表面自由エネルギーと表面エネルギーの違いは何ですか?結局のところ、これは純粋に意味論的な質問です。表面自由エネルギーとは、特定の空間（物質表面）における自由エネルギーです。熱力学の最も純粋な意味では、フリー エネルギーは、何かを動かし、結果を引き起こし、何かを起こすために使用できるエネルギーを指します。表面自由エネルギーは、材料の表面でできるエネルギーに関連します。
接着、洗浄、結合、コーティング、インクと塗料の配合、シーリング、または表面と他の表面またはその環境との相互作用を伴うその他のプロセスに携わる製造業者および関係者にとって、表面自由エネルギーは通常、単に表面エネルギーに短縮されます。
表面は上記のすべてのプロセスにとって重要であり、すべての業界の製品メーカーのパフォーマンスに直接的な影響を及ぼしますが、多くの場合、表面は測定されておらず、したがって管理されていません。
製造における表面の制御とは、使用される材料の表面エネルギーを制御することを指します。
表面は、互いに化学的に相互作用する分子と、それらが接触する他の材料の表面を構成する分子で構成されます。表面エネルギーを変えるには、それらの分子を洗浄や処理によって除去したり、交換したり、その他の方法で操作して、異なるレベルの表面エネルギーを生成し、望ましい結果を達成できることを理解する必要があります。表面エネルギーを制御するには、表面化学を変化させるプロセス全体を通じて表面エネルギーを測定し、いつ、どれだけ変化するかを決定する必要があります。このようにして、接着または洗浄プロセス中の適切なタイミングで、必要な表面エネルギーの正確な量を得ることができます。
分子が強い結合を構築し、表面を化学的に洗浄する仕組みを理解するには、分子を引き寄せ、利用可能な表面の総自由エネルギーを構成する引力を理解する必要があります。
私たちが表面のエネルギーについて話すとき、それはその表面が仕事をする能力について話しているのです。文字通り、これは表面が分子を動かす能力であり、この動きにはエネルギーが必要です。表面と表面を構成する分子は同じであることを覚えておくことが重要です。分子がなければ表面は存在しません。エネルギーがなければ、これらの分子は接着剤に吸着する仕事を完了できないため、結合は起こりません。
したがって、仕事はエネルギーに正比例します。より多くの作業にはより多くのエネルギーが必要です。また、エネルギーがあれば仕事も増えます。分子が機能する能力は、他の分子に対するその分子の引力によってもたらされます。これらの引力は、分子が相互作用するいくつかの異なる方法から生じます。
基本的に、分子は正に帯電した分子と負に帯電した分子を持ち、分子間で反対の電荷を引き寄せるため、相互作用します。電子の雲が分子の周りを浮遊しています。これらの絶えず移動する電子により、分子は特定の領域の分子内で可変の電荷を持ちます。すべての分子が均一に帯電している場合、どの分子も互いに引きつけ合うことはありません。2 つのボール ベアリングを想像してください。各ボール ベアリングの表面には電子が均一に分布しています。どちらもマイナスの電荷を持っており、プラスの電荷は引き付けられないため、どちらも引き付け合うことはありません。
幸いなことに、現実の世界では、これらの電子雲は絶えず動いており、常に正または負の電荷を帯びた領域が存在します。任意の時点で、周囲にランダムに帯電した電子を持つ 2 つの分子がある場合、それらの間にはわずかな引力が生じます。分子の周囲の電子雲における正電荷と負電荷のランダムな再分布によって生成される力は、分散力と呼ばれます。
これらの力は非常に弱いものです。分子の構造や組成に関係なく、すべての分子間には分散力が存在します。これは、分子の構造によって生成される極性力とは正反対です。
たとえば、窒素分子間に存在する力は分散力だけです。室温では、窒素は一種の気体です。分散力が弱すぎるため、最も穏やかな温度であっても熱振動に抵抗できず、窒素分子をまとめることができません。-195℃以下に冷却してほぼすべての熱エネルギーを除去した場合にのみ、窒素は液体になります。熱エネルギーが十分に減少すると、より弱い分散力が熱振動に打ち勝ち、窒素分子を引き寄せて液体を形成することができます。
水に注目すると、その分子サイズと質量は窒素と似ていますが、水分子の構造と組成は窒素とは異なります。水は非常に極性の高い分子であるため、分子は互いに非常に強く引き合い、水の温度が 100°C を超えるまでは液体のままになります。この温度では、熱エネルギーが分子を克服し、極性の力が結合して水は気体になります。
理解する重要な点は、分散力と分子同士を引き付ける極性の力の強さの違いです。これらの引力によって生成される表面エネルギーについて話すときは、このことを念頭に置いてください。
分散表面エネルギーは表面エネルギーの一部であり、材料の表面上の分子内の電子雲の分散によって生成されます。総表面エネルギーは、分子の相互の引力を魅力的に表現したものです。分散した表面エネルギーは、たとえ弱く変動する成分であっても、全体のエネルギーの一部です。
材料が異なれば、分散表面エネルギーも異なります。高芳香族ポリマー (ポリスチレンなど) は、多くのベンゼン環と比較的大きな表面エネルギー分散成分を持っています。同様に、PVC には多数のヘテロ原子 (塩素など) が含まれているため、総表面エネルギーの中に比較的大きな分散表面エネルギー成分が含まれています。
したがって、製造プロセスにおける分散エネルギーの役割は、使用される材料によって異なります。しかし、分散力は特定の分子構造にはほとんど依存しないため、制御方法は非常に限られています。
これらの変動に基づく散乱電子偏向の相互作用だけが、分子が相互作用する唯一の方法ではありません。分子間に他の引力を生み出す特定の構造的特徴により、分子は他の分子と相互作用することができます。分子が電子を受容または供与する能力を通じて相互作用する酸塩基相互作用など、他の力を分類する方法は数多くあります。
一部の分子には、永久双極子を生成する構造的特徴があります。これは、分子の周囲に電子がランダムに分散していることに加えて、分子の一部が他の部分よりも常にプラスまたはマイナスになることを意味します。これらの永久双極子は、分散相互作用よりも魅力的です。
一部の分子には、その構造により、正または負に帯電した永久的に帯電した領域があります。極性表面エネルギーは表面エネルギーの成分であり、分子間のこれらの電荷の引力によって引き起こされます。
極性相互作用の保護の下で、すべての非分散相互作用を簡単に集中させることができます。
分子の分散特性は、分子のサイズ、特に存在する電子と陽子の数の関数です。私たちは電子と陽子の数をあまり制御できないため、表面エネルギーの分散成分を制御する能力が制限されます。
ただし、極性成分は陽子と電子の位置、つまり分子の形状に依存します。コロナ処理やプラズマ処理などの処理方法により、電子や陽子の分布を変えることができます。これはブロック粘土の形を変えるのと似ていますが、常に同じ品質を維持します。
極力は、表面処理を行うときに制御する表面エネルギーの一部であるため、非常に重要です。双極子間引力は、ほとんどの接着剤、塗料、インクと表面との間の強力な接着の原因となります。洗浄、火炎処理、コロナ処理、プラズマ処理、またはその他の形式の表面処理を通じて、表面エネルギーの極性成分を根本的に増加させ、それによって接着性を向上させることができます。
IPA ワイプの同じ面を同じ表面に 2 回使用すると、低エネルギー物質のみが表面に導入され、意図せずに表面エネルギーの極性成分が減少します。さらに、表面が過剰に処理される可能性があり、揮発して表面エネルギーが低下します。表面がまったく生成されない場合、表面エネルギーの極性成分も変化します。清潔な保管面は、梱包材などの環境中の分子を引き寄せます。これにより、表面の分子構造が変化し、表面エネルギーが低下する可能性があります。
分散の大きさを制御することはほとんどできません。これらの力は基本的に固定されており、製造プロセス中に信頼性の高い接着を実現するために表面品質を制御する手段として分散力を変更しようとすることにはほとんど価値がありません。
表面を設計または変更するときは、表面エネルギーの極成分の特性を設計していることになります。したがって、材料の表面を制御する表面処理プロセスを開発したい場合は、表面の極性組成を制御する必要があります。
表面自由エネルギーは、分子間に作用するすべての個々の力の合計です。表面自由エネルギーにはいくつかの公式があります。すべての非分散力を極力として扱うことに決めた場合、表面自由エネルギーの計算は簡単になります。式は次のとおりです。
信頼性の高い製品の製造、表面処理、洗浄、準備において、表面自由エネルギーは表面エネルギーと同じです。
接合部の接着性能、プラスチックへのインクの適切な接着、スマートフォン画面の「セルフクリーニング」コーティングのコーティング性能など、さまざまなプロセスに含まれる製造要件はすべて制御に依存します。表面特性のこと。したがって、製造コンセプトの結果として表面エネルギーを理解することが非常に重要です。
表面エネルギーは、分子が互いに引き合うさまざまな方法から発生します。分子間の極性相互作用は、接着および洗浄プロセスにとって最も重要です。これらの分子レベルの相互作用は、表面処理、研削、サンディング、洗浄、拭き取り、またはその他の表面処理方法を通じて最も制御できる分子相互作用であるためです。
極性、分散組成、表面張力に関する知識は、接着剤、インク、コーティングの開発にとって非常に重要です。ただし、接着剤、インク、塗料、コーティングを使用して製造された製品の場合、表面エネルギーの極性成分のみに注意を払う必要があります。これは、表面エネルギーの極性成分は製造プロセスの影響を受けるためです。
総表面エネルギーの測定は、比較的複雑でエラーが発生しやすいプロセスです。ただし、水のような単一の液体の接触角は、ほぼ完全に表面エネルギーの極性成分によって決まります。したがって、表面上の水滴の高さによって生じる角度を測定することにより、表面エネルギーの極成分がどのように変化するかを驚くほど正確に知ることができます。一般に、表面エネルギーが高くなるほど、水滴が引き寄せられて広がったり、濡れたりすることによって生じる角度が小さくなります。表面エネルギーが低いと、水が玉状になり、表面上で小さな泡に縮んで、より大きな接触角が形成されます。この接触角測定の一貫性は表面エネルギー、ひいては接着性能に関連しており、これによりメーカーは製品の強度を確保するための信頼性と再現性の高い方法を得ることができます。
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投稿時間: 2021 年 3 月 29 日