為什么萬能膠能夠在瞬間粘住物體？

撰文 | 魏昕宇（材料學博士）

1951年的一天，美國伊斯曼柯達公司的兩位研發人員打算測量一種名為氰基丙烯酸乙酯的液體的折射率。這個任務通常是通過阿貝折射儀來完成的，按照操作流程，他們需要將薄薄的一層液體夾在兩塊棱鏡中間，然后讀取折射率數值。然而測量結束后，他們卻驚訝地發現，兩塊棱鏡被牢固地粘在一起無法分開了 [1] 。兩位研究人員向上司匯報了這次事故，然后忐忑不安地等待上司責怪他們損壞了昂貴的儀器。然而他們的上司不僅絲毫沒有責怪他們，反而異常興奮，因為他意識到，一種全新的粘合劑即將誕生，它就是日后深受歡迎的萬能膠 [2]。

那么萬能膠為什么能夠在如此短的時間內將物體粘住呢？這是因為氰基丙烯酸乙酯的化學性質極其活潑，只要遇到水，它們就可以非常迅速地發生聚合反應，變成固態的聚氰基丙烯酸乙酯，從而將兩個物體牢牢連接起來。我們周圍的環境看似干燥，實際上總是有一定的水氣，要粘合的物體表面通常也有微量的水分存在，而這很少的一點水就足以讓氰基丙烯酸乙酯完成聚合反應。

萬能膠的固化機理

實際上除了氰基丙烯酸乙酯，苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯等化合物都可以發生聚合反應，得到我們熟知的聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯等高分子材料，而且這些聚合反應通常速度也不慢，那么為什么唯獨氰基丙烯酸乙酯獨具魅力呢？

這是因為這些化合物雖然也可以發生聚合反應，但化學性質沒有氰基丙烯酸乙酯那么活潑，不能被水引發。我們要想利用它們來開發粘合劑，就必須要額外添加其他的化學物質（引發劑）來引發聚合反應，而這往往帶來一些難題。有的化合物性質非常活潑，在室溫下就可以讓聚合反應快速地進行。這樣的化合物只能與引發劑分開儲存，萬萬不可放在同一個容器里，否則生產出來的粘合劑還沒等送到顧客手上，就已經變成一坨堅硬的固體，沒法使用了。還有一些化合物需要在較高的溫度下才會引發聚合反應，所以常溫下我們可以放心地把它和粘合劑的其他組分放在一起，然而顧客在使用的時候也必須對待粘合的物體進行加熱，使用起來并不是很方便。另外一種解決方案就是前面提到的光固化粘合劑：某些化合物在通常狀況下很穩定，但是一旦經過特定波長的光的照射就會迅速引發聚合反應。這樣顧客在使用的時候不需要預先混合兩個組分，也不需要對要粘合的物體進行加熱，但需要配備紫外燈等專門的光源設備，而且也無法用這樣的粘合劑粘合不透明的物體，很多時候也不是那么方便。

因此，萬能膠之所以深受歡迎，不僅由于它固化速度很快，還由于它形式簡單，使用起來非常方便。我們不需要預先混合兩個組分，不需要加熱，也不需要提供光照，只要將它從瓶子里倒出來涂到要粘合的物體表面，然后把兩個物體緊密壓在一起，等上最多一兩分鐘就好了。因此萬能膠特別受到普通消費者的青睞，對于時不時要使用粘合劑來修補物體或者制作一些簡單的手工，但又不愿意或者不方便配備膠槍、高溫烘箱或者紫外燈這樣的專業設備的普通人來說，萬能膠無疑是最好的選擇。即便是在大型的生產線上，萬能膠也能給使用者帶來很大的便利。另外，氰基丙烯酸乙酯能夠粘合許多不同類型的材料，這也是它被冠以萬能膠的美稱的一個重要原因。

有的朋友可能要問，既然水能夠引發氰基丙烯酸乙酯的聚合反應，而微量的水氣在環境中又無處不在，為什么裝在瓶子里的萬能膠能夠保持穩定而不會固化呢？這是因為萬能膠在生產過程中通常會加入少量的酸性物質，它們能夠防止氰基丙烯酸乙酯發生聚合反應。實際上氰基丙烯酸乙酯早在上世紀40年代就被合成出來，但人們一開始并沒有發現它具有瞬間粘住物體的能力，很可能是因為最初得到的氰基丙烯酸乙酯不夠純凈，其中含有的雜質阻礙了聚合反應的發生 [3]。

另外，水氣雖然無處不在，但它們容易接觸到氰基丙烯酸乙酯的表面卻很難滲入內部。這也是氰基丙烯酸乙酯能夠迅速粘住物體，在容器中卻可以保持穩定的一個重要原因。不過即便如此，如果放任氰基丙烯酸乙酯與水氣接觸，它仍然會逐漸發生聚合反應而失去使用的價值。因此，買來的萬能膠如果一次用不完，一定要將容器的蓋子蓋緊，防止水氣進入。

除了萬能膠，還有一些其他類型的粘合劑也是通過環境中的水分來完成固化的，家庭裝修中常用的硅酮密封膠就是一個典型的例子。這些密封膠中的硅酮本來以液體的形式存在，一旦暴露在空氣中，在水氣的幫助下，硅酮分子之間會通過化學反應連接起來，最終形成固體，將縫隙牢牢地堵住。

前一段時間鬧得沸沸揚揚的“毒跑道”事件則涉及到了另一個通過水氣固化的典型例子——單組份聚氨酯粘合劑。在前面我們提到，聚氨酯粘合劑通常是做成AB膠的形式，這是由于合成聚氨酯的兩種原料二元醇和二異氰酸酯“勢同水火”，彼此接觸后很容易發生化學反應，無法穩定存在于同一容器中。那么單組份聚氨酯粘合劑是怎么回事呢？其中的奧秘在于二異氰酸酯獨特的化學性質。

從上面這個化學反應式不難看出，要想得到聚氨酯，二元醇和二異氰酸酯的分子個數之比應該是1：1，這樣反應才能不斷持續下去。如果二異氰酸酯的分子遠遠多于二元醇，那么當二元醇被消耗殆盡后，反應就會終止，因為二異氰酸酯彼此之間無法發生化學反應。

然而環境中如果有水氣存在，本已停滯的化學反應又繼續向前進行了。這是因為水氣可以與二異氰酸酯發生化學反應，將一部分異氰酸酯轉化為胺，同時釋放出二氧化碳，而胺可以與剩下的二異氰酸酯繼續反應。利用這一反應，我們可以在聚氨酯的生產過程中讓二異氰酸酯適當過量，這樣得到的聚氨酯分子量不高，仍然是液體。把這些液態的聚氨酯覆蓋到待粘合的物體表面后，環境中的水分會推動反應繼續進行，從而得到堅硬的固體。利用這一方法得到的單組份聚氨酯粘合劑使用起來非常方便，除了被用于在塑膠跑道中粘合橡膠顆粒，還被廣泛用于建筑和室內裝修。另外，由于反應過程中有二氧化碳氣體放出，因此異氰酸酯的這一反應還被廣泛用于生產聚氨酯泡沫。我們生活中用到的床墊、汽車坐墊，以及用于建筑隔熱的泡沫，很多都是用這種方法得到的。

單組份聚氨酯粘合劑的固化機理

同萬能膠一樣，硅酮密封膠和單組份聚氨酯粘合劑由于借助環境中的水氣完成固化，因此可以用非常簡便的單組份形式生產，使用起來也非常方便，不需要額外的設備。不過這兩類粘合劑的固化速度要比萬能膠慢得多，因此在實際應用中受到一定的限制，但在林林總總的粘合劑市場中也分別占有一席之地。

一種用于粘合地板的單組份聚氨酯粘合劑[4]

參考文獻和注釋

[1] John T. O’Connor, “Sticking with Winners”, ChemTech, 1994, 24, 51

[2] 實際上萬能膠雖然能夠迅速粘合玻璃，但粘合的強度會隨著時間推移而逐漸降低，因此通常不推薦用萬能膠粘合玻璃

[3] H. W. Coover, D. W. Dreifus, J. T. O’ Connor, “Cyanoacrylate Adhesives”, 收錄于Irving Skeist主編的Handbook of Adhesives一書 （Springer出版社2012年出版）

[4] http://www.homedepot.com/p/Roberts-4-Gal-Wood-and-Bamboo-Flooring-Urethane-Adhesive-R1509-4-8P/202935481?cm_mmc=Shopping%7cTHD%7cG%7c0%7cG-BASE-PLA-D23-Hardwood%7c&gclid=CjwKEAiA9s_BBRCL3ZKWsfblgS8SJACbST7D_Y21u92mkiqB-mULckvD7CFL80MKMibYzszuWMUI7xoCaU7w_wcB&gclsrc=aw.ds