏合剂专家史蒂文·阿博特（Steven Abbott）教授。他拥有数十年从业经验，非常熟悉黏合剂和涂层的各种要求。 在一通漫长的清晨电话中，他解释说，黏附形式的重要程度取决于产品的具体功能。

扩散通常只发生在固体是聚合物的情况下，但这并不意味着它是罕见的。聚合物无处不在，无论是在自然界（橡胶、丝绸、纤维素）还是在工业世界（尼龙、硅胶和特氟龙）。定义某物是否为聚合物主要从结构来判断：其分子呈重复的长链。在这种黏附方式中，分子之间的结合不如在接合面上相互纠缠（就像两盘煮熟的意大利面条被搅成了一锅）的那么多。在油漆和涂料行业，扩散被视为一种罕见的黏附方式，几乎不会得到实际应用。但阿博特说，它在黏合剂中发挥着重要作用。

人们忽视了扩散的重要性，因为他们固守着大块聚合物不能混合的想法。但他们忘了，50年前，一位名叫尤金·赫尔方（Eugene Helfand）的科学家证明了聚合物在接合面上遵循着非常独特的热力学规则。在那里，你可以很容易地发现在纳米层面相互纠缠的物质，而这往往足以让材料之间形成强大的连接。

按照全球黏性产品巨头3M公司的说法，还有第四种黏附方式： 静电相互作用 。该公司负责人表示，如果你曾经看到过一张纸在你准备为其贴上胶带之前飘走了，那么你已经体验了这一效果。但我认为，当你把胶带拉开时，带电粒子在胶带上堆积产生的吸引力并不是让胶带 粘在 物体表面的原因。是的，它有助于将材料吸引到一起，但这并不是二者保持贴紧状态的原因。所以，我有点犹豫是否可以把静电学视为一种“黏附模型”。也许这种混淆是由于在紧密排列的原子之间存在一种相关的吸引力：范德瓦耳斯力。它通常与静电相互作用归为一类，尽管二者有着细微的不同。这些原子间微小的力确实在黏附过程中起了作用，但正如我们将在第2章中发现的那样，将这种力利用到极致的并不是人类。

这些方式本身都不能完全解释黏附力。对于任何给定的黏合产品，我们几乎都无从确定到底是哪一种（或几种）方式在起作用。正如黏合剂与密封胶生产商波士胶（Bostik）新西兰公司首席化学研究员莫妮克·帕斯勒（Monique Parsler）告诉我的：“每一种黏合剂的工作原理都不同。” 还有其他因素在起作用，比如 黏聚力 ，也就是液体与自身黏合的能力。你可以把它想象成一种内在的力，来自相似分子间形成的键。涂料或黏合剂要经久耐用，需要同时具备良好的 黏聚力 和 黏附力 ，若其中任何一方不合格，产品也就不合格。涂料的黏聚力若不合格，看起来就像被剥去了颜色的薄膜，而黏附力若不合格，则会使涂层从物体表面上脱落。无论哪种情况，我们都得重新喷涂涂料。 lIOQONK4IecPji2pQLUIlhpO4a4M9zeIQVCZjmt3GZjr4EegTJuyHEIoYKR3CLt0