作为一种粘合剂,胶水利用其物理或化学形式特性使不同材料的物体表面相连,相比缝纫、机械等紧固、装订技术,能将压力更有效地分布在接头上,在实践中运用广泛。这种看似现代的技术,究其历史竟然已有二十万年。

从最初将石器和木柄粘在一起的粘合剂,到新型人工合成胶剂,胶水这门古老发明的创新脚步从不停歇。

史前人类发明了胶水

再现用沥青作粘合剂的“雪人”斧头。

皮毛衣物、轮子……史前人类每一项发明都为人类历史打开了一扇新的大门。今天我们津津乐道这些伟大的时刻,却常常遗忘了一种同样来自上万年前的杰作——胶水。它看似不起眼儿,却在不动声色中为我们连接生产生活中的必要物质。如同现代人用胶水粘合家具、纸张、修补器具、制造物件一样,二十万年前的尼安德特人就已经开始用胶水制造、维修捕猎工具。

尼安德特人是现代欧洲人祖先的近亲,除了非洲以外,亚欧人种里都有一点尼安德特人的基因(约在1%-4%左右)。他们在公元前两万年左右突然消失,并因为挖掘出的化石颅骨偏小,被认为脑容量不如智人。不过2001年,考古学家在意大利和德国交界的尼安德特人遗址处发现了两块覆盖着桦树皮焦油的石片。石片上残留的胶水制造痕迹,让现代人对他们另眼相看。早在二十万年前,尼安德特人就开始使用粘合剂将石器斧头粘合到木头手柄上。尼安德特人的“粘合剂”是凝结的粘结焦油块,由桦木树皮锻炼成的树皮焦油制成。有了这些粘乎乎的胶水,尼安德特人可以将石片粘在一起组成最原始的工具,在狩猎工具破碎时也可以用胶水修补而不用花更多时间重做。在与猛犸象共同生活的时代,这样的发明绝对可以称得上伟大。

没有人知道尼安德特人是从哪里得到了“胶水”的想法,也许是蜗牛等软体动物用粘液将自己贴在墙上爬行给了他们灵感?也没有人知道,在复杂的陶瓷盆或者温控技术发明出来之前,尼安德特人是怎么产生将桦树皮高温烤炙,产生浓稠的胶状焦油的创意。

科学家们试图重现尼安德特胶水被创造的过程,并把他们的研究成果发表在自然杂志社的《科学报告》杂志上。经过桦树皮绷紧成束燃烧法、余烬悬挂滴油法,以及将桦木树皮构成的容器埋进火坑法等一系列尝试以后,他们认为,尼安德特人有可能使用了更复杂的技术。

不过桦树树皮焦油粘合剂算是纯植物胶,作为一种单独植物成分的粘合剂,易受环境条件的影响,撞击和潮湿都会使其粘性减弱。在南美洲有七万年历史的西布杜洞穴中,科学家们又发现了人类历史上最早使用复合粘合剂的痕迹。这些来自七万年前的斧头,其石片与木棍的接缝处填充着一种由植物胶和代赭石(天然氧化铁)组成的粘合剂。相比纯植物胶,复合粘合剂能使结合处更为紧密,还能防止植物胶在潮湿的环境中溶解。

更多史前人类使用胶水的证据不断在考古地被发现:大约6000年前的一处古部落埋葬地里,被树脂胶修补过的陶罐随同死者一起被下葬;公元前4000年左右的巴比伦庙宇中,一座雕像的象牙眼球被使用沥青固定;在奥地利和意大利边界附近的冰川中,一具古男性人类遗体被发现,因为冷冻条件得以穿越5200年历史的这位男性遗体绰号“泰罗林雪人”。“雪人”随身携带的武器——两支黑燧石箭头和一柄铜斧,一起随主人重现天日。这些物品的石头、金属部分与木头的连接处,也有沥青胶水的痕迹。

动物胶水和植物胶水

动物胶

如果没有胶水,古埃及的家具未必可以留存至今, 用胶水贴上薄木片,不仅可以装饰家居,还可以防止家具受潮变形。正如《家具史话》一书中所描述的:“古埃及时期,人们就已知道要给家具镶贴昂贵薄木片,使普通木家具增值……若非当时的人掌握了镶贴木片的工艺,这些家具的美丽根本无法保存……而在这种古老的技艺中,胶水的地位举足轻重。”

新华字典对于“胶”的解释是:“粘性物质,有用动物的皮、角熬制成,也有用植物或人工合成。”由此可见胶水的制作可以分为动物胶、植物胶以及人工合成胶。

通常认为古埃及人是最早使用动物制品的,比如用动物内脏和鱼泡制造胶水。不过也有学者认为,相比古埃及,我国动物胶的起源也不一定晚——西周时期的《诗经》里最早提到了动物胶。据考证,“胶”字出现于三千年前,这也意味着我国动物胶的历史少说也有三千多年。

除了动物胶水,古埃及人也开始用生石灰、蛋清或干酪素制成胶水,他们还发明了用淀粉调成的糨糊,可以将莎草纸粘到衣服上。底比斯至今留有一面作于3500年前的壁画,画上一口锅正架在火上熬煮胶水,一旁手持刷子的手艺人正在刷胶水。更多关于粘合剂的使用历史记录发生在公元前1500年至公元前1000年,这一时期与胶水有关的文物,包括记录了家具木材粘合操作的绘画、图坦卡蒙国王陵墓中用胶水粘合的木质棺材等。

古希腊与罗马人也深谙制胶工艺,并因此收益颇丰。古希腊人改进了动物胶的制作工艺——胶原蛋白一词就是源自希腊语kola,最早的意思即是“胶水”。在百科全书《自然史》中,作者老普林尼提到了牛胶和鱼胶这两种动物胶水。彼时的鱼胶又叫“鱼鳔胶”。

在我国,鱼鳔胶同样应用广泛。书于公元500年的《考工记》中,记载有“鹿胶青白,马胶赤白,鼠胶黑,鱼胶饵,犀胶黄”,其中的“鱼胶”就是指鱼鳔胶(俗称黄鱼胶)。宋代船体的防水和渗漏主要利用的就是鱼胶,明朝时候的造船厂和远洋船队里更少不了鱼胶的粘合修补。相比罗马人将焦油和蜂蜡作为他们船只木板之间的填缝和密封剂,鱼鳔胶因其耐水耐低温,更适合我国木质船体榫卯的粘接,稳定性也更强。

其他种类胶水的发明、使用,在东西方也是不谋而合。比如老普林尼在《自然史》中还描述了一种用“精细面粉加沸水搅拌,洒上几滴醋”制成的糨糊,这种糨糊在我国古时也常被作为文房的文具,为了防虫防蛀还会在糨糊中加入香料药材。同样,熟石灰、火山灰和沙子的混合物是古希腊和罗马人的灰浆粘合剂,罗马竞技场和万神殿的建造就少不了火山灰水泥。而在中国古代建筑的胶凝里,也常常采用石灰掺有机物的胶凝材料,如“石灰加糯米”“石灰加桐油”“石灰加白芨”等。

罗马帝国陨落后,欧洲胶水的技艺几近失传,直到16、17世纪才慢慢重建。而在中亚地带,公元1000年左右蒙古人的崛起,从某种程度上来说也有胶水的功劳。成吉思汗的弓箭坚韧,射程远、威力足——这些弓箭接缝处的粘合剂据说是用一种特别的树脂制成。

新型合成胶剂的发展

1690年,荷兰第一家商业胶水厂的建立拉开了现代胶粘剂的发展序幕。这家胶水厂同样采用的是动物胶的原料。动物胶制品有一个好处是可以废物利用,英国人彼特·佐梅尔就从制鲸油人丢弃的鱼块垃圾中挑选大块的鱼肉、鱼尾和鱼鳍制成了胶水,还在1750年成功申请了第一个英国胶水专利。

接下来几十年里,关于胶水的专利频现,这也意味着现代制胶工业的飞速发展:1876年,美国罗斯兄弟获得了第一项用于生产酪蛋白胶的美国专利;1867年,美国颁发了一项关于糊精(一种淀粉衍生物)粘合剂的专利;1862年,一项通过电沉积法将金属与黄铜电镀的英国专利被颁发。

19世纪末之前,因为易于干涸、储藏期短,胶水生产出来以后的销售范围只局限在当地或半径较短的周边。成立于1876年的勒佩吉公司(创始人威廉·勒佩吉)率先找到了解决之道。盐分是胶水最大的障碍,所以制造鱼胶时,他们用碳酸钠清除了鱼胶中的盐分,让制成的胶水不仅更加粘稠耐用,而且可以储存数月,历经长途运输而不干涸。勒佩吉的胶水还可以随用随取,而别的胶水在使用前必须加热。所以在1880年,公司推出家用胶水以后,勒佩吉公司在世界各地卖出的胶水多达4700万瓶。

植物淀粉用于制胶已有上千年历史,但未用于家具制造业。在1905年,美国印第安纳州的弗兰克·加德纳·珀金斯率先尝试用木薯粉代替肉类和鱼类制胶,成功制造出第一支植物胶。不过,尽管植物胶水生产成本相对较低,勒佩吉也生产出了随用随取的液体胶,但在当时主导市场的仍是用牛和马制成的胶水。

1910年是胶水的关键一年,由酚醛树脂发展合成的胶合板意味着合成胶水的诞生。来自瑞典的鞋匠,亚历克斯·卡尔森(Alex Carlson)是第一位靠合成树脂制胶赚钱的人。1922年,他收集瑞典电影制片厂用剩的赛璐珞,混以丙酮,制成了多功能胶水。

到20世纪30年代,由于高分子材料的出现和现代工业特别是航空工业发展的需要,出现了以合成高分子材料为主要成分的新型胶粘剂。在第二次世界大战期间,由于当时飞机制造上的需要,胶粘剂得到了迅速的发展,出现了酚醛-缩醛胶、聚氨酯胶等新胶种。

在20世纪50年代,开始出现了环氧树脂胶粘剂。环氧胶具有强度高、种类多、适应性强等特点,成为主要的结构胶粘剂。

1980年,日本钟化集团最初开发出商品名为“钟化MS聚合物”的硅改性聚醚密封胶,作为高性能的弹性体密封胶,在日本发展迅速。

多种新材料的合成粘剂不断出现,直至今天,新型合成胶剂的发展仍在继续。

古代生活

古人做家具

会用到胶水吗?

现代家具制造中,无论是合成板材还是实木家具,结构、部件的组合都少不了胶水的帮助,这让人不由得联想:没有现代胶水的古时,人们是怎样制作家具的呢?

传统的榫卯结构是最常见的解决方案。这是一种河姆渡时期就已存在,在汉朝以后成熟并广泛应用的木工技术。榫又叫榫头,是木质构件上凸出的部分;卯又称榫眼,是木材经加工凹进的地方。凹凸部位相结合起到的连接固定就是榫卯结构。在钉子普遍昂贵易锈的时期,榫卯结构是我国古代家具制造的智慧结晶,不过这并不代表家具制造不用胶水。

古代没有化工胶水,工匠们最常使用的是鱼鳔胶。鱼鳔胶常常被用作辅助材料,因其制作过程耗时耗工,也主要见于宫廷家具。鱼鳔胶,顾名思义取材来自鱼鳔,且选择个头较大的深海鱼均匀、厚实的鱼鳔为佳。经过清洗、浸泡、杵磨、拉丝、熬煮、过滤、晾晒等一系列复杂工序,成品的鱼鳔胶成小条状,易于存储。使用时需再次熬化,并伴随季节使用稀稠不等,正所谓“冬使稀,夏使稠,春秋两季使将就。”

鱼鳔胶不仅可以起到胶水的粘合固定作用,还具有不错的物理伸缩特性,结合榫卯结构使用,能伴随季节更迭中木材结构的热胀冷缩形成弹性连接;同时鱼鳔胶在维修时加热就可轻松拆卸,避免因为硬性分离撕裂损害家具木材。

奇思妙想

胶棒的灵感

来自万里高空

在文具领域,胶水多用于粘合纸张附件、制作手工,这样的胶水常被装在避光的瓶罐里,使用时要借助刷子涂抹,不仅不便于携带,还容易打翻或滴漏,弄得满手粘稠、一片狼藉。所以当1969年德国汉高公司推出采用固体胶水形态、即扭即用的“百特牌”胶棒时,立即风靡市场。推出后不到两年,百特胶棒就打开了38个国家的市场。到了今天,百特胶棒的市场已经遍布世界上120多个国家,年产量高达1.3亿支,累计出售约25亿支。

百特胶棒创意的发明者是汉高公司的制造研究员沃尔夫冈·迪尔里希博士。在百特胶棒的官方档案里,迪尔里希博士的发明灵感来自于一次高空飞行。坐飞机出差的过程中,坐在迪尔里希附近的一名女士从包里拿出一只唇膏,开始细细涂抹。这再平常不过的举动却让迪尔里希开始思考:如果涂抹胶水能像涂抹唇膏一样灵巧方便,如果这种细细的可旋转的容器里装的是固体胶棒,如果胶水可以随身携带、即拧即用……等到飞机从万里高空降落的时候,他已经有了一个改变胶水市场的想法。从此,干净、方便的胶棒加入了文具胶水的家族。

弄拙成巧

一种不完美的胶水催生了便利贴

生产的胶水粘性不够?对于胶水公司来说,这几乎是一件失败之作,但正应了“天生我才必有用”这句话,这样的胶水反而促使了新型办公用品的诞生。

西尔弗是一名有机化学博士,毕业以后进入了美国3M公司研究实验室工作。他所在的团队主要研发压敏型胶水,理想中的胶水既要能与物体紧密粘合,也要在掀除的时候既方便又不留痕迹。在研制胶水配方时,西尔弗加入了比规定量更多的化学反应物,导致分子聚合。结果十分出人意料,产生的微粒没有溶解,反而在溶剂中分散开来。

新胶水因其形状特性,微粒形成的微小球体只能粘住物体表面的一小部分,也就成了粘合度较低的胶。一开始并没人能想到这样的胶水会有什么用处,直到他在3M公司的另外一名同事,在胶带部门工作的阿特·弗赖伊拿了一些新胶水的样品贴在他唱赞美诗的小纸条后面,然后又用这种弱性胶水来贴住办公会议材料上的提示条——一项新的产品“便利贴”就此出现。可以在一张背面有粘性的小纸片上记下提示,然后把它贴在(也可以轻易摘除)冰箱、办公桌、书本等任何想要看见的地方。便利贴已经成了几十亿美元的大生意,最初的创意来源却是一款看似不成功的胶水。

(部分图片/视觉中国)

作者 文慧

流程编辑 刘伟利

来源:北京日报