聚乙烯醇 ─ 膠水的成分

聚乙烯醇 (Polyvinyl Alcohol, PVA) ─膠水的成分
臺北市立第一女子高級中學二年級吳奕萱

黏著劑

黏著劑也稱膠黏劑、黏合劑，為 1742 年美國人亨利‧庫特博士（Dr. Harry Coover）發明。其用途為將兩個物體黏在一起，且根據所要黏合材料的特性（主要是表面特性，如粗糙度），使用不同的黏著劑。黏合劑最初是稀釋的樹脂（本身具有黏性），後隨著化學工業的進步，有人工製造的膠水成份：PVA、水、防腐劑。

膠水成分

膠水的成分主要為聚乙烯醇(PVA)及硼砂。聚乙烯醇是一種水溶性塑膠，加入硼砂，硼原子與氧原子會將聚乙烯醇分子串在一起，所形成的黏稠狀液體就是膠水。因此膠水會在空氣中慢慢凝固，而且此反應不可逆。

聚乙烯醇

聚乙烯醇，$$\bf{(C_2H_4O)_n}$$，$$\bf{[-CH_2H_2-CH(OH)-]_n}$$，由聚乙酸乙烯酯經皂化而成的高分子有機化合物（不由單體聚合）。外觀呈白色粉末狀、片狀或絮狀固體，無味。化合物無毒，對皮膚無刺激作用，但粉塵會刺激眼部。

在聚乙烯醇分子中存在著兩種化學結構，即 $$1,3$$ 和 $$1,2$$ 乙二醇結構，以 $$1,3$$ 結構為主（“頭尾”結構）。熔點 $$230^\circ C$$，玻璃化溫度 $$75$$～$$85^\circ C$$，在空氣中加熱至 $$100^\circ C$$ 以上慢慢變色、脆化。加熱至約 $$160$$～$$170^\circ C$$ 脱水醚化，失去溶解性，加熱到 $$200^\circ C$$ 開始分解，超過 $$250^\circ C$$ 則轉為含共軛雙鍵的聚合物。

聚乙烯醇的化學性質與低分子量之多元醇相近，可與酸或酸酐反應生成酯、與環氧乙烷反應生成醚、與二羥甲基素、乙二醛、二異氰酸鹽等發生交聯作用。聚乙烯醇水溶液 $$(5\%)$$ 對硼砂、硼酸很敏感，易引起凝膠化，當硼砂達到溶液質量的 $$1\%$$ 時，就會產生不可逆的凝胺化。膠水便利用此原理達到黏著效果。

聚乙烯醇含有許多醇基，具有極性，可與水形成氫鍵，故能溶於極性的水；也可溶於熱的含羥基溶劑（例如：甘油、苯酚），不溶於一般有機溶劑（例如：甲醇、苯、丙酮、汽油）。利用此性質，可合成聚乙烯醇導電的複合材料。

工業與生活上的用途：製造聚乙烯醇縮醛、耐汽油管道、維尼綸纖維加工劑、膠粘劑、膠料、乳化劑、保護膠體等。生產聚乙烯醇的工藝路線按原料分，有乙烯法和乙炔法（電石乙炔合成法、天然氣裂解乙炔）兩類。

膠水成分反應機制

硼砂的分子式為 $$\bf{Na_2B_4O_7}$$，當硼砂溶於水中時會生成硼酸（boric acid，$$\bf{H_3BO_3}$$），硼酸於水溶液中會接受帶負電荷氫氧根離子（Hydroxide，$$\bf{OH^-}$$）進而生成硼酸根離子（borate ion，$$\bf{B(OH{)_4}^-}$$）。

$$\bf{B(OH)_3}+\bf{2H_2O}\longrightarrow\bf{B(OH{)_4}^{-}}+\bf{H_3O^{+}}$$

$$\bf{B(OH{)_4}^{-}}$$ 與聚乙烯醇 (PVA) 上的醇基進行縮合反應（condensation reaction）並且脫去水分子，使得聚乙烯醇分子交聯（cross linking）在一起，而形成具有彈性的黏土狀聚合物。

膠水觸感

觸摸膠水，有滑膩又黏黏的感覺，其原因是：聚乙烯醇含有許多羥基（醇基，$$\bf{R-O-H}$$），具有極性，且可與水形成氫鍵，彼此互相吸引糾纏產生黏性。但如果為了節省成本，加入更多水以稀釋膠水，則此時膠水分子被水分子隔開距離過長，反而使黏性下降。 

資料來源

1. 楊水平(2011)，「變態的膠水─聚乙烯醇與硼砂的交聯作用」，中學化學示範實驗Chemical Demonstrations (http://blog.ncue.edu.tw/yangsp/doc/26876)。
2. S. S. MNATSAKANOV, The Great Soviet Encyclopedia, 3rd Edition (1970-1979). © 2010 The Gale Group, Inc.
3. 塑膠工業技術發展中心 (2003)，「塑膠物語：聚乙烯醇」，塑膠ｅ學苑（http://psdn.pidc.org.tw/ike/doclib/2003/2003doclib/2003ike47-0/2003ike47-0-307.asp）