粘合剂——粘合性和主要类别

胶粘剂，指能够通过表面附着力将材料以功能性方式粘合在一起并防止分离的任何物质。“胶粘剂”作为通用术语包括水泥、胶水、胶和浆糊——这些术语通常可互换使用，指任何形成粘合键的有机材料。波特兰水泥等无机物质也可以被视为胶粘剂，因为它们通过表面附着力将砖块和横梁等物体粘合在一起，但本文仅限于讨论天然和合成的有机胶粘剂。

天然粘合剂自古以来就为人们所知。埃及的雕刻品可追溯到3,300年前，上面描绘了将薄薄的单板粘合到似乎是梧桐木板上的场景。纸莎草是一种早期的非织造织物，其中含有用面粉糊粘合在一起的芦苇状植物纤维。沥青、树沥青和蜂蜡在古代和中世纪被用作密封剂（保护涂层）和粘合剂。彩绘手稿的金箔用蛋清粘合到纸上，木制物品则用鱼胶、角胶和奶酪胶粘合。动物胶和鱼胶技术在18世纪取得了进步，19世纪引入了橡胶和硝化纤维素基水泥。然而，粘合剂技术的决定性进步要等到20世纪，在此期间，天然粘合剂得到了改进，许多合成物从实验室出来，取代了市场上的天然粘合剂。20世纪下半叶，航空和航天工业的快速发展对胶粘剂技术产生了深远的影响。对结构强度高、耐疲劳和耐恶劣环境条件的胶粘剂的需求推动了高性能材料的开发，这些材料最终进入了许多工业和家庭应用领域。

本文首先简要解释一下粘合性，然后回顾天然和合成粘合剂的主要类别。

粘附性

在粘合接头的性能中，粘合剂的物理和化学特性是最重要的因素。粘合体的类型（即被连接的部件-例如，金属合金、塑料、复合材料）和表面预处理或底漆的性质对于确定粘合接头是否性能良好也很重要。这三个因素-粘合剂、粘合体和表面-对粘合结构的使用寿命有影响。粘合结构的机械行为反过来又受到接头设计细节以及施加的负载从一个粘合体传递到另一个粘合体的方式的影响。

形成可接受的粘合力的隐含条件是粘合剂能够润湿并扩散到被粘合体上。实现这种界面分子接触是形成牢固而稳定的粘合接头的必要第一步。一旦实现润湿，就会通过多种机制在界面上产生固有粘合力。自20世纪60年代以来，这些机制的确切性质一直是物理和化学研究的对象，因此存在许多粘合理论。粘合的主要机制由以下理论解释：吸附理论认为物质的粘附主要是由于分子间紧密接触。在粘合接头中，这种接触是通过粘合剂和被粘物表面层中的分子间力或价力实现的。

除了吸附之外，还提出了四种其他粘附机制。第一种，机械联锁是指粘合剂流入被粘物表面的孔隙或表面凸起物周围时发生的。第二种，相互扩散，当液体胶粘剂溶解并扩散到被粘物材料中时产生。在第三种机制中，吸附和表面反应，当粘合剂分子吸附到固体表面并与其发生化学反应时，就会发生粘合。由于化学反应，这个过程在某种程度上不同于上面描述的简单吸附，尽管一些研究人员认为化学反应是整个吸附过程的一部分，而不是单独的粘合机制。最后，电子或静电引力理论表明，静电力在具有不同电子能带结构的材料界面处产生。一般而言，这些机制中的一种以上在实现各种类型的粘合剂和被粘物所需的粘合水平方面发挥作用。

在形成粘合剂时，在粘合体和粘合剂之间的界面处会出现一个过渡区。在这个区域，称为界面，粘合剂的化学和物理特性可能与非接触部分的有很大不同。一般认为界面组成控制着粘合剂接头的耐久性和强度，并且主要负责将应力从一个被粘物转移到另一个被粘物。界面区域通常是环境侵蚀的部位，导致接头失效。

粘合剂的强度通常取决于破坏性试验，测量试件断裂点或断裂线上产生的应力。采用各种试验方法，包括剥离试验、拉伸搭接剪切试验、裂解试验和疲劳试验。这些试验在各种温度和各种环境条件下进行。表征粘合接头的另一种方法是确定裂开单位面积界面所需的能量。从这种能量计算得出的结论原则上与从应力分析得出的结论完全等同。

粘合材料

几乎所有合成粘合剂和某些天然粘合剂均由聚合物，即由数千个称为单体的简单分子连接而成的巨分子或大分子。聚合物的形成（称为聚合的化学反应）可以在“固化”步骤，其中聚合与粘合剂形成同时发生（例如环氧树脂和氰基丙烯酸酯的情况），或者聚合物可以在材料用作粘合剂之前形成，例如热塑性弹性体，如苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物。聚合物赋予强度、柔韧性以及在粘附体表面上扩散和相互作用的能力——这些特性是形成可接受的粘附水平所必需的。

天然粘合剂

天然粘合剂主要来源于动物或植物。尽管自20世纪中叶以来，对天然产品的需求有所下降，但其中一些产品仍用于木材和纸制品，特别是瓦楞纸板、信封、瓶标、书籍装订、纸箱、家具以及层压薄膜和箔。此外，由于各种环境法规，来自可再生资源的天然粘合剂重新受到关注。下面介绍了最重要的天然产品。

动物胶

动物胶通常仅限于用哺乳动物胶原蛋白（皮肤、骨骼和肌肉的主要蛋白质成分）制备的胶原蛋白。当用酸、碱或热水处理时，通常不溶解的胶原蛋白会慢慢溶解。如果原始蛋白质是纯净的，并且转化过程温和，则高分子量产品称为明胶，可用于食品或摄影产品。通过更剧烈的加工产生的低分子量材料通常纯度较低且颜色较深，称为动物胶。

动物胶传统上用于木材连接、书籍装订、砂纸制造、厚胶带和类似用途。尽管动物胶具有初始粘性高的优势，但许多动物胶已被合成粘合剂改性或完全取代。

酪蛋白胶

该产品由酪蛋白（一种从牛奶中提取的蛋白质）溶解在水性碱性溶剂中制成。碱的程度和类型会影响产品性能。在木材粘合中，酪蛋白胶在防潮和老化特性方面通常优于真正的动物胶。酪蛋白还用于改善油漆和涂料的粘附特性。

血蛋白胶

这种胶水由血清蛋白制成，血清蛋白是一种血液成分，可从新鲜动物血液或已加水的干可溶性血液粉末中获得。在蛋白-水混合物中添加碱可改善粘合性能。胶合板行业使用大量由血液制成的胶水产品。

淀粉和糊精

淀粉和糊精是从玉米、小麦、土豆或大米中提取的。它们是植物胶粘剂的主要类型，可溶于水或分散于水中，可从世界各地的植物来源获得。淀粉和糊精胶用于瓦楞纸板和包装以及墙纸粘合剂。

自然的牙龈

从天然来源中提取的天然胶物质也可用作粘合剂。琼脂是一种海洋植物胶体（极微小颗粒的悬浮液），用热水提取，然后冷冻以进行净化。褐藻胶是通过在碱中消化海藻并沉淀钙盐或褐藻酸而获得的。阿拉伯胶是从人工伤害金合欢树而渗出的树胶中提取的。另一种渗出物是天然橡胶乳胶，是从橡胶树中提取的。大多数树胶主要用于可重新吸水的产品。

合成粘合剂

尽管天然粘合剂的生产成本较低，但最重要的粘合剂还是合成粘合剂。基于合成树脂和橡胶的粘合剂在多功能性和性能方面表现出色。合成粘合剂可以稳定供应，并且性能始终一致。此外，它们可以通过多种方式进行改性，并且经常组合以获得特定应用的最佳特性。

合成粘合剂中使用的聚合物分为两大类：热塑性塑料和热固性塑料。热塑性塑料在常温下具有牢固、持久的粘合力，加热后可软化，不会发生降解。粘合剂中使用的热塑性树脂包括硝化纤维素、聚醋酸乙烯酯、醋酸乙烯-乙烯共聚物、聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚酯、丙烯酸树脂和氰基丙烯酸树脂。

热固性系统与热塑性塑料不同，可形成永久性、耐热、不溶解的键，如果不降解就无法改变。基于热固性聚合物的粘合剂广泛用于航空航天工业。热固性材料包括苯酚甲醛、脲醛、不饱和聚酯、环氧树脂和聚氨酯。弹性体粘合剂可用作热塑性或热固性粘合剂，具体取决于粘合剂是否需要交联才能发挥其功能。弹性体粘合剂的特点包括组装速度快、柔韧性强、类型多样、经济实惠、剥离强度高、易于改性和多功能性。用作粘合剂的主要弹性体有天然橡胶、丁基橡胶、丁二烯橡胶、苯乙烯-丁二烯橡胶、丁腈橡胶、硅树脂和氯丁橡胶。

胶粘剂制造商和用户面临的一个重大挑战是将基于有机溶剂的胶粘剂体系替换为基于水。这一趋势是由对挥发性有机化合物(VOC)使用的限制所推动的，其中包括释放到大气中并导致臭氧消耗的溶剂。为了响应环境法规，正在开发基于水性乳液和分散体的粘合剂，而溶剂型粘合剂正在逐步淘汰。

上述聚合物类型可用于多种功能类型的粘合剂。这些功能类型如下所述。

接触胶

接触胶粘剂或胶水通常以氯丁橡胶溶剂溶液为基础。它们之所以如此命名，是因为它们通常涂在要粘合的两个表面上。溶剂蒸发后，两个表面可以连接在一起，形成具有高抗剪切力的牢固粘合。接触胶水广泛用于汽车零部件、家具、皮革制品和装饰层压板的组装。它们在塑料粘合方面非常有效。

结构胶粘剂

结构胶粘剂通常具有良好的承载能力、长期耐用性以及耐热、耐溶剂和耐疲劳性。原始设备制造中使用的所有结构胶粘剂中有95%属于六大结构胶粘剂系列：(1)环氧树脂，具有高强度、良好的耐高温和耐溶剂性能；（2）聚氨酯具有柔韧性、良好的剥离特性、耐冲击和疲劳性，（3）丙烯酸树脂，一种多功能粘合剂，可粘合油性部件，固化迅速，具有良好的整体性能；(4)厌氧胶或表面活化丙烯酸树脂，适用于粘合螺纹金属部件和圆柱形部件；(5)氰基丙烯酸酯，可快速粘合塑料和橡胶，但耐高温和耐湿性有限；(6)有机硅，具有柔韧性，户外耐候性好，密封性能好。这些产品均可进行改性，以提供具有一系列物理和机械性能、固化系统和应用技术的粘合剂。

聚酯、聚乙烯和酚醛树脂也用于工业应用，但存在加工或性能限制。高温粘合剂（如聚酰亚胺）的市场有限。

热熔胶

热熔胶用于许多非结构应用。这些胶粘剂以热塑性树脂为基础，在高温下熔化而不降解，以热液体形式涂在被粘物上。常用的聚合物包括聚酰胺、聚酯、乙烯-醋酸乙烯酯、聚氨酯以及各种嵌段共聚物和弹性体，如丁基橡胶、乙烯-丙烯共聚物和苯乙烯-丁二烯橡胶。

热熔胶在汽车和家电领域应用广泛。然而，它们的实用性受到高温强度不足的限制，大多数热熔胶的上限使用温度在40–65°C（约100–150°F）范围内。为了提高高温下的性能，人们开发了所谓的结构热熔胶，即用活性聚氨酯、湿固化聚氨酯或硅烷改性聚乙烯改性的热塑性塑料。这种改性可以提高剥离粘合力、提高耐热能力（在70–95°C[160–200°F]范围内），并提高对紫外线的抵抗力。

压敏胶

压敏胶粘剂（PSA）以胶带和薄膜的形式代表着巨大的工业和商业市场，用于包装、安装和固定、遮蔽以及电气和外科应用。在室温下，当表面在短暂施加压力下接合时，PSA能够将粘附物粘合在一起。（这些粘合剂和接触胶之间的区别在于后者不需要压力即可粘合。）

用于配制PSA系统的材料包括天然和合成橡胶、热塑性弹性体、聚丙烯酸酯、聚乙烯基烷基醚和硅酮。这些聚合物（无论是溶剂型还是热熔型）都可作为涂层涂在纸张、玻璃纸、塑料薄膜、织物或金属箔等基材上。随着溶剂型粘合剂配方因环保法规而逐步淘汰，水基PSA将得到更广泛的应用。

紫外线固化粘合剂

紫外线固化胶粘剂于20世纪60年代初问世，但随着20世纪80年代化学和设备技术的进步而迅速发展。这类胶粘剂通常由单体（也可用作溶剂）和低分子量预聚物与光引发剂。光引发剂是一种在紫外线照射下分解成自由基的化合物。这些自由基会诱导单体和预聚物的聚合，从而完成形成粘合剂所需的链延伸和交联。由于工艺温度低且聚合速度非常快（2至60秒），紫外线固化粘合剂在电子、汽车和医疗领域取得了快速发展。它们主要由硅酮、聚氨酯和甲基丙烯酸酯的丙烯酸酯配方组成。还存在组合紫外线和热固化配方。