home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ WINMX Assorted Textfiles / Ebooks.tar / Text - Sci Fi - Sterling, Bruce - Superglue.txt < prev    next >
Text File  |  2003-06-29  |  14KB  |  280 lines

  1. Bruce Sterling
  2.  
  3. bruces@well.sf.ca.us
  4.  
  5.  
  6.  
  7. LITERARY FREEWARE: NOT FOR COMMERCIAL USE
  8.  
  9. From THE MAGAZINE OF FANTASY AND SCIENCE FICTION, June 1993.
  10.  
  11. F&SF, Box 56, Cornwall CT 06753 $26/yr USA $31/yr other
  12.  
  13. F&SF Science Column #7:
  14.  
  15.  
  16.  
  17. SUPERGLUE
  18.  
  19.  
  20.  
  21. This is the Golden Age of Glue.
  22.  
  23. For thousands of years, humanity got by with natural glues like
  24. pitch, resin, wax, and blood; products of hoof and hide and treesap
  25. and tar. But during the past century, and especially during the past
  26. thirty years, there has been a silent revolution in adhesion.
  27.  
  28. This stealthy yet steady technological improvement has been
  29. difficult to fully comprehend, for glue is a humble stuff, and the
  30. better it works, the harder it is to notice. Nevertheless, much of the
  31. basic character of our everyday environment is now due to advanced
  32. adhesion chemistry.
  33.  
  34. Many popular artifacts from the pre-glue epoch look clunky
  35. and almost Victorian today. These creations relied on bolts, nuts,
  36. rivets, pins, staples, nails, screws, stitches, straps, bevels, knobs, and
  37. bent flaps of tin. No more. The popular demand for consumer
  38. objects ever lighter, smaller, cheaper, faster and sleeker has led to
  39. great changes in the design of everyday things.
  40.  
  41. Glue determines much of the difference between our
  42. grandparent's shoes, with their sturdy leather soles, elaborate
  43. stitching, and cobbler's nails, and the eerie-looking modern jogging-
  44. shoe with its laminated plastic soles, fabric uppers and sleek foam
  45. inlays. Glue also makes much of the difference between the big
  46. family radio cabinet of the 1940s and the sleek black hand-sized
  47. clamshell of a modern Sony Walkman.
  48.  
  49. Glue holds this very magazine together. And if you happen to
  50. be reading this article off a computer (as you well may), then you
  51. are even more indebted to glue; modern microelectronic assembly
  52. would be impossible without it.
  53.  
  54. Glue dominates the modern packaging industry. Glue also has
  55. a strong presence in automobiles, aerospace, electronics, dentistry,
  56. medicine, and household appliances of all kinds. Glue infiltrates
  57. grocery bags, envelopes, books, magazines, labels, paper cups, and
  58. cardboard boxes; there are five different kinds of glue in a common
  59. filtered cigarette. Glue lurks invisibly in the structure of our
  60. shelters, in ceramic tiling, carpets, counter tops, gutters, wall siding,
  61. ceiling panels and floor linoleum. It's in furniture, cooking utensils,
  62. and cosmetics. This galaxy of applications doesn't even count the
  63. vast modern spooling mileage of adhesive tapes: package tape,
  64. industrial tape, surgical tape, masking tape, electrical tape, duct tape,
  65. plumbing tape, and much, much more.
  66.  
  67. Glue is a major industrial industry and has been growing at
  68. twice the rate of GNP for many years, as adhesives leak and stick
  69. into areas formerly dominated by other fasteners. Glues also create
  70. new markets all their own, such as Post-it Notes (first premiered in
  71. April 1980, and now omnipresent in over 350 varieties).
  72.  
  73. The global glue industry is estimated to produce about twelve
  74. billion pounds of adhesives every year. Adhesion is a $13 billion
  75. market in which every major national economy has a stake. The
  76. adhesives industry has its own specialty magazines, such as
  77. Adhesives Age andSAMPE Journal; its own trade groups, like the
  78. Adhesives Manufacturers Association, The Adhesion Society, and the
  79. Adhesives and Sealant Council; and its own seminars, workshops and
  80. technical conferences. Adhesives corporations like 3M, National
  81. Starch, Eastman Kodak, Sumitomo, and Henkel are among the world's
  82. most potent technical industries.
  83.  
  84. Given all this, it's amazing how little is definitively known
  85. about how glue actually works -- the actual science of adhesion.
  86. There are quite good industrial rules-of-thumb for creating glues;
  87. industrial technicians can now combine all kinds of arcane
  88. ingredients to design glues with well-defined specifications:
  89. qualities such as shear strength, green strength, tack, electrical
  90. conductivity, transparency, and impact resistance. But when it
  91. comes to actually describing why glue is sticky, it's a different
  92. matter, and a far from simple one.
  93.  
  94. A good glue has low surface tension; it spreads rapidly and
  95. thoroughly, so that it will wet the entire surface of the substrate.
  96. Good wetting is a key to strong adhesive bonds; bad wetting leads
  97. to problems like "starved joints," and crannies full of trapped air,
  98. moisture, or other atmospheric contaminants, which can weaken the
  99. bond.
  100.  
  101. But it is not enough just to wet a surface thoroughly; if that
  102. were the case, then water would be a glue. Liquid glue changes
  103. form; it cures, creating a solid interface between surfaces that
  104. becomes a permanent bond.
  105.  
  106. The exact nature of that bond is pretty much anybody's guess.
  107. There are no less than four major physico-chemical theories about
  108. what makes things stick: mechanical theory, adsorption theory,
  109. electrostatic theory and diffusion theory. Perhaps molecular strands
  110. of glue become physically tangled and hooked around irregularities
  111. in the surface, seeping into microscopic pores and cracks. Or, glue
  112. molecules may be attracted by covalent bonds, or acid-base
  113. interactions, or exotic van der Waals forces and London dispersion
  114. forces, which have to do with arcane dipolar resonances between
  115. magnetically imbalanced molecules. Diffusion theorists favor the
  116. idea that glue actually blends into the top few hundred molecules of
  117. the contact surface.
  118.     
  119. Different glues and different substrates have very different
  120. chemical constituents. It's likely that all of these processes may have
  121. something to do with the nature of what we call "stickiness" -- that
  122. everybody's right, only in different ways and under different
  123. circumstances.
  124.  
  125. In 1989 the National Science Foundation formally established
  126. the Center for Polymeric Adhesives and Composites. This Center's
  127. charter is to establish "a coherent philosophy and systematic
  128. methodology for the creation of new and advanced polymeric
  129. adhesives" -- in other words, to bring genuine detailed scientific
  130. understanding to a process hitherto dominated by industrial rules of
  131. thumb. The Center has been inventing new adhesion test methods
  132. involving vacuum ovens, interferometers, and infrared microscopes,
  133. and is establishing computer models of the adhesion process. The
  134. Center's corporate sponsors -- Amoco, Boeing, DuPont, Exxon,
  135. Hoechst Celanese, IBM, Monsanto, Philips, and Shell, to name a few of
  136. them -- are wishing them all the best.
  137.  
  138. We can study the basics of glue through examining one typical
  139. candidate. Let's examine one well-known superstar of modern
  140. adhesion: that wondrous and well-nigh legendary substance known
  141. as "superglue." Superglue, which also travels under the aliases of
  142. SuperBonder, Permabond, Pronto, Black Max, Alpha Ace, Krazy Glue
  143. and (in Mexico) Kola Loka, is known to chemists as cyanoacrylate
  144. (C5H5NO2).
  145.  
  146. Cyanoacrylate was first discovered in 1942 in a search for
  147. materials to make clear plastic gunsights for the second world war.
  148. The American researchers quickly rejected cyanoacrylate because
  149. the wretched stuff stuck to everything and made a horrible mess. In
  150. 1951, cyanoacrylate was rediscovered by Eastman Kodak researchers
  151. Harry Coover and Fred Joyner, who ruined a perfectly useful
  152. refractometer with it -- and then recognized its true potential.
  153. Cyanoacrylate became known as Eastman compound #910. Eastman
  154. 910 first captured the popular imagination in 1958, when Dr Coover
  155. appeared on the "I've Got a Secret" TV game show and lifted host
  156. Gary Moore off the floor with a single drop of the stuff.
  157.  
  158. This stunt still makes very good television and cyanoacrylate
  159. now has a yearly commercial market of $325 million.
  160.  
  161. Cyanoacrylate is an especially lovely and appealing glue,
  162. because it is (relatively) nontoxic, very fast-acting, extremely strong,
  163. needs no other mixer or catalyst, sticks with a gentle touch, and does
  164. not require any fancy industrial gizmos such as ovens, presses, vices,
  165. clamps, or autoclaves. Actually, cyanoacrylate does require a
  166. chemical trigger to cause it to set, but with amazing convenience, that
  167. trigger is the hydroxyl ions in common water. And under natural
  168. atmospheric conditions, a thin layer of water is naturally present on
  169. almost any surface one might want to glue.
  170.     
  171. Cyanoacrylate is a "thermosetting adhesive," which means that
  172. (unlike sealing wax, pitch, and other "hot melt" adhesives) it cannot
  173. be heated and softened repeatedly. As it cures and sets,
  174. cyanoacrylate becomes permanently crosslinked, forming a tough
  175. and permanent polymer plastic.
  176.  
  177. In its natural state in its native Superglue tube from the
  178. convenience store, a molecule of cyanoacrylate looks something like
  179. this:
  180.  
  181.         CN
  182.       /
  183. CH2=C
  184.       \
  185.        COOR
  186.  
  187. The R is a variable (an "alkyl group") which slightly changes
  188. the character of the molecule; cyanoacrylate is commercially
  189. available in ethyl, methyl, isopropyl, allyl, butyl, isobutyl,
  190. methoxyethyl, and ethoxyethyl cyanoacrylate esters. These
  191. chemical variants have slightly different setting properties and
  192. degrees of gooiness.
  193.  
  194. After setting or "ionic polymerization," however, Superglue
  195. looks something like this:
  196.  
  197.          CN     CN      CN
  198.          |      |       |
  199. - CH2C -(CH2C)-(CH2C)- (etc. etc. etc)
  200.          |      |       |
  201.          COOR   COOR    COOR
  202.  
  203. The single cyanoacrylate "monomer" joins up like a series of
  204. plastic popper-beads, becoming a long chain. Within the thickening
  205. liquid glue, these growing chains whip about through Brownian
  206. motion, a process technically known as "reptation," named after the
  207. crawling of snakes. As the reptating molecules thrash, then wriggle,
  208. then finally merely twitch, the once- thin and viscous liquid becomes
  209. a tough mass of fossilized, interpenetrating plastic molecular
  210. spaghetti.
  211.  
  212. And it is strong. Even pure cyanoacrylate can lift a ton with a
  213. single square-inch bond, and one advanced elastomer-modified '80s
  214. mix, "Black Max" from Loctite Corporation, can go up to 3,100 pounds.
  215. This is enough strength to rip the surface right off most substrates.
  216. Unless it's made of chrome steel, the object you're gluing will likely
  217. give up the ghost well before a properly anchored layer of Superglue
  218. will.
  219.  
  220. Superglue quickly found industrial uses in automotive trim,
  221. phonograph needle cartridges, video cassettes, transformer
  222. laminations, circuit boards, and sporting goods. But early superglues
  223. had definite drawbacks. The stuff dispersed so easily that it
  224. sometimes precipitated as vapor, forming a white film on surfaces
  225. where it wasn't needed; this is known as "blooming." Though
  226. extremely strong under tension, superglue was not very good at
  227. sudden lateral shocks or "shear forces," which could cause the glue-
  228. bond to snap. Moisture weakened it, especially on metal-to-metal
  229. bonds, and prolonged exposure to heat would cook all the strength
  230. out of it.
  231.  
  232. The stuff also coagulated inside the tube with annoying speed,
  233. turning into a useless and frustrating plastic lump that no amount of
  234. squeezing of pinpoking could budge -- until the tube burst and and
  235. the thin slippery gush cemented one's fingers, hair, and desk in a
  236. mummified membrane that only acetone could cut.
  237.  
  238. Today, however, through a quiet process of incremental
  239. improvement, superglue has become more potent and more useful
  240. than ever. Modern superglues are packaged with stabilizers and
  241. thickeners and catalysts and gels, improving heat capacity, reducing
  242. brittleness, improving resistance to damp and acids and alkalis.
  243. Today the wicked stuff is basically getting into everything.
  244.  
  245. Including people. In Europe, superglue is routinely used in
  246. surgery, actually gluing human flesh and viscera to replace sutures
  247. and hemostats. And Superglue is quite an old hand at attaching fake
  248. fingernails -- a practice that has sometimes had grisly consequences
  249. when the tiny clear superglue bottle is mistaken for a bottle of
  250. eyedrops. (I haven't the heart to detail the consequences of this
  251. mishap, but if you're not squeamish you might try consulting The
  252. Journal of the American Medical Association, May 2, 1990 v263 n17
  253. p2301).
  254.  
  255. Superglue is potent and almost magical stuff, the champion of
  256. popular glues and, in its own quiet way, something of an historical
  257. advent. There is something pleasantly marvelous, almost Arabian
  258. Nights-like, about a drop of liquid that can lift a ton; and yet one can
  259. buy the stuff anywhere today, and it's cheap. There are many urban
  260. legends about terrible things done with superglue; car-doors locked
  261. forever, parking meters welded into useless lumps, and various tales
  262. of sexual vengeance that are little better than elaborate dirty jokes.
  263. There are also persistent rumors of real-life superglue muggings, in
  264. which victims are attached spreadeagled to cars or plate-glass
  265. windows, while their glue-wielding assailants rifle their pockets at
  266. leisure and then stroll off, leaving the victim helplessly immobilized.
  267.  
  268. While superglue crime is hard to document, there is no
  269. question about its real-life use for law enforcement. The detection
  270. of fingerprints has been revolutionized with special kits of fuming
  271. ethyl-gel cyanoacrylate. The fumes from a ripped-open foil packet of
  272. chemically smoking superglue will settle and cure on the skin oils
  273. left in human fingerprints, turning the smear into a visible solid
  274. object. Thanks to superglue, the lightest touch on a weapon can
  275. become a lump of plastic guilt, cementing the perpetrator to his
  276. crime in a permanent bond.
  277.  
  278. And surely it would be simple justice if the world's first
  279. convicted superglue mugger were apprehended in just this way.
  280.