Qual è la differenza tra energia libera superficiale ed energia superficiale?In ultima analisi, questa è una questione puramente semantica.L'energia libera superficiale è l'energia libera in uno spazio specifico (superficie del materiale).Nel senso più puro della termodinamica, l’energia libera si riferisce all’energia che può essere utilizzata per funzionare, causare effetti e far accadere qualcosa.L'energia libera superficiale è correlata all'energia che può essere prodotta sulla superficie del materiale.
Per i produttori e chiunque sia coinvolto nell'adesione, nella pulizia, nell'incollaggio, nei rivestimenti, nelle formulazioni di inchiostri e vernici, nella sigillatura o in qualsiasi altro processo che coinvolga l'interazione di superfici con altre superfici o con il loro ambiente, l'energia libera superficiale viene solitamente abbreviata semplicemente in Energia superficiale.
Le superfici sono fondamentali per tutti i processi sopra elencati e, anche se hanno un impatto diretto sulle prestazioni dei produttori di prodotti in tutti i settori, spesso non vengono misurate e quindi non controllate.
Il controllo della superficie nella produzione si riferisce al controllo dell'energia superficiale dei materiali utilizzati.
La superficie è composta da molecole che interagiscono chimicamente tra loro e dalle molecole che compongono la superficie di altri materiali con cui entrano in contatto.Per modificare l'energia superficiale, è necessario comprendere che tali molecole possono essere rimosse mediante pulizia e trattamento, sostituite o altrimenti manipolate per produrre diversi livelli di energia superficiale e ottenere i risultati desiderati.Per controllare l'energia superficiale, è necessario misurarla durante tutto il processo di modifica della chimica superficiale per determinare quando e in che misura.In questo modo è possibile ottenere la quantità precisa di energia superficiale necessaria al momento opportuno durante il processo di adesione o pulizia.
Per capire come le molecole svolgono il lavoro di costruzione di legami forti e di pulizia chimica delle superfici, dobbiamo comprendere l’attrazione che unisce le molecole e costituisce l’energia libera totale della superficie disponibile.
Quando parliamo di energia della superficie, parliamo della capacità di quella superficie di compiere lavoro.Letteralmente, questa è la capacità della superficie di muovere le molecole: questo movimento richiede energia.È importante ricordare che una superficie e le molecole che la compongono sono la stessa cosa.Senza molecole non esiste superficie.Se non c'è energia, queste molecole non possono completare il lavoro di adsorbimento sull'adesivo, quindi non c'è legame.
Pertanto il lavoro è direttamente proporzionale all’energia.Più lavoro richiede più energia.Inoltre, se hai più energia, il tuo lavoro aumenterà.La capacità di una molecola di funzionare deriva dalla sua attrazione verso altre molecole.Queste forze attrattive provengono da diversi modi in cui le molecole interagiscono.
Fondamentalmente, le molecole interagiscono perché hanno molecole cariche positivamente e negativamente e attraggono cariche opposte tra le molecole.Una nuvola di elettroni fluttua attorno alla molecola.A causa di questi elettroni in costante movimento, la molecola ha una carica variabile in una molecola di una determinata area.Se tutte le molecole avessero una carica uniforme attorno a sé, nessuna molecola si attrarrebbe a vicenda.Immagina due cuscinetti a sfera, ciascun cuscinetto a sfera ha una distribuzione uniforme di elettroni sulla sua superficie.Nessuno dei due si attrarrà perché entrambi hanno una carica negativa e nessuna carica positiva può essere attratta.
Fortunatamente, nel mondo reale, queste nuvole elettroniche sono in costante movimento e in ogni momento ci sono aree con cariche positive o negative.Se in qualsiasi momento ci sono due molecole con elettroni carichi in modo casuale attorno a loro, avranno una piccola attrazione tra di loro.La forza generata dalla ridistribuzione casuale delle cariche positive e negative nella nuvola elettronica attorno alla molecola è chiamata forza di dispersione.
Queste forze sono molto deboli.Indipendentemente dalla struttura o dalla composizione della molecola, esiste una forza di dispersione tra tutte le molecole, che è direttamente opposta alla forza polare generata dalla struttura della molecola.
Ad esempio, la forza di dispersione è l'unica forza esistente tra le molecole di azoto.A temperatura ambiente, l'azoto è un tipo di gas, poiché la forza disperdente è troppo debole, non può resistere alle vibrazioni termiche anche alla temperatura più moderata e non può tenere insieme le molecole di azoto.Solo quando rimuoviamo quasi tutta l’energia termica raffreddandola al di sotto di -195°C l’azoto diventa liquido.Una volta che l'energia termica è sufficientemente ridotta, la forza di dispersione più debole può superare la vibrazione termica e unire le molecole di azoto per formare un liquido.
Se guardiamo l'acqua, le sue dimensioni molecolari e la sua massa sono simili a quelle dell'azoto, ma la struttura e la composizione delle molecole d'acqua sono diverse da quelle dell'azoto.Poiché l'acqua è una molecola molto polare, le molecole si attrarranno molto fortemente e l'acqua rimarrà liquida finché la sua temperatura non supererà i 100°C.A questa temperatura l'energia termica supera quella molecolare. Con le forze polari tenute insieme, l'acqua diventa un gas.
Il punto chiave da comprendere è la differenza di forza tra la forza di dispersione e la forza polare che attrae le molecole tra loro.Quando parliamo dell'energia superficiale prodotta da queste forze attrattive, teniamolo presente.
L'energia superficiale dispersa fa parte dell'energia superficiale, che viene generata dalla dispersione delle nuvole di elettroni nelle molecole sulla superficie del materiale.L'energia superficiale totale è un'espressione attraente dell'attrazione delle molecole tra loro.Le energie superficiali disperse fanno parte dell'energia totale, anche se sono componenti deboli e fluttuanti.
Per materiali diversi, l'energia superficiale dispersa è diversa.I polimeri altamente aromatici (come il polistirene) hanno molti anelli benzenici e componenti di dispersione dell'energia superficiale relativamente grandi.Allo stesso modo, poiché contengono un gran numero di eteroatomi (come il cloro), il PVC ha anche una componente di energia superficiale dispersa relativamente grande nella sua energia superficiale totale.
Pertanto, il ruolo dell'energia di dispersione nel processo di produzione dipende dai materiali utilizzati.Tuttavia, poiché la forza di dispersione dipende difficilmente dalla specifica struttura molecolare, il modo per controllarla è molto limitato.
L'interazione della deflessione degli elettroni diffusi basata su queste fluttuazioni non è l'unico modo in cui le molecole interagiscono tra loro.A causa di alcune caratteristiche strutturali che creano altre forze attrattive tra le molecole, le molecole possono interagire con altre molecole.Esistono molti modi per classificare queste altre forze, come le interazioni acido-base, in cui le molecole interagiscono attraverso la loro capacità di accettare o donare elettroni.
Alcune molecole hanno caratteristiche strutturali che producono dipoli permanenti, il che significa che, oltre alla dispersione casuale degli elettroni attorno alla molecola, alcune parti della molecola sono sempre più positive o negative di altre.Questi dipoli permanenti sono più attraenti delle interazioni dispersive.
A causa della loro struttura, alcune molecole hanno regioni caricate permanentemente che sono caricate positivamente o negativamente.L'energia superficiale polare è una componente dell'energia superficiale, che è causata dall'attrazione di queste cariche tra le molecole.
Possiamo facilmente concentrare tutte le interazioni non dispersive sotto la protezione delle interazioni polari.
Le proprietà di dispersione di una molecola dipendono dalla dimensione della molecola, in particolare dal numero di elettroni e protoni presenti.Non abbiamo molto controllo sul numero di elettroni e protoni, il che limita la nostra capacità di controllare la componente di dispersione dell’energia superficiale.
Tuttavia, la componente polare dipende dalla posizione dei protoni e degli elettroni, ovvero dalla forma della molecola.Possiamo modificare la distribuzione di elettroni e protoni attraverso metodi di trattamento come il trattamento corona e il trattamento al plasma.Questo è simile a come possiamo cambiare la forma del blocco di argilla, ma manterrà sempre la stessa qualità.
Le forze polari sono molto importanti perché fanno parte dell'energia superficiale che controlliamo quando eseguiamo trattamenti superficiali.L'attrazione dipolo-dipolo è la causa della forte adesione tra la maggior parte degli adesivi, vernici, inchiostri e superfici.Attraverso la pulizia, il trattamento alla fiamma, il trattamento corona, il trattamento al plasma o qualsiasi altra forma di trattamento superficiale, possiamo aumentare sostanzialmente la componente polare dell'energia superficiale, migliorando così l'adesione.
Utilizzando lo stesso lato della salvietta IPA due volte sulla stessa superficie, è possibile introdurre sulla superficie solo sostanze a bassa energia per ridurre involontariamente la componente polare dell'energia superficiale.Inoltre, la superficie potrebbe essere trattata eccessivamente, il che volatilizza e riduce l'energia superficiale.Quando la superficie non viene affatto prodotta, cambia anche la componente polare dell'energia superficiale.Una superficie di stoccaggio pulita attira le molecole nell'ambiente, compresi i materiali di imballaggio.Ciò cambia il panorama molecolare della superficie e può ridurre l'energia superficiale.
Difficilmente possiamo controllare la dimensione della dispersione.Queste forze sono fondamentalmente fisse ed è poco utile provare a modificare la forza di dispersione come mezzo per controllare la qualità della superficie per ottenere un'adesione affidabile durante il processo di produzione.
Quando progettiamo o modifichiamo la superficie, stiamo progettando le proprietà della componente polare dell'energia superficiale.Pertanto, se vogliamo sviluppare un processo di trattamento superficiale per controllare la superficie del materiale, allora dobbiamo controllare la composizione polare della superficie.
L'energia libera superficiale è la somma di tutte le forze individuali che agiscono tra le molecole.Esistono alcune formule per l'energia libera superficiale.Se decidiamo di trattare tutte le forze non dispersive come forze polari, il calcolo dell’energia libera superficiale è semplice.La formula è:
Nella fabbricazione di prodotti affidabili, nel trattamento superficiale, nella pulizia e nella preparazione, l'energia libera superficiale è uguale all'energia superficiale.
A causa dei requisiti di produzione coinvolti in vari processi, come le prestazioni di adesione del giunto, la corretta adesione dell'inchiostro sulla plastica o le prestazioni del rivestimento "autopulente" sullo schermo dello smartphone, tutto dipende dal controllo delle proprietà della superficie.Pertanto, è molto importante comprendere l'energia superficiale come conseguenza del concetto di produzione.
L'energia superficiale deriva dai diversi modi in cui le molecole si attraggono tra loro.Le interazioni polari tra le molecole sono le più importanti per il processo di adesione e pulizia, poiché queste interazioni a livello molecolare sono le interazioni molecolari che possiamo controllare maggiormente attraverso il trattamento superficiale, la molatura, la levigatura, la pulizia, la pulitura o qualsiasi altro metodo di preparazione della superficie.
La conoscenza della polarità, della composizione della dispersione e della tensione superficiale è molto importante per lo sviluppo di adesivi, inchiostri e rivestimenti.Tuttavia, per i prodotti realizzati utilizzando adesivi, inchiostri, vernici e rivestimenti, di solito dobbiamo prestare attenzione solo alla componente polare dell'energia superficiale, perché è quella che viene influenzata dal processo di produzione.
La misurazione dell’energia superficiale totale è un processo relativamente complesso e soggetto a errori.Tuttavia, l'angolo di contatto di un singolo liquido come l'acqua è quasi interamente determinato dalla componente polare dell'energia superficiale.Pertanto, misurando l'angolo prodotto dall'altezza di una goccia d'acqua sulla superficie, possiamo sapere con sorprendente precisione come cambia la componente polare dell'energia superficiale.In generale, maggiore è l'energia superficiale, minore è l'angolo causato dall'attrazione e dalla diffusione o bagnatura delle goccioline d'acqua.Una bassa energia superficiale farà sì che l'acqua si spruzzi e si restringa in piccole bolle sulla superficie, formando un angolo di contatto più ampio.La coerenza di questa misurazione dell'angolo di contatto è correlata all'energia superficiale e quindi alle prestazioni di adesione, che forniscono ai produttori un modo affidabile e ripetibile per garantire la resistenza dei loro prodotti.
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Orario di pubblicazione: 29 marzo 2021