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胶带的微观原理是什么?是依靠分子间范德瓦尔斯力吗?

【StephenZhang的回答(168票)】:

胶带的粘性是多种原理共同作用的结果。无论基质是塑料,纸还是布,胶带的粘着力全部来自于基质表面上的那一层粘着剂(adhesive),粘着剂的物理性能直接决定了胶带粘着力的大小。当然,胶带的种类很多,大致分为压敏胶带,水激活胶带,热敏胶带等,其中我们生活中使用最多的就是压敏胶带,无需特殊处理或激活,只需一定程度的按压就可以达到黏着效果。而胶带上的压敏粘着剂(也被称作自粘合剂),就是我们讨论的重点。

压敏粘合剂是一种具有极高粘性并且有一定弹性的高分子材料,如丙烯酸酯聚合物,橡胶,硅橡胶等。胶带的粘性是一个严格的物理过程,分为浸润粘连两个步骤,而高分子的粘弹性(viscoelasticity)在这里发挥了重要的作用:首先,粘性的粘合剂具有一定的液体的性能,而粘合剂分子的表面能又很低,这使得粘合剂可以很轻松地浸润物体表面,而弹性使得粘合剂分子在被按压时能够聚拢在一起而不是被挤到一旁;然后,粘连过程是粘着剂内聚力(cohesion)和附着力(adhesion)共同作用的结果,因为我们需要的是既能hold住自己,又能hold住别人的材料。如下图所示:

内聚力是粘着剂内部的作用力,使粘着剂本身能够紧密相连,这种作用来自于共价键,氢键以及范德华力等;而附着力则完全来自于范德华力,这事由于粘着剂和被粘着物体通常是不同的材料,无法形成化学键。所以,粘着剂的浸润性越强,两种材料相互接触的表面积越大,同等情况下获得的分子间作用力就越强;另一方面,粘着剂分子通常具有很强的偶极矩(dipole moment),相当于表面带电,这样大大加强了粘着剂和被粘着物体之间的物理键作用。下图展示了粘合剂在不同材料间浸润粘合的效果。

有一些胶带,随着时间的增长粘着力会增加,这是因为粘着剂需要较长的时间更好地浸润物体表面,“流”进孔洞和沟槽。另外,一些人会认为胶带就是一条涂了胶水的带子,这种说法是完全错误的,因为胶水完全是以液态的形式存在的,从而达到极佳的浸润性,而它的内聚力和附着力,则要等到风干后才能体现出来,而且,胶水粘合是一个不可逆过程,一旦撕开就无法重新粘合;而在胶带的粘合的整个周期内,粘合剂都保持着粘弹性,是一个部分可逆的过程。

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