Quelle est la différence entre l’énergie libre de surface et l’énergie de surface ?En dernière analyse, il s’agit d’une question purement sémantique.L'énergie libre de surface est l'énergie libre dans un espace spécifique (surface matérielle).Au sens le plus pur de la thermodynamique, l’énergie libre fait référence à l’énergie qui peut être utilisée pour travailler, provoquer des effets et faire bouger quelque chose.L'énergie libre de surface est liée à l'énergie qui peut être produite à la surface du matériau.
Pour les fabricants et toute personne impliquée dans l'adhésion, le nettoyage, le collage, les revêtements, les encres et les formulations de peinture, le scellement ou tout autre processus impliquant l'interaction de surfaces avec d'autres surfaces ou leur environnement, l'énergie libre de surface est généralement abrégée en énergie de surface.
Les surfaces sont essentielles à tous les processus répertoriés ci-dessus, et même si elles ont un impact direct sur les performances des fabricants de produits dans tous les secteurs, elles ne sont souvent pas mesurées et donc contrôlées.
Le contrôle de la surface dans la fabrication fait référence au contrôle de l'énergie de surface des matériaux utilisés.
La surface est composée de molécules qui interagissent chimiquement entre elles et avec les molécules qui constituent la surface des autres matériaux avec lesquels elles entrent en contact.Afin de modifier l'énergie de surface, il faut comprendre que ces molécules peuvent être éliminées par nettoyage et traitement, remplacées ou autrement manipulées pour produire différents niveaux d'énergie de surface et obtenir les résultats souhaités.Afin de contrôler l’énergie de surface, elle doit être mesurée tout au long du processus de modification de la chimie de la surface afin de déterminer quand et dans quelle mesure.De cette manière, la quantité précise d’énergie de surface nécessaire peut être obtenue au moment approprié pendant le processus d’adhésion ou de nettoyage.
Pour comprendre comment les molécules effectuent le travail de création de liaisons fortes et de nettoyage chimique des surfaces, nous devons comprendre l’attraction qui rassemble les molécules et constitue l’énergie libre totale de la surface disponible.
Lorsque nous parlons de l’énergie de la surface, nous parlons de la capacité de cette surface à effectuer un travail.Littéralement, il s’agit de la capacité de la surface à déplacer des molécules ; ce mouvement nécessite de l’énergie.Il est important de se rappeler qu’une surface et les molécules qui la composent sont identiques.Sans molécules, il n’y a pas de surface.S’il n’y a pas d’énergie, ces molécules ne peuvent pas terminer le travail d’adsorption sur l’adhésif, il n’y a donc pas de liaison.
Le travail est donc directement proportionnel à l’énergie.Plus de travail nécessite plus d’énergie.De plus, si vous avez plus d’énergie, votre travail augmentera.La capacité d’une molécule à fonctionner vient de son attirance pour d’autres molécules.Ces forces d’attraction proviennent de différentes manières par lesquelles les molécules interagissent.
Fondamentalement, les molécules interagissent parce qu’elles ont des molécules chargées positivement et négativement et qu’elles attirent des charges opposées entre les molécules.Un nuage d'électrons flotte autour de la molécule.En raison de ces électrons en mouvement constant, la molécule a une charge variable dans une molécule d’une zone donnée.Si toutes les molécules ont une charge uniforme autour d’elles, aucune molécule ne s’attirera.Imaginez deux roulements à billes, chaque roulement à billes a une répartition uniforme des électrons sur sa surface.Ni l’un ni l’autre ne s’attireront car ils ont tous deux une charge négative et aucune charge positive ne peut être attirée.
Heureusement, dans le monde réel, ces nuages électroniques sont en mouvement constant et il existe à tout moment des zones présentant des charges positives ou négatives.Si vous avez deux molécules autour d’elles avec des électrons chargés aléatoirement à un moment donné, elles auront une petite attraction entre elles.La force générée par la redistribution aléatoire des charges positives et négatives dans le nuage électronique autour de la molécule est appelée force de dispersion.
Ces forces sont très faibles.Quelle que soit la structure ou la composition de la molécule, il existe une force de dispersion entre toutes les molécules, qui est directement opposée à la force polaire générée par la structure de la molécule.
Par exemple, la force de dispersion est la seule force qui existe entre les molécules d’azote.À température ambiante, l'azote est une sorte de gaz, car la force de dispersion est trop faible, il ne peut pas résister aux vibrations thermiques même à la température la plus modérée et il ne peut pas maintenir les molécules d'azote ensemble.Ce n’est que lorsque nous éliminons presque toute l’énergie thermique en la refroidissant en dessous de -195°C que l’azote devient liquide.Une fois que l’énergie thermique est suffisamment réduite, la force de dispersion plus faible peut surmonter la vibration thermique et rassembler les molécules d’azote pour former un liquide.
Si nous regardons l’eau, sa taille moléculaire et sa masse sont similaires à celles de l’azote, mais la structure et la composition des molécules d’eau sont différentes de celles de l’azote.L’eau étant une molécule très polaire, les molécules s’attireront très fortement et l’eau restera liquide jusqu’à ce que sa température dépasse 100°C.À cette température, l'énergie thermique dépasse les forces moléculaires. Grâce aux forces polaires maintenues ensemble, l'eau devient un gaz.
Le point clé à comprendre est la différence de force entre la force de dispersion et la force polaire qui attire les molécules les unes vers les autres.Lorsque nous parlons de l’énergie de surface produite par ces forces attractives, gardez cela à l’esprit.
L'énergie de surface dispersée fait partie de l'énergie de surface générée par la dispersion des nuages d'électrons dans les molécules à la surface du matériau.L’énergie totale de surface est une expression attractive de l’attraction des molécules les unes vers les autres.Les énergies de surface dispersées font partie de l’énergie totale, même si elles sont des composantes faibles et fluctuantes.
Pour différents matériaux, l'énergie de surface dispersée est différente.Les polymères hautement aromatiques (tels que le polystyrène) possèdent de nombreux cycles benzéniques et des composants dispersant l'énergie de surface relativement importants.De même, parce qu’ils contiennent un grand nombre d’hétéroatomes (tels que le chlore), le PVC possède également une composante d’énergie de surface dispersée relativement importante dans son énergie de surface totale.
Par conséquent, le rôle de l’énergie de dispersion dans le processus de fabrication dépend des matériaux utilisés.Cependant, comme la force de dispersion ne dépend guère de la structure moléculaire spécifique, la manière de la contrôler est très limitée.
L’interaction de déviation des électrons diffusés basée sur ces fluctuations n’est pas le seul moyen pour les molécules d’interagir les unes avec les autres.En raison de certaines caractéristiques structurelles qui créent d’autres forces d’attraction entre les molécules, les molécules peuvent interagir avec d’autres molécules.Il existe de nombreuses façons de classer ces autres forces, telles que les interactions acide-base, dans lesquelles les molécules interagissent par leur capacité à accepter ou à donner des électrons.
Certaines molécules ont des caractéristiques structurelles qui produisent des dipôles permanents, ce qui signifie qu'en plus de la dispersion aléatoire des électrons autour de la molécule, certaines parties de la molécule sont toujours plus positives ou négatives que d'autres.Ces dipôles permanents sont plus attractifs que les interactions dispersives.
En raison de leur structure, certaines molécules ont des régions chargées en permanence, chargées positivement ou négativement.L'énergie de surface polaire est une composante de l'énergie de surface, provoquée par l'attraction de ces charges entre les molécules.
Nous pouvons facilement concentrer toutes les interactions non dispersives sous la protection des interactions polaires.
Les propriétés de dispersion d'une molécule dépendent de la taille de la molécule, notamment du nombre d'électrons et de protons présents.Nous n’avons pas beaucoup de contrôle sur le nombre d’électrons et de protons, ce qui limite notre capacité à contrôler la composante de dispersion de l’énergie de surface.
Cependant, la composante polaire dépend de la position des protons et des électrons, c'est-à-dire de la forme de la molécule.Nous pouvons modifier la distribution des électrons et des protons grâce à des méthodes de traitement telles que le traitement corona et le traitement plasma.Ceci est similaire à la façon dont nous pouvons changer la forme d’un bloc d’argile, mais cela conservera toujours la même qualité.
Les forces polaires sont très importantes car elles font partie de l’énergie de surface que nous contrôlons lorsque nous effectuons des traitements de surface.L’attraction dipôle-dipôle est la cause d’une forte adhérence entre la plupart des adhésifs, peintures, encres et surfaces.Grâce au nettoyage, au traitement à la flamme, au traitement corona, au traitement au plasma ou à toute autre forme de traitement de surface, nous pouvons fondamentalement augmenter la composante polaire de l'énergie de surface, améliorant ainsi l'adhésion.
En utilisant deux fois le même côté de la lingette IPA sur la même surface, seules des substances à faible énergie peuvent être introduites sur la surface afin de réduire involontairement la composante polaire de l'énergie de surface.De plus, la surface peut être surtraitée, ce qui se volatilise et réduit l'énergie de surface.Lorsque la surface n’est pas produite du tout, la composante polaire de l’énergie de surface change également.Une surface de stockage propre attire les molécules de l’environnement, y compris les matériaux d’emballage.Cela modifie le paysage moléculaire de la surface et peut réduire l'énergie de surface.
Nous pouvons difficilement contrôler l’ampleur de la dispersion.Ces forces sont fondamentalement fixes et il est peu utile d’essayer de modifier la force de dispersion comme moyen de contrôler la qualité de la surface afin d’obtenir une adhérence fiable pendant le processus de fabrication.
Lorsque nous concevons ou modifions la surface, nous concevons les propriétés de la composante polaire de l’énergie de surface.Par conséquent, si nous voulons développer un processus de traitement de surface pour contrôler la surface du matériau, nous voulons alors contrôler la composition polaire de la surface.
L'énergie libre de surface est la somme de toutes les forces individuelles agissant entre les molécules.Il existe quelques formules pour l'énergie libre de surface.Si nous décidons de traiter toutes les forces non dispersives comme des forces polaires, le calcul de l’énergie libre de surface est simple.La formule est :
Dans la fabrication de produits fiables, le traitement de surface, le nettoyage et la préparation, l'énergie libre de surface est la même que l'énergie de surface.
En raison des exigences de production impliquées dans divers processus, telles que les performances d'adhérence du joint, la bonne adhérence de l'encre sur le plastique ou les performances de revêtement du revêtement « autonettoyant » sur l'écran du smartphone, tout dépend du contrôle. des propriétés de surface.Il est donc très important de comprendre l’énergie de surface en tant que conséquence du concept de fabrication.
L’énergie de surface provient des différentes manières dont les molécules s’attirent.Les interactions polaires entre les molécules sont les plus importantes pour le processus d'adhésion et de nettoyage, car ces interactions au niveau moléculaire sont les interactions moléculaires que nous pouvons contrôler le plus par le traitement de surface, le meulage, le ponçage, le nettoyage, l'essuyage ou toute autre méthode de préparation de surface.
La connaissance de la polarité, de la composition de dispersion et de la tension superficielle est très importante pour le développement d'adhésifs, d'encres et de revêtements.Cependant, pour les produits fabriqués à l’aide d’adhésifs, d’encres, de peintures et de revêtements, il suffit généralement de prêter attention à la composante polaire de l’énergie de surface, car elle est affectée par le processus de fabrication.
La mesure de l’énergie de surface totale est un processus relativement complexe et sujet aux erreurs.Cependant, l’angle de contact d’un liquide comme l’eau est presque entièrement déterminé par la composante polaire de l’énergie de surface.Par conséquent, en mesurant l’angle produit par la hauteur d’une goutte d’eau à la surface, nous pouvons connaître avec une précision étonnante comment la composante polaire de l’énergie de surface change.Généralement, plus l'énergie de surface est élevée, plus l'angle provoqué par les gouttelettes d'eau attirées et se propageant ou mouillantes est petit.Une faible énergie de surface fera perler l’eau et se rétrécira en petites bulles à la surface, formant un angle de contact plus grand.La cohérence de cette mesure d'angle de contact est liée à l'énergie de surface et donc aux performances d'adhésion, ce qui offre aux fabricants un moyen fiable et reproductible de garantir la résistance de leurs produits.
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Heure de publication : 29 mars 2021