问题

在拉开透明胶带时,为什么慢速拉开的部分会出现条状不透明带,而快速拉开的部分就是透明的?

回答
这个问题挺有意思的,它涉及到一些物理上的小细节,咱们一起来聊聊。你观察得够仔细!

你看那些透明胶带,本身之所以透明,是因为它的材质(通常是聚丙烯或者聚酯薄膜)分子排列比较有序,光线能比较顺畅地穿透过去,不会发生太多的散射和吸收。

现在咱们来说说为什么拉开的时候会有不透明的条纹出现。这主要跟胶带在拉扯过程中发生的形变有关,尤其是分子链的重新排列。

慢速拉开时,为什么会出现不透明条纹?

当你缓慢地拉扯胶带时,施加的力是逐渐增大的,而且作用时间相对较长。在这个过程中,胶带材料内部的分子链会开始发生滑移和重排。

1. 应力集中与局部形变: 尽管你是缓慢拉扯,但胶带的某个区域(比如你手指施加力的地方)的应力会相对集中。这个区域的分子链会开始受到比其他地方更大的拉力。
2. 分子链滑动与取向: 在这个局部应力下,分子链会开始沿着受力方向滑动,并试图朝同一个方向排列,也就是取向。这个过程是渐进的。
3. 微观结构变化: 胶带材料的微观结构并不是完全均匀的。在缓慢的应力下,一些结合得稍微紧密或位置不太理想的区域,分子链的滑移会伴随着一些微小的断裂或重塑。这种重塑过程不是瞬间完成的,而是持续进行。
4. 光散射增加: 当分子链发生不均匀的滑动、取向以及伴随的微观结构变化时,胶带内部就形成了一系列微小的不连续区域或者不均匀的密度分布。这些微小的结构变化会显著地散射光线。光线射入时,不再能顺利穿过,而是在这些不均匀的界面上发生反射和折射,从而使得被拉开的区域看起来不透明或半透明,形成一道道明显的条纹。你可以想象成在水里加入了很多细小的、不同方向的杂质,水就会变浑浊。

快速拉开时,为什么是透明的?

反过来,当你快速地、果断地拉扯胶带时,情况就不太一样了。

1. 快速、整体的撕裂: 快速拉扯意味着你施加的力作用非常短暂,而且这个力会迅速地传递到整个接触区域,导致胶带发生一个相对快速、整体的撕裂过程。
2. 分子链的“来不及”重排: 在极短的时间内,分子链没有足够的时间去缓慢地滑移、取向和发生复杂的重塑过程。它们更多的是在“被迫”断裂。
3. 均匀或随机的断裂: 这种快速断裂往往更接近于一种材料本身的韧性极限的突破。虽然也会有微观形变,但由于速度太快,这些形变和断裂的发生可能更加均匀或随机,没有形成那种有组织的、导致明显光散射的条状结构。
4. 较少的光散射: 即使有微小的结构变化,由于它们是随机的或者相对均匀的,对整体光线散射的影响没有慢速拉扯时那么显著。光线依然能够比较顺畅地穿透,所以你看到的是透明的。

打个比方:

你可以想象一下拉扯一根橡皮筋。

慢拉: 你慢慢拉,橡皮筋的橡胶分子链会慢慢滑动、伸长、取向,在这个过程中,如果你仔细看,可能会看到一些微小的纹理变化,甚至如果用力不均,它可能会出现一些“拉丝”的痕迹,这有点像胶带的不透明条纹。
快拉: 你猛地一拉,橡皮筋瞬间就拉长了,然后“啪”的一声断了。在这个极快的过程中,分子链的滑动取向来不及发生,更多是材料整体的“撕裂”,它不会出现那种有规律的纹理。

总结一下:

慢速拉扯时,胶带分子链有足够的时间发生有序的滑移、取向和局部的不均匀重塑,这些微观结构的变化导致光线发生明显散射,形成不透明条纹。而快速拉扯时,材料的断裂过程速度过快,分子链来不及进行复杂的有序重排,断裂过程更趋于均匀或随机,对光线的散射作用相对较小,所以保持透明。

这其实是一个关于材料力学和光学相互作用的有趣现象,下次你再用胶带,可以留意一下这个细节!

网友意见

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胶带撕开的过程,主要有三个材料参数——胶黏剂的内聚力、胶黏剂与材料A的黏着力、胶黏剂与材料B的黏着力。

在撕开一卷胶带的过程中,拉力首先突破胶带与材料B(透明胶带背面离型表面)之间的黏着力,胶黏剂附着在材料A上。

胶黏剂是一种非牛顿流体当拉开速度较慢时,胶黏剂表现为较小的表观粘度,胶黏剂在拉力作用下发生形变,甚至在显微镜下能看到类似“拉丝”的形貌。最终留下的表面会凹凸不平,或出现横纹。

当拉开速度较快时,胶黏剂表现为更大的表观粘度,通俗点说就是“更像固体”,胶层表面基本保持撕开前的光滑形貌。


胶层的这个特性还有另外一种体现。当纸基不干胶与某个表面黏的得很牢的时候,快速拉扯会让纸张断裂。如果小心慢慢拉扯,胶黏剂的表观粘度会更低,拉力首先突破胶黏剂的内聚力——一个弊端是很容易在物体表面上留下残胶。

这也是“不干胶”的一个天生弱点(相较於可以固化的胶水)——即便不是很大的力,也能慢慢揭开胶层。所以,不干胶通常都不太擅于长时间承受拉力。

当然时间太长的话,不干胶也会干。所以对于一些贴了几年的不干胶纸,“慢慢撕”也撕不开了。

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这个问题的核心是胶带里那层压敏胶,在不同的剪切速度下拥有不同的表观粘度,出现了剪切增稠的现象,已经有答主解释了我也不再重复,正好以前就搜过相关内容,这里给大家多补点图吧。

关于撕胶带的过程科学家们有过很多研究,主要分为高速撕胶带和慢速撕胶带。高速撕胶带一般是10cm/s,科学家们研究的焦点一般在力学性质和摩擦发光上(对,你没看错,撕胶带还会发光[1]……)。

而实验上慢速撕胶带一般有多慢呢?0.01mm/s,按照一般胶带长度为1m来算的话要撕俩小时。但是也只有这么慢的时候,我们才能看清在撕的时候胶带上发生了什么。

这是日本科学家[2]利用显微镜拍到的画面。画面里的胶带是从上往下撕的,在交界处,胶水的形状变成了锯齿的样子。如果我们用不同大小的力去撕的话,锯齿的数量也会发生变化。以下左图的图像是力较小的时候拍摄的,而右图是力较大的时候拍摄的。可以看到,左图两个锯齿之间的间距会比右图要大。所以当力较小,越慢撕的时候,也更容易撕出气泡来。

参考

  1. ^ Camara, C. G., Escobar, J. V., Hird, J. R., & Putterman, S. J. (2008). Correlation between nanosecond X-ray flashes and stick–slip friction in peeling tape. nature, 455(7216), 1089.
  2. ^ Miyagi, Z., Koike, M., Urahama, Y., & Yamamoto, K. (1994). Study of peeling properties of pressure-sensitive adhesives using a newly developed image processing system. International journal of adhesion and adhesives, 14(1), 39-45.

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