膠黏劑如何運作?黏性科學

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發佈日期 2020-05-07


膠黏劑如何運作?黏性科學

從創作藝術品到密封包裝,以及挽救阿波羅13號太空人的生命,壓敏膠帶在各種情況下均可使用。儘管這些產品普遍存在,但我們許多人仍然想知道:膠黏劑是如何運作的,什麼使得產生黏性?

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事物黏性條件背後的科學令人著迷。這就是為什麼我們年輕時會玩很多膠帶、黏合劑和膠水的原因。

對於某些人來說,這種好奇心擴大了,這是透過大量研究黏性來促進化學、生物醫學和電子產業發展的證明。

因此,基於這項研究,讓我們一勞永逸地回答這個問題:為什麼事物會有黏性?

膠黏劑如何運作?

物體的黏性取決於其表面與其他表面緊密接觸的能力。如果表面充分接觸,它們的原子間的力道表現就像魔鬼氈一樣,將表面黏結在一起。

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對於像金屬的堅硬材料,具有奈米粗糙表面粗糙度可以消除黏性。只要表面粗糙度的測量值小於一微米,更順應的材料(例如橡膠和聚合物)就可以保持黏性。

對於膠帶,一面是非常薄的順應性聚合物層。它使膠帶與各種乾燥表面緊密接觸。這就解釋了為什麼儘管手掌上有粗糙的紋路,但膠帶仍會黏在我們手上。

膠帶的另一面,沒有順應性聚合物層,其韌性無法克服我們手的粗糙度。因此,它不能形成緊密的接觸,並且保持非黏性。


工程師需要了解什麼使事物變得有黏性

為了更好了解黏性背後的科學及其潛在益處,工程師經常著眼於自然界中的物體和生物。

例如,壁虎和蜥蜴在其腳下已演化出填充物,該填充物可黏於各種乾燥表面上,使牠們能夠輕鬆攀爬牆壁和玻璃窗。

有一些植物,例如蓮花,已演化出表面紋理來大幅減少黏性(或潤濕性)的影響,使他們能夠抵抗水滴。

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充分理解這些現象可以幫助改善日常生活品質。例如,模仿荷花植物可以幫助工程師開發出醫學上無菌的表面,來防止水分和細菌生長。

此外,減少或增加黏性的研究可以幫助工程師開發更好的傳感器、食品科學和製造技術。


如何模擬黏性

研究如何控制黏性的工程師需要復雜的計算模型,這些模型必須模擬導致表面相互黏著的原子間力量。這些模型還必須能夠精確表現低至奈米級表面的紋理或輪廓。

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可以使用Ansys Mechanical的高度非線性和大型模型功能來製造這些模擬。然後,工程師可利用用戶可編程功能(UPFs)來訂做系統的材料、負載和接口主體,來研究物體之間的連接方式。Mechanical具有在奈米級表面之間複雜的相互作用進行建模的能力,並具有大量的彈性不穩定性,使得該問題可以解決。

使用這些模擬,工程師可以透過控制以下項目來增強或最小化表面附著力的影響:

這有助於他們研究像靜摩擦和摩擦等現象,這是傳感器和生物移植開發中的常見挑戰。


(資料來源:https://www.ansys.com/blog/how-do-adhesives-work

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