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制作工艺

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粘性仙境

20 Mar 2018
本文最初发表于2018年3月号 物理世界

从航空航天工业到简单但臭名昭著的便利贴,粘合剂无处不在。 阿拉纳·莱文(AlainaG Levine) 参观巨型胶粘剂巨头3M公司在美国的主要创新中心,以了解有关所涉及物理的更多信息

3M科学家照片
(礼貌:3M)

当我站在狭窄的走廊里,那里充满了明亮的表演,音乐和轰轰烈烈的公告时,我的第一个念头是,大约1986年,我被送到了沃尔特·迪斯尼世界。实际上,我在一家市值300亿美元的跨国公司的总部材料科学与粘合剂公司– 3M公司 (3M),便笺本的发明者。我在美国明尼苏达州圣保罗的这儿,了解3M对胶粘剂和胶带科学与创新的贡献。我一直在期待科学家-而不是一个充满粘性的游乐园。

这次访问足够正常地开始了。在3M创新中心广阔的入口处,我与3M的传播经理Stefanie Giese-Bogdan见了面。邀请我跟随她,她带我沿着隧道般的走廊走去,然后关上门让我们站在寂静的黑暗中。然后,被大屏幕覆盖的墙壁闪动,对3M的历史和当前工作进行了流畅的多媒体演示。

介绍结束后,隧道的另一端打开了双扇门。在我前方,在一个空洞的空隙中,我只能弄出几把椅子像天文馆一样摆放,让您向后倾斜并凝视天花板。 Giese-Bogdan调皮地笑了,建议我将第二排的中间椅子放在最佳位置。当我向后倾斜时,另一场演讲开始了,这次是投射在弯曲的天花板上。然后突然间,就像真正的迪士尼经历一样,聚光灯照在我周围。

我盯着巨大的3M创新世界-3M创新中心中心的一个宽敞的房间,在那里3M技术人员会见客户,讨论如何将3M发明融入其产品中。 “创新始于想象力,”拥有分析化学博士学位的Giese-Bogdan说道,当我们在房间的27个工作站中走动时,每个工作站都致力于一种特定的3M核心技术。 “在3M,我们将想象力与协作与沟通结合在一起。我们通过使技术与众不同并将科学应用于生活来解决问题。”

3M的工业胶粘带事业部是拥有116年历史的公司中最大的部门,在全球拥有6100多名员工,&D)在10个国家/地区设有制造中心,在26个国家/地区设有制造工厂。胶粘剂是3M投入其产品的46种核心技术之一,但是由于胶粘剂在航空航天,汽车工业,医疗设备和电子等许多领域都非常有用,因此在公司的30,000多种产品中都可以找到它们。当然,还有零售和消费者方面,以及您附近的便利贴便条纸和苏格兰品牌磁带。

不向公众开放的3M创新世界是一个展示厅和游乐场。 3M在这里邀请客户与科学家进行头脑风暴,并讨论每种技术如何使他们受益。客户可以玩,体验和发现。他们见证了演示,了解了新的创新,并且3M专家和客户一起尝试解决问题。这是我在磁带上真正展开的故事的地方,当我在胶粘站闲逛时,作为展览的主持人之一的Giese-Bogdan向我解释了如何进行创新游戏。就像明尼苏达州动物园打来电话并解释说的那样,它的鲸鱼有伤口,需要特殊的绷带才能粘在它的黏滑嘴唇上。实际上,3M研究人员提出的解决方案非常有价值且灵活,以至于被整合到整个人类绷带产品线中。

粘性科学

要了解有关胶粘剂科学的更多信息,我与公司R的高级技术主管Cristina Thomas坐了下来。&D. Thomas拥有化学工程博士学位,但自认为是高分子物理学家,因为她的大部分技术生涯都在计算材料建模领域。她说:“我们周围的世界使用的粘合剂比我们想象的要多得多,因为我们经常需要将物体粘合到表面上。”正如Thomas所指的地毯,天花板和墙壁,甚至我们所在的房间都在使用它们。它们位于房间的电子设备,显示器内部,甚至将微芯片固定在适当的位置。贴在窗户上的薄膜和可拉伸的胶粘剂(3M命令条)支撑着海报,从而使建筑物保持了高能效。这些专业产品可以粘合到表面,然后再次拉伸就可以去除而没有任何残留物。

粘合剂是能够通过表面附着将材料保持在一起的物质。现代粘合剂通常由聚合物制成,可将物体粘合在一起,而无需在基材上产生不连续性(例如孔)。它们通过产生相同的强大分子力来工作,这些分子力通常将材料保持在一起。但是,正如3M的聚合物粘合剂科学家Anthony Pagliuca指出,公司必须先弄湿粘合剂,才能使基材“浸湿”,它必须均匀地流过并覆盖表面,以使接触面积最大化。液体浸湿的程度取决于表面能,为使粘合剂有效,其表面能必须等于或低于基材的表面能。然后通过诸如氢键,机械互锁和化学键之类的相互作用发生粘合。

3M的简史

Photo of Post-it Notes

3M成立于1902年,是一家小型采矿公司,名称为明尼苏达州采矿和制造公司。但是创始人的最初目标是从一个矿山中开采一种矿物,这既不可行也不可持续。因此,他们研究了其他材料和产品,并很快发现他们可以利用科学和工程技术来开发和改进多个部门的产品。 1920年代早期的产品包括第一条防水砂纸和遮盖胶带,这引起了公司对胶粘剂和胶带的兴趣。多年来,3M已发展成为一家拥有90,000名员工的公司,其60,000种产品用于家庭,企业,学校,医院等,触及地球上的大多数行业。 3M的销售额中有三分之一来自过去五年中发明的产品。

3M特别著名的一种产品是无处不在的便利贴,它几乎是偶然发现的。 1968年,3M科学家Spencer Silver忙于在实验室研究粘合剂。在此过程中,他发现了一些特别的东西:一种粘合剂,可以轻轻地粘附在表面上,但不能牢固地粘合在表面上。希尔弗说:“开发新的胶粘剂是我工作的一部分,当时我们想开发更大,更强,更坚韧的胶粘剂。” “这些都不是。”

Silver发现了一种叫做微球的东西,它保持了粘性,但具有“可去除性”,可以使附着的表面容易剥离。他开始与其他3M科学家共享粘合剂,试图发现粘合剂可以解决的问题。大约6年后,另一位3M研究人员Art Fry意识到,Silver的微球可以用作书签型产品的粘合剂,该书签型产品可以放在纸上,然后取出并重新粘贴在其他地方。弗莱(Fry)弄清楚了如何在1977年制造它,并在1978年获得管理层的批准,并且在1980年在美国以及1981年在欧洲和加拿大正式发行了便条纸。

剩下的就是历史了-便笺纸风靡全球,3M继续扩展产品线,最近将其所有便笺纸都转移到了植物胶粘剂上。最近的其他3M里程碑包括该公司在2014年获得了第100,000项专利,并推出了价值1.5亿美元的最新技术&2015年在明尼苏达州校园的D实验室。但便利贴仍然是3M最引人注目的产品线和品牌之一。

粘合科学家在设计产品时会考虑三个因素。首先,存在粘合机制–粘合剂如何粘附于各种表面并与之相互作用。其次,科学家必须确定并检查在使用含粘合剂的产品时将作用于其上的力。这些力,例如剪切力或剥离力,会影响粘合剂的性能,并可能影响其完整性和功能。最后,还有耐久性,其中包括检查环境将如何影响胶粘剂的有效性。

考虑到这些因素,得知物理学在思考和设计有效的粘合剂和胶带方面起着重要作用就不足为奇了。毕竟,必须对粘合剂的基本机械性能进行精确计算,测试和澄清。确实,3M拥有一整栋专门用于完成此任务的实验室。它具有您期望在公司分析和材料处理设施中使用的所有设备。

管理聚合物的流动方式并了解其在涂布过程中和涂布后的稳定性是开发结构性和压敏粘合剂的重要方面。粘合剂将如何部署到表面上?什么是申请机制?什么是固化机理?一些粘合剂将两个表面粘合在一起时必须保持粘性,而另一些粘合剂在固化时会变成固体或泡沫状。了解粘合剂的功能和工作环境决定了如何在表面上分配粘合剂,以及粘合剂与该表面之间的化学键强度。粘度和弹性也是粘合剂的重要特性。例如,需要专业工程师设计粘合剂存储盒和在大型工业系统中从中喷出的喷嘴。

材料科学在配制胶粘剂和固定胶粘剂的基材(如胶带)方面也发挥着作用。取决于应用,胶粘剂或胶带可能需要提供其他性能,而不仅仅是良好的粘合性能。例如,3M制作具有特定光学性能的路面标记带,以帮助驾车者。这些胶带具有分层结构,其中粘合剂在与道路接触的一侧,而反光珠则嵌入顶层,因此驾驶员可以在各种环境条件下看到标记。托马斯说:“粘合剂是一种通过物理的另一个方面(即光学)将信息传递给驾驶员的机制。”

Photo of 阿拉娜·莱文(Alaina G Levine) at 3M’s World of Innovation

此外,由于3M的许多产品中都嵌入了粘合剂和粘合科学,因此粘性科学通常与其他技术结合在一起。例如,3M可以借鉴一种技术,例如其胶带配方,将其与交联化学相结合,从而形成一种坚固的水基粘合剂。对于一个项目,3M科学家将粘弹性泡沫与粘合剂一起注入,以形成坚固的粘合带,非常适用于汽车行业。他们还采用了普通的弹性体材料,并开发了专有的高强度基质,因此制造商可以制造出更具抗冲击性的产品。同时,胶粘剂专家开始研究微复制技术,这是3M最大的科学资产之一。微型复制过程包括将塑料颗粒熔化并将其挤压成塑料薄膜卷,以在表面上形成微观雕塑。每平方厘米可能有成千上万个均匀排列的特征,这些特征可以改变表面的物理,光学和化学性质。 3M科学家使用该技术的一种应用是制作路标。在这里,薄膜通常粘附在铝质基材上,成千上万个微小的棱镜将汽车的大灯反射回驾驶员,导致道路上的标志和标记看上去比正常情况要亮得多。

胶粘剂还必须承受各种环境刺激,任何可能影响功能或耐用性的问题都必须解决。例如,这些路面标记暴露于水,油,大气化合物(例如污染物)以及许多其他化学物质和混合物中。它们必须留在原处,并且能够承受车辆的持续冲击,振动和运动。胶粘剂还必须应对压力,温度和许多其他变量的变化。

在3M的众多实验室之一中,我遇到了化学工程师Aaron Hedegaard,他研究了不同配方的粘合剂的粘度和弹性,以量化其强度和粘性。为此,他在旋转流变仪上涂抹了粘合剂样品,并测量了其刚度,耗散因数以及对加热和冷却的反应,甚至对低于典型的明尼苏达州冬季的温度也做出了反应。他说:“我开发了新的测试方法,而不仅仅是运行标准测试。” “我正在努力突破界限,以进行下一个标准测试。”

3M的密封

3M科学家照片

在为客户设计粘合剂时,3M专家会根据SEALS的首字母缩写词提出问题:

S:基材 –基材的性质是什么?

E:环境 –什么是粘合环境?粘合将在什么环境下进行(内部/外部,高温/低温,化学药品,盐分)?

答:申请 –您正在使用组件做什么?您需要从胶粘剂的固化速度,开放时间和流变性方面获得什么应用特性?

L:负载 –关节在类型,大小和方向上受到什么应力?

S:大小 –对于工业胶粘剂,您每月,每季度或每年生产多少单位?

克服物理

托马斯说,物理上的突破以引人入胜的方式影响了3M粘合剂。对于化学家来说,聚合物是由重复的较小分子或单元组成的大分子,但是人们现在知道这些长分子可以近似为链,因此可以使用物理学中的统计方法来探索和解释其行为。

“我们可以使用简化的模型来处理聚合物,其中分子由取代原子组的单个单元或珠子表示,” Thomas说。然后可以使用物理原理研究粘附聚合物中的大分子,从而使科学家能够了解它们在某些条件下的行为。 “如果在聚合物系统中进行相分离,则其行为将与分离较小分子时有所不同,这确实促进了粘合科学领域的发展。”

根据温度的不同,有些胶粘剂的行为像玻璃(固体),有些像橡胶(流体),因此Thomas和她的团队也从复杂的系统中汲取了想法和知识。当您“化学固化”粘合剂以将其转化为固体时,该粘合剂会经历化学反应,一旦固化,它就能够提供高强度以及对温度,湿度或化学暴露的抵抗力。根据是用光,热还是其他方法固化,由于形成了类似于玻璃态聚合物的粘合剂网络,因此可以提高粘合剂的性能。

但是,仅仅因为胶粘剂中存在很多物理现象,并不意味着3M科学家对此sha之以鼻。在3M创新世界中,Giese-Bogdan向我展示了多层光学膜–一种银色的反光膜,与特殊胶带一起使用。她解释说:“如果倾斜反射表面,则存在一个不再反射的角度-该角度称为布鲁斯特角。” “多层光学膜没有布鲁斯特角,在任何角度都可以反射。”该膜用于制造建筑物的光轴,由于不考虑布鲁斯特的角度,因此可以将其放置在弯头周围。例如,它还可以用于电子产品(从电话到电视)以节省能源,还可以用作抛物面镜将光引导到太阳能电池上。这是Giese-Bogdan准备在创新世界中展示的众多产品示例之一。 “您多久能说出您击败物理定律?”她取笑。 “我们做到了。我们击败了布鲁斯特的角度。”

3M创新中心让我瞥见了神奇的胶粘剂世界,当我离开时,我带回家的信息是胶粘剂不断黏附并扩大其覆盖范围,强度和用途多样性。 “我们每天看到的许多东西都有粘合剂,或者是由于使用粘合科学而产生的。背后有很多物理学和基础知识。”托马斯说。 “即使我们每天都认为是理所当然的事情,例如在道路上的标记(通过粘合剂粘合)。”种类繁多的优质胶粘剂不仅可以使货车穿过这些胶带,而且还可以重复使用便笺纸,并且医用胶带可以覆盖脆弱或敏感的皮肤,以及全球范围内用于胶带和胶粘剂的其他无数用途。

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