حبة زاوية

ما الفرق بين الطاقة الحرة السطحية والطاقة السطحية؟في التحليل النهائي، هذا سؤال دلالي بحت.الطاقة الحرة السطحية هي الطاقة الحرة في مساحة معينة (سطح المادة).بالمعنى الصرف للديناميكا الحرارية، تشير الطاقة الحرة إلى الطاقة التي يمكن استخدامها للعمل وإحداث التأثيرات وتحقيق شيء ما.ترتبط الطاقة الحرة السطحية بالطاقة التي يمكن القيام بها على سطح المادة.
بالنسبة للمصنعين وأي شخص مشارك في الالتصاق، أو التنظيف، أو الربط، أو الطلاء، أو الأحبار، أو تركيبات الطلاء، أو الختم، أو أي عملية أخرى تنطوي على تفاعل الأسطح مع الأسطح الأخرى أو بيئتها، عادةً ما يتم اختصار الطاقة الحرة السطحية إلى الطاقة السطحية فقط.
تعتبر الأسطح ضرورية لجميع العمليات المذكورة أعلاه، وحتى إذا كان لها تأثير مباشر على أداء الشركات المصنعة للمنتجات في جميع الصناعات، فغالبًا لا يتم قياسها وبالتالي لا يتم التحكم فيها.
يشير التحكم في السطح في التصنيع إلى التحكم في الطاقة السطحية للمواد المستخدمة.
يتكون السطح من جزيئات تتفاعل كيميائيًا مع بعضها البعض والجزيئات التي تشكل سطح المواد الأخرى التي تتلامس معها.ومن أجل تغيير الطاقة السطحية، يجب أن نفهم أنه يمكن إزالة تلك الجزيئات عن طريق التنظيف والمعالجة، أو استبدالها أو معالجتها بطريقة أخرى لإنتاج مستويات مختلفة من الطاقة السطحية وتحقيق النتائج المرجوة.من أجل التحكم في الطاقة السطحية، يجب قياسها طوال عملية تغيير كيمياء السطح لتحديد متى وكم.وبهذه الطريقة، يمكن الحصول على الكمية الدقيقة من الطاقة السطحية اللازمة في الوقت المناسب أثناء عملية الالتصاق أو التنظيف.
لفهم كيفية قيام الجزيئات بعمل بناء روابط قوية وتنظيف الأسطح كيميائيًا، نحتاج إلى فهم الجذب الذي يسحب الجزيئات معًا ويشكل إجمالي الطاقة الحرة للسطح المتاح.
عندما نتحدث عن طاقة السطح، فإننا نتحدث عن قدرة هذا السطح على بذل شغل.حرفيًا، هذه هي قدرة السطح على تحريك الجزيئات، وهذه الحركة تتطلب طاقة.من المهم أن نتذكر أن السطح والجزيئات التي يتكون منها السطح هي نفسها.بدون جزيئات، لا يوجد سطح.إذا لم تكن هناك طاقة، فإن هذه الجزيئات لا تستطيع إكمال عمل الامتزاز على المادة اللاصقة، وبالتالي لا يوجد ترابط.
ولذلك فإن الشغل يتناسب طرديا مع الطاقة.المزيد من العمل يتطلب المزيد من الطاقة.علاوة على ذلك، إذا كان لديك المزيد من الطاقة، فسوف يزيد عملك.إن قدرة الجزيء على العمل تأتي من جاذبيته للجزيئات الأخرى.تأتي هذه القوى الجذابة من عدة طرق مختلفة تتفاعل بها الجزيئات.
في الأساس، تتفاعل الجزيئات لأنها تحتوي على جزيئات موجبة وسالبة الشحنة، كما أنها تجتذب شحنات متضادة بين الجزيئات.تطفو سحابة من الإلكترونات حول الجزيء.وبسبب هذه الإلكترونات المتحركة باستمرار، يكون للجزيء شحنة متغيرة في جزيء في منطقة معينة.إذا كانت جميع الجزيئات لها شحنة موحدة حولها، فلن تنجذب أي جزيئات لبعضها البعض.تخيل محملين كرويين، كل محمل كروي لديه توزيع منتظم للإلكترونات على سطحه.ولن ينجذب أي منهما إلى الآخر لأن كلاهما يحمل شحنة سالبة ولا يمكن جذب أي شحنة موجبة.
ولحسن الحظ، في العالم الحقيقي، هذه السحب الإلكترونية في حركة مستمرة، وهناك مناطق ذات شحنات موجبة أو سلبية في أي لحظة.إذا كان لديك جزيئين حولهما إلكترونات مشحونة بشكل عشوائي في أي وقت من الأوقات، فسيكون هناك القليل من التجاذب بينهما.تسمى القوة الناتجة عن إعادة التوزيع العشوائي للشحنات الموجبة والسالبة في السحابة الإلكترونية حول الجزيء بقوة التشتت.
هذه القوى ضعيفة جداً.وبغض النظر عن بنية الجزيء أو تركيبته، فإن هناك قوة تشتت بين جميع الجزيئات، وهي معاكسة مباشرة للقوة القطبية المتولدة عن بنية الجزيء.
على سبيل المثال، قوة التشتت هي القوة الوحيدة الموجودة بين جزيئات النيتروجين.في درجة حرارة الغرفة، يعتبر النيتروجين نوعًا من الغاز، لأن قوة التشتيت ضعيفة للغاية، ولا يمكنه مقاومة الاهتزاز الحراري حتى في درجات الحرارة الأكثر اعتدالًا، ولا يمكنه ربط جزيئات النيتروجين معًا.فقط عندما نزيل كل الطاقة الحرارية تقريبًا عن طريق تبريدها إلى ما دون -195 درجة مئوية، يصبح النيتروجين سائلاً.بمجرد تقليل الطاقة الحرارية بدرجة كافية، يمكن لقوة التشتت الأضعف التغلب على الاهتزاز الحراري وسحب جزيئات النيتروجين معًا لتكوين سائل.
إذا نظرنا إلى الماء، فإن حجمه الجزيئي وكتلته يشبهان حجم وكتلة النيتروجين، لكن بنية وتركيب جزيئات الماء تختلف عن تلك الموجودة في النيتروجين.وبما أن الماء جزيء قطبي للغاية، فإن الجزيئات سوف تنجذب لبعضها البعض بقوة كبيرة، وسيظل الماء سائلا حتى ترتفع درجة حرارة الماء فوق 100 درجة مئوية.عند درجة الحرارة هذه، تتغلب الطاقة الحرارية على الجزيئات، ومع تماسك القوى القطبية معًا، يصبح الماء غازًا.
النقطة الأساسية التي يجب فهمها هي الفرق في القوة بين قوة التشتت والقوة القطبية التي تجذب الجزيئات لبعضها البعض.عندما نتحدث عن الطاقة السطحية التي تنتجها قوى التجاذب هذه، يرجى وضع ذلك في الاعتبار.
الطاقة السطحية المشتتة هي جزء من الطاقة السطحية التي تتولد عن تشتت السحب الإلكترونية في الجزيئات الموجودة على سطح المادة.تعد الطاقة السطحية الإجمالية تعبيرًا جذابًا عن انجذاب الجزيئات لبعضها البعض.الطاقات السطحية المتفرقة هي جزء من الطاقة الكلية ولو كانت مكوناتها ضعيفة ومتقلبة.
تختلف الطاقة السطحية المشتتة بالنسبة للمواد المختلفة.تحتوي البوليمرات عالية العطرية (مثل البوليسترين) على العديد من حلقات البنزين ومكونات مشتتة للطاقة السطحية كبيرة نسبيًا.وبالمثل، نظرًا لاحتوائها على عدد كبير من الذرات غير المتجانسة (مثل الكلور)، فإن PVC يحتوي أيضًا على مكون طاقة سطحية مشتت كبير نسبيًا في إجمالي الطاقة السطحية.
ولذلك فإن دور طاقة التشتت في عملية التصنيع يعتمد على المواد المستخدمة.ومع ذلك، بما أن قوة التشتت لا تعتمد على البنية الجزيئية المحددة، فإن طريقة التحكم فيها محدودة للغاية.
إن تفاعل انحراف الإلكترونات المتناثرة بناءً على هذه التقلبات ليس هو الطريقة الوحيدة لتفاعل الجزيئات مع بعضها البعض.بسبب بعض السمات الهيكلية التي تخلق قوى تجاذبية أخرى بين الجزيئات، يمكن للجزيئات أن تتفاعل مع جزيئات أخرى.هناك طرق عديدة لتصنيف هذه القوى الأخرى، مثل التفاعلات الحمضية القاعدية، حيث تتفاعل الجزيئات من خلال قدرتها على قبول الإلكترونات أو التبرع بها.
تتمتع بعض الجزيئات بسمات هيكلية تنتج ثنائيات أقطاب دائمة، مما يعني أنه بالإضافة إلى التشتت العشوائي للإلكترونات حول الجزيء، تكون بعض أجزاء الجزيء دائمًا أكثر إيجابية أو سلبية من غيرها.تعتبر ثنائيات الأقطاب الدائمة أكثر جاذبية من التفاعلات المشتتة.
نظرًا لبنيتها، تحتوي بعض الجزيئات على مناطق مشحونة بشكل دائم، إما مشحونة بشكل إيجابي أو سلبي.الطاقة السطحية القطبية هي أحد مكونات الطاقة السطحية، والتي تنتج عن تجاذب هذه الشحنات بين الجزيئات.
يمكننا بسهولة تركيز جميع التفاعلات غير المشتتة تحت حماية التفاعلات القطبية.
تعتمد خصائص تشتت الجزيء على حجم الجزيء، وخاصة عدد الإلكترونات والبروتونات الموجودة.ليس لدينا سيطرة كبيرة على عدد الإلكترونات والبروتونات، مما يحد من قدرتنا على التحكم في مكون التشتت للطاقة السطحية.
ومع ذلك، يعتمد المكون القطبي على موضع البروتونات والإلكترونات، أي شكل الجزيء.يمكننا تغيير توزيع الإلكترونات والبروتونات من خلال طرق العلاج مثل علاج الكورونا والعلاج بالبلازما.وهذا مشابه لكيفية تغيير شكل كتلة الطين، ولكنها ستحافظ دائمًا على نفس الجودة.
تعتبر القوى القطبية مهمة جدًا لأنها جزء من الطاقة السطحية التي نتحكم فيها عندما نقوم بالمعالجة السطحية.إن التجاذب ثنائي القطب هو سبب الالتصاق القوي بين معظم المواد اللاصقة والدهانات والأحبار والأسطح.من خلال التنظيف، أو معالجة اللهب، أو معالجة الإكليل، أو معالجة البلازما أو أي شكل آخر من أشكال معالجة السطح، يمكننا زيادة المكون القطبي للطاقة السطحية بشكل أساسي، وبالتالي تحسين الالتصاق.
باستخدام نفس الجانب من مسح IPA مرتين على نفس السطح، يمكن إدخال مواد منخفضة الطاقة فقط على السطح لتقليل المكون القطبي لطاقة السطح عن غير قصد.بالإضافة إلى ذلك، قد يتم معالجة السطح بشكل مفرط، مما يتطاير ويقلل الطاقة السطحية.عندما لا يتم إنتاج السطح على الإطلاق، فإن المكون القطبي للطاقة السطحية سيتغير أيضًا.سطح التخزين النظيف يجذب الجزيئات الموجودة في البيئة، بما في ذلك مواد التعبئة والتغليف.يؤدي هذا إلى تغيير المشهد الجزيئي للسطح وقد يقلل من طاقة السطح.
بالكاد يمكننا التحكم في حجم التشتت.هذه القوى ثابتة بشكل أساسي، وهناك قيمة قليلة في محاولة تغيير قوة التشتت كوسيلة للتحكم في جودة السطح لتحقيق التصاق موثوق به أثناء عملية التصنيع.
عندما نقوم بتصميم أو تعديل السطح، فإننا نصمم خصائص المكون القطبي للطاقة السطحية.لذلك، إذا أردنا تطوير عملية معالجة السطح للتحكم في سطح المادة، فإننا نريد التحكم في التركيب القطبي للسطح.
الطاقة الحرة السطحية هي مجموع كل القوى الفردية التي تعمل بين الجزيئات.هناك بعض الصيغ للطاقة الحرة السطحية.إذا قررنا التعامل مع جميع القوى غير المشتتة كقوى قطبية، فإن حساب الطاقة الحرة السطحية يكون بسيطًا.الصيغة هي:
في تصنيع منتجات موثوقة ومعالجة الأسطح والتنظيف والتحضير، تكون الطاقة الحرة السطحية هي نفس الطاقة السطحية.
نظرًا لمتطلبات الإنتاج التي تنطوي عليها العمليات المختلفة، مثل أداء التصاق المفصل، أو التصاق الحبر بشكل صحيح على البلاستيك أو أداء طلاء طلاء "التنظيف الذاتي" على شاشة الهاتف الذكي، فإن كل ذلك يعتمد على التحكم من خصائص السطح.لذلك، من المهم جدًا فهم الطاقة السطحية كنتيجة لمفهوم التصنيع.
تأتي الطاقة السطحية من الطرق المختلفة التي تجذب بها الجزيئات بعضها البعض.التفاعلات القطبية بين الجزيئات هي الأكثر أهمية لعملية الالتصاق والتنظيف، لأن هذه التفاعلات على المستوى الجزيئي هي التفاعلات الجزيئية التي يمكننا التحكم فيها أكثر من خلال معالجة السطح أو الطحن أو الصنفرة أو التنظيف أو المسح أو أي طرق أخرى لتحضير السطح.
تعد معرفة تركيب القطبية والتشتت والتوتر السطحي أمرًا مهمًا جدًا لتطوير المواد اللاصقة والأحبار والطلاءات.ومع ذلك، بالنسبة للمنتجات المصنعة باستخدام المواد اللاصقة والأحبار والدهانات والطلاءات، فإننا عادةً ما نحتاج فقط إلى الاهتمام بالمكون القطبي للطاقة السطحية، لأنه يتأثر بعملية التصنيع.
يعد قياس إجمالي الطاقة السطحية عملية معقدة نسبيًا وعرضة للخطأ.ومع ذلك، فإن زاوية التلامس لسائل واحد مثل الماء يتم تحديدها بالكامل تقريبًا بواسطة المكون القطبي للطاقة السطحية.ولذلك، فمن خلال قياس الزاوية الناتجة عن ارتفاع قطرة الماء على السطح، يمكننا أن نعرف بدقة مذهلة كيف يتغير المكون القطبي للطاقة السطحية.بشكل عام، كلما زادت الطاقة السطحية، قلت الزاوية الناتجة عن انجذاب قطرات الماء وانتشارها أو ترطيبها.سوف تتسبب الطاقة السطحية المنخفضة في تكوّن الماء وتقلصه إلى فقاعات صغيرة على السطح، مما يشكل زاوية اتصال أكبر.ويرتبط اتساق قياس زاوية التلامس هذه بالطاقة السطحية وبالتالي بأداء الالتصاق، مما يوفر للمصنعين طريقة موثوقة وقابلة للتكرار لضمان قوة منتجاتهم.
لمعرفة المزيد حول التحكم في عملية التصنيع لتحقيق نتائج أكثر قابلية للتنبؤ، قم بتنزيل كتابنا الإلكتروني المجاني: التحقق من الالتصاق المتوقع في التصنيع من خلال العملية.هذا الكتاب الإلكتروني هو دليلك لمراقبة العملية باستخدام التحليلات التنبؤية، وهي عملية تقضي على كل التخمينات حول الحفاظ على جودة السطح طوال عملية الربط.