Comment fonctionnent les adhésifs et les colles, la science de collage
H vous ave jamais cessé de penser pourquoi la colle ne colle pas à son tube? Avez-vous déjà demandé pourquoi, lorsque vous ouvrez un sandwich confiture, il y a la confiture sur les deux morceaux de pain quand vous le mettez sur une seule tranche pour commencer? Si cela vous est jamais pris la peine comment fonctionnent les adhésifs, et pourquoi ils échouent, vous n'êtes pas seul. Cette question a imposé certains des meilleurs esprits du monde depuis les temps anciens. Même après toutes ces années, les scientifiques ne comprennent toujours pas comment les substances gluantes faire un bâton chose à l'autre, mais ils ont des idées assez bonnes. Regardons de plus près!
Photo: Sans adhésifs, tous les types d'emplois tous les jours seraient beaucoup plus difficile. pansements adhésifs médicaux ( « collage ») Enduits fonctionnent un peu comme ruban adhésif: ils utilisent un adhésif sensible à la pression sur un support en matière plastique ou textile. Historiquement, les bandages adhésifs utilisés comme celui-ci « naturels » fabriqués à partir de caoutchouc et de résine. Aujourd'hui, ils sont plus susceptibles d'utiliser des adhésifs synthétiques tels que les résines acryliques. adhésifs médicaux doivent être collant (mais pas tellement qu'ils déchirer votre peau), résistant à l'eau, et hypoallergénique.
Adhésifs, anciens et modernes
Photo: PVA (acétate de vinyle) est un adhésif de ménage type, couramment utilisé pour coller ensemble le bois. Voici un petit échantillon que je jailli, à côté de son récipient.
Selon les historiens et les archéologues, les adhésifs ont été utilisés pour des milliers d'années, probablement depuis troglodytes âge de pierre premier bitume appliqué (une substance goudronneuse utilisée pour la surface des routes) pour coller haches en silex au sommet de leurs lances de chasse en bois. Dans les temps anciens, les gens ont fait leurs colles de tout ce qu'ils trouvent dans le monde autour d'eux des choses telles que le sucre, les peaux de poissons et produits d'origine animale bouillies dans l'eau.
Nous utilisons encore certains de ces adhésifs naturels aujourd'hui, bien que nous sommes beaucoup plus susceptibles d'utiliser des adhésifs artificiels fabriqués dans une usine chimique. Il est des colles modernes évidentes sont des produits chimiques à partir des noms horribles qu'ils acétate ont de polyvinyle (PVA), phénol-formaldéhyde (PH), l'acétate de vinyle (EVA), et cyanoacrylate ( « super glue ») pour ne nommer que quatre. De nombreux adhésifs modernes sont appelés résines synthétiques pour aucune raison autre que la résine (une substance gluante trouvée dans les arbres de pins et d'autres plantes) a été l'un des premiers adhésifs largement utilisés.
Comment les forces font des choses bâton
Savoir ce que l'on appelle quelque chose est loin de savoir comment cela fonctionne. Ce fut une leçon que le prix Nobel primé physicien américain Richard Feynman (1918-1988) souvent utilisé pour enseigner. Oublions donc tout au sujet des adhésifs, des acétates, et les acrylates et essayer de comprendre pourquoi une chose collera à l'autre. Si vous voulez une réponse courte, le mot est « forces ».
Les gens collent à la surface de la Terre, même si la planète tourne à grande vitesse, et même il n'y a pas de colle sur la plante des pieds. La raison est tout simplement que la gravité nous lie à la planète avec suffisamment de force pour nous empêcher siffler dans l'espace. Mais la gravité ne suffit pas pour nous maintenir en place en permanence. Si nous fournissons plus grandes forces, par exemple en utilisant nos muscles pour déplacer nos jambes et sauter dans l'air, nous pouvons « décollez » nous et aller ailleurs. La vie sur Terre est un peu comme être un géant vivant Post-it® seulement avec les jambes!
Donc, vous n'avez pas toujours besoin d'une goutte de colle pour coller des choses ensemble. Ce bien est une évidence aveuglante chaque fois qu'il pleut sur votre fenêtre. Gravity essaie de tirer l'eau au fond du verre. et tôt ou tard, il gagne habituellement, mais deux choses intéressantes essayer de l'arrêter. En premier lieu, les molécules d'eau (deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène reliés entre eux) adhèrent naturellement à une autre, de sorte qu'ils agglutiner dans de grandes gouttelettes sur la fenêtre. Les forces qui les font le font sont appelées forces de cohésion (et le processus impliqué est appelé la cohésion). En second lieu, les gouttelettes d'eau collent également au verre sans aucune aide ou de la colle. Les différentes forces sont à l'œuvre ici connu comme forces d'adhésion (le processus de collage est appelé l'adhésion). Maintenant, les forces de cohésion doivent être plus grandes que les forces adhésives ou l'eau ne former des gouttelettes du tout. , Il serait tout simplement se propager au lieu dans une très fine couche sur le verre autant que l'huile ne lorsque vous étalez sur l'eau. Mais les forces d'adhérence sont encore assez forte: quelques-unes des gouttelettes d'eau qui collent à la fenêtre sont étonnamment grands.
La prochaine fois il pleut, montre comment l'eau se comporte. Voyez comment la pluie touffes naturellement en gouttelettes (à cause de la cohésion), qui restent sur le verre (en raison de l'adhésion). Les gouttes tombent la fenêtre seulement quand ils sont trop lourds pour les forces adhésives pour les maintenir en place (lorsque la force gravitationnelle en les tirant vers le bas est supérieure à la force adhésive les tenant). Remarquez comment ils fonctionnent en bas de la fenêtre des pistes distinctes, avec des gouttelettes en suivant les voies existantes, larmoyants. C'est parce que les gouttes d'eau qui tombent tentent plus difficiles à coller à l'eau qui est déjà là plutôt que sur le verre (cohésion au travail à nouveau). Pourquoi la pluie forment ces canaux entrelardées? Parce que sous forme de gouttes tombent sur le verre, les forces de cohésion déchirent certaines des molécules d'eau loin de gouttes passant, laissant derrière lui des gouttelettes qui sont assez petites pour coller à la vitre (adhésion à nouveau).
forces d'adhérence et de cohésion dans les colles
Qu'est-ce que tout cela a à faire avec des adhésifs? forces d'adhésion et de cohésion sont également à l'œuvre dans les colles. Disons que vous voulez coller ensemble deux morceaux de bois, A et B, avec un adhésif appelé C. Vous avez besoin de trois forces différentes ici: forces adhésives pour tenir A à C, les forces adhésives à coller C à B, et les forces de cohésion pour tenir C ensemble aussi bien. Les deux premiers sont assez évidentes: la colle doit coller à chacun des matériaux que vous voulez tenir ensemble. Mais la colle doit également coller à lui-même. Si ce n'est pas évident, pensez à coller une chaussure d'entraînement au plafond. La colle a clairement coller à la fois à la chaussure de formation et au plafond. Mais si la colle elle-même est faible, peu importe la façon dont il colle à la chaussure ou le plafond, car il suffit de se rompre au milieu, en laissant une couche de colle derrière sur les deux surfaces. C'est un échec causé lorsque les forces d'adhérence sont supérieures à celles de cohésion et les forces de cohésion ne sont pas assez grand pour surmonter la force de gravité.
Comment fonctionnent les forces de cohésion?
L'eau et le fer sont tous les deux assez inutiles comme colles, mais pour des raisons tout à fait différentes. L'eau pourrait être une excellente colle car il colle très bien à d'autres substances (comme le verre), mais ses forces de cohésion sont incroyablement faibles. Vous pouvez coller du papier sur le mur en le mouillant d'abord, mais vous pouvez peler habituellement hors tension assez facilement aussi. Lorsque vous retirez, vous briser les faibles forces de cohésion qui maintiennent une molécule d'eau à l'autre. Le fer est pas bon comme la colle, car il est trop préoccupé par coller à se tenir à quoi que ce soit d'autre. Toutes les forces sont occupées à l'intérieur, la fixation d'un atome de fer à l'autre dans une structure solide homogène. Il n'y a rien qu'il peut utiliser pour se joindre à d'autres objets: ses forces adhésives sont pratiquement inexistantes.
Photo: Ruban adhésif (également appelé ruban Scotch® et Sellotape® après deux marques bien connues) est simplement un adhésif sensible à la pression sur une pratique, transparent, support de film.
Comment fonctionnent les forces d'adhésion?
L'un des principaux facteurs est appelé adsorption. Quand vous étendez l'adhésif, il mouille la surface que vous appliquez à. Beaucoup de forces électrostatiques très faibles entre les molécules de colle et les molécules dans la surface (appelée van der Waals pour le physicien Johannes Diderik van der Waals (1837-1923) qui les a découvertes) détiennent les deux choses ensemble. Pour les adhésifs pour bien fonctionner comme cela, ils doivent se propager finement et mouiller les surfaces très bien. Il n'y a pas liaison chimique réelle entre la colle et la surface, il est à coller, juste un grand nombre de petites forces d'attraction. Les molécules de colle collent aux molécules de surface comme des millions d'aimants microscopiques.
Dans certains cas, les adhésifs peuvent faire des liaisons chimiques beaucoup plus forts avec les matériaux qu'ils touchent. Par exemple, si vous utilisez certaines colles sur certains plastiques. la colle et le plastique fusionnent réellement ensemble pour former une liaison chimique, ils forment très fort efficacement un nouveau composé chimique à la jonction. Ce processus est appelé chimisorption.
L'absorption et la chimisorption sont des liaisons chimiques entre la colle et la surface. Peuvent également former Glues liaisons physiques (mécaniques) avec la surface, ils sont à coller. Supposons que la surface est poreuse (plein de trous). La colle peut s'infiltrer dans les trous et poignée à travers eux, comme les doigts d'un grimpeur saisissant des trous dans une paroi rocheuse. On appelle cela la théorie mécanique des adhésifs.
Une autre théorie de la façon dont le travail de colles suggère l'adhésif peut diffuser dans la surface et vice-versa, avec des molécules permutant à la jonction et se mêler ensemble. On appelle cela la théorie de la diffusion.
Comment les notes Post-it® fonctionnent-ils?
Alors, que de ce petit Post-it® nous avons vu au-dessus? Comment ça marche?
Regardez à l'arrière d'une note collante à l'aide d'un microscope électronique et vous verrez pas un film continu d'adhésif, mais beaucoup de bulles de colle microscopiques, appelées microcapsules, qui sont environ 10-100 fois plus grand et beaucoup plus faible que les particules de colle vous « d trouvent sur paresser ruban adhésif normal. Lorsque vous appuyez sur un Post-it® sur une table, certaines de ces capsules collantes relativement importantes s'accrocher à la surface, fournissant une force adhésive juste assez pour supporter le poids du papier dans la petite note. Chaque fois que vous attachez et ôtez la note, la poussière et la saleté attachent aux capsules adhésives, de sorte qu'ils perdent progressivement leur adhésivité. Mais depuis là, une note Post-it® sont autant de capsules de toutes tailles ne va le coller pendant un bon moment.
Photo: notes Post-it® se fixent avec l'aide de beaucoup de « microcapsules » (minuscules bulles microscopiques d'adhésif) au verso, qui sont beaucoup plus grandes que les particules de colle sur du ruban adhésif classique.
Pourquoi ne colle pas coller au tube?
Les adhésifs sont conçus pour fonctionner quand ils quittent le tube et pas avant. Différents adhésifs y parvenir de différentes manières. Certains sont dissous dans des solvants chimiques appelés qui les maintiennent stable et non collant dans le tube. Lorsque vous les Essorer, les solvants évaporent rapidement dans l'air ou sont absorbés par les surfaces vous coller à, libérant ainsi les adhésifs eux-mêmes pour faire leur travail. colle plastique modélisation fonctionne comme ça. Il contient des molécules de polystyrène dans un solvant d'acétone. Lorsque vous serrez le tube, la colle gicle et vous pouvez généralement sentir l'acétone très forte qu'elle s'évapore. Une fois qu'il est parti, les molécules de polystyrène verrouillent ensemble pour faire des liaisons chimiques fortes. La colle ne sent pas quand il est sec parce que tout le solvant a disparu dans l'air. Des colles (telles que des résines synthétiques, époxy) doivent être mélangés ensemble avant leur fonctionnement. Ils sont de deux tubes différents, l'un contenant la résine synthétique et l'autre contenant un produit chimique qui rend le durcir la résine. Les deux produits chimiques sont inutiles par eux-mêmes mais, mélangés ensemble, forment un adhésif permanent dur,.
Comment un gecko bâton au plafond?
Alors, quel est le truc? Chacun des pieds geckos est couvert en millions de minuscules poils appelés soies. Regarder sous un microscope électronique puissant. les scientifiques ont découvert chaque poil est un peu comme une brosse avec des centaines de poils (appelés spatules) à son extrémité. Lorsque le gecko marche sur le plafond d'un réservoir, des centaines de millions de poils sont frôlant le verre. Chaque gecko de poils est constitué de molécules organiques (à base de carbone), tandis que le verre est constitué de molécules d'une substance différente, le dioxyde de silicium. Lorsque le gecko déplace ses poils sur le verre, les molécules organiques frôlent les molécules de dioxyde de silicium. Lorsque les deux types de molécules sont extrêmement proches, minuscules forces électrostatiques (van der Waals) apparaissent comme par magie entre eux. Chacune des molécules organiques colle à une molécule de dioxyde de silicium comme un des bâtons de ballon à votre cavalier. Chaque poil unique fournit une force vers le haut microscopique qui aide à coller le gecko au plafond. Avec des centaines de milliards de poils tous travaillant en équipe, il y a plus assez de force de collage pour équilibrer le poids du gecko.