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¿Cuál es la diferencia entre energía libre superficial y energía superficial?En última instancia, se trata de una cuestión puramente semántica.La energía libre superficial es la energía libre en un espacio específico (superficie material).En el sentido más puro de la termodinámica, la energía libre se refiere a la energía que se puede utilizar para trabajar, provocar efectos y hacer que algo suceda.La energía libre superficial está relacionada con la energía que se puede hacer sobre la superficie del material.
Para los fabricantes y cualquier persona involucrada en la adhesión, limpieza, unión, recubrimientos, tintas y formulaciones de pinturas, sellado o cualquier otro proceso que implique la interacción de superficies con otras superficies o su entorno, la energía libre de la superficie generalmente se reduce a solo energía superficial.
Las superficies son fundamentales para todos los procesos enumerados anteriormente e incluso si tienen un impacto directo en el desempeño de los fabricantes de productos en todas las industrias, a menudo no se miden y, por lo tanto, no se controlan.
Controlar la superficie en la fabricación se refiere a controlar la energía superficial de los materiales utilizados.
La superficie está compuesta por moléculas que interactúan químicamente entre sí y por las moléculas que forman la superficie de otros materiales con los que entran en contacto.Para cambiar la energía superficial, debe entenderse que esas moléculas pueden eliminarse mediante limpieza y tratamiento, reemplazarse o manipularse de otro modo para producir diferentes niveles de energía superficial y lograr los resultados deseados.Para controlar la energía superficial, se debe medir durante todo el proceso de cambio de la química superficial para determinar cuándo y en qué medida.De esta manera se puede obtener la cantidad precisa de energía superficial necesaria en el momento adecuado durante el proceso de adhesión o limpieza.
Para comprender cómo las moléculas realizan el trabajo de construir enlaces fuertes y limpiar químicamente superficies, necesitamos comprender la atracción que atrae a las moléculas y constituye la energía libre total de la superficie disponible.
Cuando hablamos de la energía de la superficie, nos referimos a la capacidad de esa superficie para realizar trabajo.Literalmente, esta es la capacidad de la superficie para mover moléculas; este movimiento requiere energía.Es importante recordar que una superficie y las moléculas que la forman son iguales.Sin moléculas no hay superficie.Si no hay energía, estas moléculas no pueden completar el trabajo de adsorción sobre el adhesivo, por lo que no hay unión.
Por tanto, el trabajo es directamente proporcional a la energía.Más trabajo requiere más energía.Además, si tienes más energía, tu trabajo aumentará.La capacidad de una molécula para funcionar proviene de su atracción hacia otras moléculas.Estas fuerzas de atracción provienen de varias formas diferentes en las que interactúan las moléculas.
Fundamentalmente, las moléculas interactúan porque tienen moléculas cargadas positiva y negativamente y atraen cargas opuestas entre las moléculas.Una nube de electrones flota alrededor de la molécula.Debido a estos electrones en constante movimiento, la molécula tiene una carga variable en una molécula de un área determinada.Si todas las moléculas tienen una carga uniforme a su alrededor, ninguna molécula se atraerá entre sí.Imagine dos rodamientos de bolas, cada rodamiento de bolas tiene una distribución uniforme de electrones en su superficie.Ninguno se atraerá porque ambos tienen carga negativa y no se puede atraer ninguna carga positiva.
Afortunadamente, en el mundo real, estas nubes electrónicas están en constante movimiento, y en cualquier momento hay zonas con cargas positivas o negativas.Si tienes dos moléculas con electrones cargados aleatoriamente a su alrededor en cualquier momento, tendrán una pequeña atracción entre ellas.La fuerza generada por la redistribución aleatoria de cargas positivas y negativas en la nube de electrones alrededor de la molécula se llama fuerza de dispersión.
Estas fuerzas son muy débiles.Independientemente de la estructura o composición de la molécula, existe una fuerza de dispersión entre todas las moléculas, que es directamente opuesta a la fuerza polar generada por la estructura de la molécula.
Por ejemplo, la fuerza de dispersión es la única fuerza que existe entre las moléculas de nitrógeno.A temperatura ambiente, el nitrógeno es un tipo de gas, debido a que la fuerza de dispersión es demasiado débil, no puede resistir la vibración térmica incluso a la temperatura más moderada y no puede mantener unidas las moléculas de nitrógeno.Sólo cuando eliminamos casi toda la energía térmica enfriándolo por debajo de -195°C, el nitrógeno se vuelve líquido.Una vez que la energía térmica se reduce lo suficiente, la fuerza de dispersión más débil puede superar la vibración térmica y juntar las moléculas de nitrógeno para formar un líquido.
Si nos fijamos en el agua, su tamaño molecular y masa son similares a los del nitrógeno, pero la estructura y composición de las moléculas de agua son diferentes a las del nitrógeno.Como el agua es una molécula muy polar, las moléculas se atraerán entre sí con mucha fuerza y ​​el agua permanecerá líquida hasta que su temperatura supere los 100 °C.A esta temperatura, la energía térmica supera las fuerzas moleculares. Con las fuerzas polares mantenidas juntas, el agua se convierte en gas.
El punto clave a entender es la diferencia de fuerza entre la fuerza de dispersión y la fuerza polar que atrae las moléculas entre sí.Cuando hablamos de la energía superficial producida por estas fuerzas de atracción, tenga esto en cuenta.
La energía superficial dispersa es parte de la energía superficial, que se genera por la dispersión de nubes de electrones en moléculas en la superficie del material.La energía superficial total es una expresión atractiva de la atracción de las moléculas entre sí.Las energías superficiales dispersas forman parte de la energía total, aunque sean componentes débiles y fluctuantes.
Para diferentes materiales, la energía superficial dispersada es diferente.Los polímeros altamente aromáticos (como el poliestireno) tienen muchos anillos de benceno y componentes dispersantes de energía superficial relativamente grandes.De manera similar, debido a que contienen una gran cantidad de heteroátomos (como el cloro), el PVC también tiene un componente de energía superficial dispersa relativamente grande en su energía superficial total.
Por tanto, el papel de la energía de dispersión en el proceso de fabricación depende de los materiales utilizados.Sin embargo, dado que la fuerza de dispersión apenas depende de la estructura molecular específica, la forma de controlarlas es muy limitada.
La interacción de la desviación de electrones dispersos basada en estas fluctuaciones no es la única forma en que las moléculas interactúan entre sí.Debido a ciertas características estructurales que crean otras fuerzas de atracción entre moléculas, las moléculas pueden interactuar con otras moléculas.Hay muchas formas de clasificar estas otras fuerzas, como las interacciones ácido-base, donde las moléculas interactúan a través de su capacidad para aceptar o donar electrones.
Algunas moléculas tienen características estructurales que producen dipolos permanentes, lo que significa que, además de la dispersión aleatoria de electrones alrededor de la molécula, algunas partes de la molécula son siempre más positivas o negativas que otras.Estos dipolos permanentes son más atractivos que las interacciones dispersivas.
Debido a su estructura, algunas moléculas tienen regiones cargadas permanentemente que están cargadas positiva o negativamente.La energía superficial polar es un componente de la energía superficial, que es causada por la atracción de estas cargas entre moléculas.
Podemos concentrar fácilmente todas las interacciones no dispersivas bajo la protección de las interacciones polares.
Las propiedades de dispersión de una molécula son función del tamaño de la molécula, especialmente de cuántos electrones y protones están presentes.No tenemos mucho control sobre la cantidad de electrones y protones, lo que limita nuestra capacidad para controlar el componente de dispersión de la energía superficial.
Sin embargo, el componente polar depende de la posición de los protones y los electrones: la forma de la molécula.Podemos cambiar la distribución de electrones y protones mediante métodos de tratamiento como el tratamiento con corona y el tratamiento con plasma.Esto es similar a cómo podemos cambiar la forma del bloque de arcilla, pero siempre mantendrá la misma calidad.
Las fuerzas polares son muy importantes porque forman parte de la energía superficial que controlamos cuando realizamos tratamientos superficiales.La atracción dipolo-dipolo es la causa de la fuerte adhesión entre la mayoría de los adhesivos, pinturas, tintas y superficies.Mediante limpieza, tratamiento con llama, tratamiento corona, tratamiento con plasma o cualquier otra forma de tratamiento superficial, podemos aumentar fundamentalmente el componente polar de la energía superficial, mejorando así la adhesión.
Al utilizar el mismo lado de la toallita IPA dos veces en la misma superficie, solo se pueden introducir sustancias de baja energía en la superficie para reducir involuntariamente el componente polar de la energía superficial.Además, la superficie puede recibir un tratamiento excesivo, lo que se volatiliza y reduce la energía superficial.Cuando la superficie no se produce en absoluto, el componente polar de la energía superficial también cambiará.Una superficie de almacenamiento limpia atrae moléculas del medio ambiente, incluidos los materiales de embalaje.Esto cambia el paisaje molecular de la superficie y puede reducir la energía superficial.
Difícilmente podemos controlar el tamaño de la dispersión.Estas fuerzas son básicamente fijas y tiene poco valor intentar cambiar la fuerza de dispersión como medio para controlar la calidad de la superficie para lograr una adhesión confiable durante el proceso de fabricación.
Cuando diseñamos o modificamos la superficie, estamos diseñando las propiedades de la componente polar de la energía superficial.Por lo tanto, si queremos desarrollar un proceso de tratamiento superficial para controlar la superficie del material, entonces queremos controlar la composición polar de la superficie.
La energía libre superficial es la suma de todas las fuerzas individuales que actúan entre las moléculas.Existen algunas fórmulas para la energía libre superficial.Si decidimos tratar todas las fuerzas no dispersivas como fuerzas polares, el cálculo de la energía libre superficial es sencillo.La fórmula es:
En la fabricación de productos confiables, tratamiento de superficies, limpieza y preparación, la energía libre de la superficie es la misma que la energía superficial.
Debido a los requisitos de producción involucrados en diversos procesos, como el rendimiento de adherencia de la junta, la correcta adherencia de la tinta sobre el plástico o el rendimiento del recubrimiento “autolimpiante” en la pantalla del teléfono inteligente, todos dependen del control. de las propiedades de la superficie.Por tanto, es muy importante entender la energía superficial como consecuencia del concepto de fabricación.
La energía superficial proviene de las diferentes formas en que las moléculas se atraen entre sí.Las interacciones polares entre moléculas son las más importantes para el proceso de adhesión y limpieza, porque estas interacciones a nivel molecular son las interacciones moleculares que más podemos controlar mediante el tratamiento de la superficie, el esmerilado, el lijado, la limpieza, el trapo o cualquier otro método de preparación de la superficie.
El conocimiento de la polaridad, la composición de la dispersión y la tensión superficial es muy importante para el desarrollo de adhesivos, tintas y recubrimientos.Sin embargo, para los productos fabricados con adhesivos, tintas, pinturas y revestimientos, normalmente sólo necesitamos prestar atención al componente polar de la energía superficial, porque es uno que se ve afectado por el proceso de fabricación.
Medir la energía superficial total es un proceso relativamente complejo y propenso a errores.Sin embargo, el ángulo de contacto de un único líquido como el agua está casi enteramente determinado por el componente polar de la energía superficial.Por tanto, midiendo el ángulo que produce la altura de una gota de agua en la superficie, podemos saber con asombrosa precisión cómo cambia la componente polar de la energía superficial.Generalmente, cuanto mayor es la energía superficial, menor es el ángulo causado por las gotas de agua que son atraídas y esparcidas o mojadas.La baja energía superficial hará que el agua forme gotas y se encoja en pequeñas burbujas en la superficie, formando un ángulo de contacto mayor.La consistencia de esta medición del ángulo de contacto está relacionada con la energía superficial y, por lo tanto, con el rendimiento de la adhesión, lo que proporciona a los fabricantes una forma confiable y repetible de garantizar la resistencia de sus productos.
Para obtener más información sobre cómo controlar el proceso de fabricación para lograr resultados más predecibles, descargue nuestro libro electrónico gratuito: Verifique la adhesión predecible en la fabricación a través del proceso.Este libro electrónico es su guía para el monitoreo de procesos mediante análisis predictivos, un proceso que elimina todas las conjeturas sobre el mantenimiento de la calidad de la superficie durante todo el proceso de unión.