黏胶

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在英国北韦尔斯的海洋科学研究所中,一群科学家花了很多时间,观察苍蝇在墙壁上面,上上下下的走动。科学家并不是闲得没事干,事实上正好相反。他们想知道苍蝇凭什么能对抗地心引力,在墙面上随意行走。其实,在接合工艺学(zygology)上的任何创见,都有很重要的实际应用价值。所谓接合工艺学是研究东西结合的科学。楔片、钉子、螺丝与焊接,都在我们日常生活里扮演重要的角色,但是我们还需要各种黏着剂,否则日子会很难过:飞机会从天上掉下来,家具会散开,瓷砖会从墙面剥落,书与鞋子都无法黏合,连我们的假牙也套不住。想象一下,没有壁纸、邮票、胶带或利贴,会变成什么世界!

任何黏性研究,都应该从微观机制着手。因此,海洋科学实验所的研究人员,首先把苍蝇脚放大,仔细研究。苍蝇有六只脚,每只脚上都有两个小爪子,让它可以钩住任何凹凸不平的表面。但事情并没有这么单纯。苍蝇还可以在玻璃板等光滑平面上,随意走来走去,研究人员怀疑这里面藏有玄机,会不会是苍蝇脚底有什么分泌物作怪?他们决定仔细检查苍蝇走过的玻璃表面,看看是不是留有什么东西。果然不出所料。

当研究人员用染色苏丹黑B(C29H24N6)处理苍蝇走过的玻璃表面时,发现玻璃上有油脂,使玻璃面出现细微的脚印。这些油脂会不会是一种胶?

为了测试这个想法,研究人员设计了细致精巧的实验。他们用强力胶在苍蝇背上黏上一条细线,再装上一个小仪器,测量要用多大的力道才能把苍蝇从玻璃上拉开。其次,他们让苍蝇走上铺了滤纸的木板,滤纸先浸过己烷(C6H14),己烷是可以溶解脂肪的溶剂。然后他们让苍蝇重新走过玻璃板,再用细线把它们拉起来。这次所需要的力量,只有之前的十分。

看起来,苍蝇真的是用胶把脚黏在墙上。但这里头有什么化学作用?黏性到底是怎么回事?口香糖会黏住头发,而却不会黏住铁氟龙,又要如何解释呢?为什么醋不会像糖水一样黏黏的呢?

黏性是非常复杂的事,与好几个因素有关。但基本原理是,两个表面靠得非常近时,会互相粘黏,这是因为任何一对原子或分子之间,都有吸引力。原子是由原子核与电子构成的,原子核带正电,几乎整个原子的质量都集中于此,电子带负电荷,绕原子核外的轨道旋转。在分子里,原子间结合形成化学键。化学键形成的原因是电子受两个原子核吸引,但电子并不是固定不动的,不管在任何时间,分子与原子内的电子会集中形成负电区,而原子核所在的地方会形成正电区。电荷这种暂时分开的现象,称为偶极。

偶极的负电端,会受邻近偶极的正电端吸引,这就是所谓的凡得瓦力。当两个表面非常靠近时,这两个表面的分子会受凡得瓦力互相吸引,产生黏着力。凡得瓦力非常小,但两个表面有无数亿对的偶极会互相吸引。如果真是这样,为什么无法让坏掉的椅子,靠在一起就自动黏合呢?

老实说,理论上这是可行的;但事实上,我们却不可能让两个表面的距离,近到使凡得瓦力得以发挥作用。不管一个表面看起来有多平、多光滑,从微观的尺度来看,上面一定会有凸起与凹洞。因为凡得瓦力只在数埃的范围内发挥作用,因此一个只有400埃(1埃等于10-8公尺)的高峰,就会使表面间的吸引力几乎消失殆尽。现在,如果其中一个表面是可以移动的(例如液体),它的分子可以流进另一个表面的凹洞,而且也把凸起包覆起来,使两个表面的分子间距,近到可以感觉出彼此的偶极。

只要沾一点蜜在两根手指之间,就知道我在说什么了。蜂蜜有足够的移动力,可以填满两个表面上所有的空隙,使表面与蜂蜜间的距离很接近,足以触发凡得瓦力。但只有移动力还不足以形成化学键。水也会流动,也能形成凡得瓦力,但并不会黏黏的,这是为什么呢?这就要谈到黏着剂的另一项条件了。好的黏着剂,不但能与两个表面分别紧密连结,黏着剂分子之间也要能形成键结,当两个表面受外力分开时,黏着剂分子也还能紧密结合。

水可以与两个表面分别紧密结合,但水分子之间的键结太弱,受到压力很容易就分开。如果水结成冰,水分子间的键结力就非常强,因此两块湿木片只要经过冰冻,就可以黏得牢牢的。

蜂蜜不像水,它里面有糖分子,不但彼此紧密结合,也能与其它的分子结合,因此蜂蜜会黏黏的,但是还没有黏到可以做黏着剂的程度。良好的黏着剂,必须很容易流动,能轻易覆盖住想要接着的表面,与这些表面产生有效的凡得瓦键。接下来,它要能固化变硬,在本身的分子间形成紧密强固的结构,不轻易分开。就像前面水结冰的例子。

当然,我们希望这些变化都在常温发生。有一种用水与面粉调出的简单黏胶,就是个好例子。这种面糊在湿湿的时候,很容易移动,但干了之后,长链的淀粉分子会互相纠结,变得很难分开。蛋白质分子也有类似的功能。马蹄与马皮可以萃取出明胶,因此从前常把退役的老马,送去制胶工厂当明胶的原料。今天,我们已经很少用淀粉或明胶,多半使用合成胶,例如用简称PVA的聚乙烯醇(H[CH2CH(OH)]nH)。把PVA溶在水里,就是很受学生欢迎的白胶。它的流动性好,但水分蒸发后,就会变硬。

还有一种更好的黏着剂,可以把东西牢牢黏起。这种黏着剂的分子很小,很容易流动,可以覆盖住整个要黏着的面积,之后经过化学作用,分子间相连接成巨分子或聚合物。AB胶与瞬间胶就是以这种方式作用的。

AB胶含有两种成分,会反应产生聚合物,而瞬间胶里面有一种小分子,叫做氰基丙烯酸酯(C8H11NO2),它接触到空气里的水气时,会紧紧结合成类似聚合物的长链状结构,把两个面紧紧黏住。瞬间胶的效果,其实与空气里的水分有密切的关系。因此,如果有人问你,为什么瞬间胶在迈阿密的效果比在凤凰城好,你就可以告诉他原因了。

显然,对黏着剂的首要要求,就是能够容易流动,轻易覆盖住要胶合的表面。但这问题其实相当复杂,并不像表面上那么简单。有人可能直觉认为,这应该只与黏着剂的黏性有关。其实不然。滴一滴油到长炳铁锅,再滴一滴油到不沾锅里,比较它们的不同,你就会知道了。铁锅里的油会散开,但长柄锅里的油会结在一起形成小油滴。这是黏着剂原子之间的结合力,及黏着剂原子与锅子表面原子间的结合力,两者差异的表现;这也代表这个表面的原子可以给其它物质多少吸引力。

从锅子的例子来看,显然铁氟龙能给的吸引力非常小。铁氟龙是长链碳原子化合物,每个碳原子上还接了两个氟原子。氟由碳的结构上伸出,代表分子对外的接触点,也就是可能与别的东西的原子结合的位置。但氟一旦与碳连接后,就出了名死心塌地的安分,不再对任何对象有兴趣。因此,蛋或其它的东西就没有办法黏在不沾锅上。

但我们还没把所有的故事合盘托出呢。计算显示,即使接触面全部由黏胶有效覆盖,黏胶对表面的黏合力,还是大过凡得瓦力的总合,这是怎么回事呢?这里面其实还有另一个效应存在。黏着剂覆盖了表面、硬化之后,从微观的尺度看,有许多小气泡陷在表面的凹洞里。这些气泡也有吸力,要拉开这两个接合面,还必须破坏这些气泡才行。由于我们有各种各样的表面,所以市面上的黏胶,也有各种各样不同的化学成分,以应所需。不同的黏胶硬化后,强度也大不相同。没有可以接合所有东西的万用胶,如果真有这种东西,那我们要怎么拿下它的瓶盖?

我们常会发现黏胶的新用途。例如,我们正开始试着不用手术线,改用瞬间胶缝合伤口;我们也开始用黏胶来黏合食道上的裂缝,以及由湿疹引起的指甲裂缝;脑外科手术也开始使用黏胶补强血管的弱点。

但就像其它的化学物质一样,黏胶也会有问题,只要问问那位误把瞬间胶当成鼻喷剂的人就行了。所幸鼻子里的黏液阻止瞬间胶黏住组织。医生最后从他的鼻子里,弄出一块硬胶来,这团硬胶形状就像鼻腔内部的模型。还有个粗心的母亲把瞬间胶当眼药膏,抹进婴儿眼睛里。医生只好把婴儿全身麻醉,再动手术切开眼皮。还有破坏者在一间爱尔兰酒吧的马桶座涂了瞬间胶,不知情的顾客一屁股坐上去,就下不来了。(这类的传闻逸事,是很难认真追查的。)在经人发现送医之前,他有好长一段时间可以仔细观察苍蝇怎么在墙面上行走。当然在送医过程,他的屁股还是黏在马桶座上。医生用丙酮(C3H6O)溶解瞬间胶,才把他从胶着的困境中救了出来。

除了丙酮,还有其它物质也可以溶解瞬间胶。乙腈(CH3CN)也有这种本事,而且在卸假指甲时特别特别有效。如果使用得当,它们算很安全,但如果吃进肚子里,就很难说了。乙腈在体内新陈代谢后,会释放出氰化物(CN)。曾发生可怕的乙腈中毒意外,一个16个月大的婴儿居然吞食了十五到三十毫升的乙腈溶剂。母亲立刻把婴儿送到毒物管制中心,但母亲与毒物管制中心的人没沟通好,产生了一点误会。中心的人误以为小孩子吃到的是去光水或丙酮,这模拟较不危险的化学药剂,因此并未采取特殊的急救措施。第二天上午,婴儿就死了。又是一个乙?毒物的牺牲者。

黏胶的本身也牵涉到一些健康问题。记不记得1995年轰动一时的电视连续剧「欢乐单身派对」(Seinfeld)的最后情节?杰瑞的朋友乔治几乎要结婚了,乔治与未婚妻苏珊忙着寄结婚请帖,但后来却迟迟没有进行婚礼(这大概让乔治松了一口气)。因为苏珊中毒了,而这全是乔治的错。这个小气鬼买的信封是最便宜的,苏珊用舌头舔湿信封的封口胶,导致中毒。剧中暗示如果乔治不那么小气,这种事是可以避免的。因为较贵的信封,封口的黏胶质量较好,毒性较低。这段剧情有可能是真实故事的翻版吗?绝不可能。

我们的法令对信封上的封口胶,有非常严格的安全标准,因为很可能有人会把它吞下肚,所以规定这种黏胶要达到食物的安全标准。这类黏胶的种类很多:水溶性的阿拉伯胶来自洋槐树,糊精则是玉米淀粉做的,至于最适用的,则是聚乙烯醇。我们也试过别的东西,来加强黏胶的弹性与涂布质量,如:甘油、玉米糖浆、醇类、尿素硅化钠、与乳状的蜡。我们还试用过一些防腐剂,像:安息香酸钠(C6H5CO2Na)、四基氨水化合物以及酚类物质。这些东西当然不可能好吃,但至少是无毒的。事实上,蟑螂只要有封口胶可以吃,就能够存活很久。

如果对黏胶还有任何疑虑的话,可能是它会引起某些过敏反应。有少数人会对地毯背胶、家具上光胶甚至假指甲里的黏胶过敏。对黏胶过敏的事件,我有一件很好玩的例子,而且我与当事人相当熟。我有个朋友多年来一直过敏,流眼泪、流鼻水呼吸急促。起先医生以为是花粉引起的,因此当她过敏的情况愈来愈严重时,就为她做一系列的过敏原测试。但奇怪的是,她对这些一般性的过敏原都没有反应。有一天,她正好又为过敏所苦恼,碰到一位旧识,就对老友诉苦。这位老朋友想了想,忽然问她是不是戴假指甲?因为发问的这位老朋友,以前也遭受到同样的困扰,但自从拿下要用黏胶粘黏的假指甲后,过敏症状就不药而愈了。我朋友一听,立刻赶回家,取下假指甲。你也知道发生什么事了吧?第二天起,她的过敏就一去不返了。

我正好在此时介入此事,就建议我朋友做个对照实验,证实自己的假设。她本身是药剂师,知道如何进行科学调查。她戴上假指甲就过敏,拿下来就没事。后来她的医生测试她对指甲黏胶,氰基丙烯酸酯的反应,发现果然是阳性的。从此,每次她的医师碰到新病人,不管是男是女,总是会问对方,有没有戴假指甲。当我在广播节目里谈到这个奇怪的故事时,得到另外一位女士热烈的回响。她还提供了另一则有趣的故事。这位女士装了假牙,却对假牙用的丙烯酸酯类黏胶过敏。之后,她每次经过修指甲的美容院,都会有过敏反应。我无法证实她说的情节,但在奇异的过敏世界里,什么怪事都可能发生。

关于黏胶,还有个故事值得一说,就是美国3M公司首席科学家席尔巴(Spencer F. Silver)的故事。虽然他不是家喻户晓的人物,但他发明的利贴(Post-It)却几乎是人人皆知。1998年,美国化学学会特别因为他发明利贴而颁奖给他。他发明的这种特殊黏胶,要它黏就黏,要撕下来就撕下来。而这种东西的背后,有一段很奇妙的故事。

1968年,席尔巴博士为3M公司研究出一种对压力很敏感的黏着剂,这种东西可以立刻黏着在表面上,但是当你想把它拿下来时,却又不会伤到它原先附着的表面。今天,这种产品已经相当普遍,到处都有可随时去除的黏着剂。但在1968年,没有人知道有这种东西。科学家确实知道,有些聚合物在某种条件下,是可以剥除的,譬如天然橡胶,但它们的特性都很不理想。于是席尔巴开始着手研究,他做出一些合成聚合物,最后得到一种黏着力不强但很容易撕开的东西。但它有个缺点:不是每次都能撕得干干净净的。后来连席尔巴自己也对这东西丧失兴趣了。

幸好,在1970年代早期进入3M公司的化学工程师富莱(Arthur Fry)对这东西感兴趣。更巧的是,富莱参加教会的唱诗班,需要可以贴在乐谱上的小纸条,在特定的几页做记号。正好,他记得席尔巴发明过一种不太黏的黏胶,于是他用这种黏胶,涂在纸条的背面,用来标示乐谱,这样子纸条既不会掉且容易撕下也不留痕迹。这就是利贴的雏型。

后来富莱又花了一年半改善它的缺点。他发展出一种初级胶,用来把黏着剂黏在纸上,让黏着剂不会黏到便条纸要贴上的物质表面。然后他发展出制造这种便条纸的机器。但利贴并不是一上市就造成轰动,它是靠巧妙的销售策略来推动的。3M公司在美国爱达荷州的波夕市分送免费赠品给上班族,用过的人有九成在赠品用完后,会掏腰包再买来用。今天的利贴,采用了非常复杂的技术,已经真的可以一再重复使用。它的黏性来自尿素甲醛树脂的微小颗粒。在压力之下,这些小颗粒会破裂,但不会同时全部破裂。一张利贴便条,可以重复使用多少次呢?我不知道。应该做个实验来试试。我会写张便条,提醒自己这件事,当然是写在利贴上啦。

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