撕出石墨烯的膠帶，究竟有何奧妙（中）
文 | 魏昕宇
上接《撕出石墨烯的膠帶，究竟有何奧妙（上）》
二、這種液體不尋常
介紹到這裡，相信你已經理解了壓敏膠帶是如何粘住物體的：當我們將壓敏膠帶貼到物體表面並用力按壓時，膠帶表面處於液態的高分子化合物的剪切速率增大，黏度下降，流動性增強，可以充分接觸待黏合的物體表面。而黏合完畢後，膠帶本身的重力不足以提供較高的剪切速率，高分子的黏度急劇增加到流動幾乎可以忽略不計的程度，因此膠帶就可以牢固地貼在物體表面。
當然，即便在較低的剪切速率下，假以時日，液態的高分子仍然可以流動，從而導致膠帶逐漸粘不牢。要想解決這個問題，最簡單的辦法是在高分子材料中引入一定程度的化學或者物理交聯。這樣一來，膠帶從整體上失去了流動的能力，但是從局部上看，位於交聯點之間的分子鏈條仍然具有流動的能力，因此依然能夠讓膠帶與被黏合的物體表面充分接觸。事實上，天然橡膠除了用於製造輪胎，也曾經是生產壓敏膠帶的重要原材料。不過近些年來，各種合成材料異軍突起，終結了天然橡膠在壓敏膠帶領域一家獨大的局面。
了解了壓敏膠帶的特點，我們也就不難理解為什麼壓敏膠帶往往比較容易從被黏合的物體表面剝離下來而不留痕迹。當被黏合的兩個物體在外力作用下重新被分開時，通常都是整個物件相對最薄弱的地方遭到了破壞。很多時候固化後的黏合劑本身的強度要弱於物體，因此斷裂首先發生在這裡，斷裂後的兩個物體表面都會殘留一些黏合劑。還有的時候，黏合劑與其中某個物體接觸的地方首先撐不住，斷裂發生後，一個物體的表面會被黏合劑所覆蓋，另一個物體的表面則比較乾淨。如果兩個物體的黏合只是暫時性的，過了一段時間還要把它們分開，那麼後一種斷裂方式顯然是我們更希望看到的，因為它保證了至少一個物體的表面的潔凈。
當我們用壓敏膠帶去黏合物體時，雖然剪切稀化效應的存在使得覆蓋在膠帶上的高分子材料的黏度降低，但其流動性恐怕還是比不上溶液型黏合劑、光固化膠或者502 膠等黏度更低的黏合劑，覆蓋固體表面的能力自然不如後者。因此，用壓敏膠帶黏合的物體，膠帶與物體的界面往往要比膠本身薄弱得多，因此，常常不需要用很大的力氣就可以讓斷裂在界面處發生，從而使得膠帶乾乾淨淨地從物體表面剝離。相反，用前面介紹的幾種膠黏合的物體，固化後的黏合劑與物體的界面並不一定比黏合劑本身更易斷裂，因此當我們把被黏合的物體分開時，很難保證物體表面沒有黏合劑的殘留。
黏合被破壞時可能出現的幾種情況
（a）黏合劑本身發生斷裂；（b）黏合劑與物體的界面發生斷裂；（c）被黏合的物體發生斷裂
當然，這種比較只是一般性的描述，並不意味著壓敏膠帶就不能很牢固地粘住物體，也不意味著粘在物體表面的壓敏膠帶一定就可以很容易且乾淨地撕下來。用於包裝的很多壓敏膠帶強度就相當高，用它們封裝的紙箱可以承受相當的重量。當我們用力去撕膠帶時，往往會發生另一種斷裂的情形，那就是膠帶與紙箱表面的連接沒有被破壞，反倒是紙板自身先挺不住了。於是撕下來的膠帶上就沾滿了碎紙片，而紙箱也像是被扒了一層皮。如果你希望重複利用紙箱和膠帶，這種情況肯定很令你頭疼，不過海姆和諾沃肖洛夫這兩位天才卻成功利用這一現象打斷了石墨片層之間的連接，得到了石墨烯，把壞事變成了好事。
不過細心的朋友可能會問這樣一個問題：當我們從物體表面撕下膠帶時，為什麼發生斷裂的是膠與物體之間的界面，而不是膠與基材之間的界面呢？這就涉及壓敏膠帶的生產過程了。
三、膠帶是如何生產出來的？
剛才我們提到，所謂膠帶就是覆蓋有膠的基材。對於壓敏膠帶來說，膠與基材之間的界面是相當重要的一個組成部分。當我們從物體表面撕下壓敏膠帶時，通常是希望撕掉膠帶後的物體表面能夠潔凈如初，但如果膠與基材的界面不夠牢固，剝離膠帶時，膠就有可能與基材脫離，留在物體表面，從而前功盡棄。
那麼如何讓膠和基材牢固連接在一起呢？覆蓋在基材表面的膠相當於一層塗層，因此如果我們複習一下前面提到的塗層形成的機制就會意識到，必須保證膠能夠浸潤基材的表面。對於紙這樣表面能較高、容易被液體浸潤的基材，這不難做到，但如果選擇表面能較低的塑料作為基材，有些時候就必須對基材表面進行適當的處理，提高基材的表面能。
不過即便基材表面的性質合適，如果直接把室溫下處於液態的高分子塗在基材表面，它們雖然在較高的剪切速率下能夠順利地流動，但是仍然不足以讓膠與基材表面在短時間內形成充分的接觸，難以在兩者之間建立牢固連接。因此，需要在生產膠帶過程中設法降低膠的黏度，讓它更快地覆蓋基材的表面。而做到這一點也不難，只需要將前文中介紹過的黏合劑和塗料固化的方法照搬過來就好了。例如，我們可以將高分子材料溶於有機溶劑或者分散在水中，將溶液塗在基材表面，待溶劑揮發後，一層均勻的膠就形成了；我們也可以將單體先塗到基材表面，然後施加光照讓將單體轉化為高分子材料；對於像熱塑彈性體這樣的材料，還可以採取類似熱熔膠的方法，即通過升高溫度來讓它更容易流動。從這個角度看，壓敏膠帶雖然在使用時無須固化，生產過程中仍然需要固化這一階段。
好了，現在我們選擇了合適的基材，也把膠牢固地覆蓋在了基材的表面，膠帶的生產是否就萬事大吉了呢？當然不行。如果直接讓這樣的膠帶出廠，就相當於將溶液型的黏合劑放在敞口容器里儲存，或者將光固化膠放在透明容器里任憑紫外線的照射，等產品送到顧客手上時，裸露的膠的表面很可能要麼吸附了許多塵埃，要麼粘上了別的物體，要麼兩塊膠帶自己粘在一起，總之產品多半已經廢掉了。因此，在出廠前，膠帶表面必須再施加一層起保護作用的薄膜，或者直接將它盤繞成卷，讓這一層膠帶的膠直接貼在上一層膠帶的背面。
有了保護層，膠帶在儲存過程中不會粘住別的物體，但是需要使用的時候，保護層豈不是也很難與膠帶分開？這個問題解決起來也不難。我們前面提到，黏合劑要想粘住物體，要能浸潤物體表面。反過來，如果我們不想讓黏合劑與物體之間粘的很牢，就需要設法讓它不能浸潤物體表面，這可以通過在物體表面施加特殊的塗層從而降低表面能來實現。例如前文介紹過的硅酮，覆蓋在物體表面後能夠有效地降低物體的表面能。用這種方法處理過的保護層，只需要輕輕一撕就能夠順利與膠帶分離，絲毫不影響正常使用。
看完上面的介紹，你或許會驚訝，原來看上去毫不起眼的一卷壓敏膠帶，竟然暗藏了這麼多的玄機。確實，膠帶的生產看似簡單，其實需要眾多原材料和一系列複雜加工工序的密切配合才能得到性能令人滿意的產品。像前面提到的很多技術一樣，壓敏膠帶誕生與發展的背後，也有許多有趣的故事。
未完待續
（本文節選自作者所著《塑料的世界》一書，科學出版社2019年5月出版）
