Wat is het verschil tussen vrije oppervlakte-energie en oppervlakte-energie?Uiteindelijk is dit een puur semantische vraag.Oppervlaktevrije energie is de vrije energie in een specifieke ruimte (materieel oppervlak).In de puurste zin van de thermodynamica verwijst vrije energie naar de energie die kan worden gebruikt om te werken, effecten te veroorzaken en iets te laten gebeuren.De vrije oppervlakte-energie houdt verband met de energie die op het oppervlak van het materiaal kan worden uitgeoefend.
Voor fabrikanten en iedereen die betrokken is bij hechting, reiniging, verbinding, coatings, inkten en verfformuleringen, afdichting of enig ander proces waarbij de interactie van oppervlakken met andere oppervlakken of hun omgeving betrokken is, wordt de vrije oppervlakte-energie gewoonlijk afgekort tot alleen oppervlakte-energie.
Oppervlakken zijn van cruciaal belang voor alle hierboven genoemde processen, en zelfs als ze een directe impact hebben op de prestaties van productfabrikanten in alle industrieën, worden ze vaak niet gemeten en daarom niet gecontroleerd.
Het beheersen van het oppervlak bij de productie verwijst naar het beheersen van de oppervlakte-energie van de gebruikte materialen.
Het oppervlak bestaat uit moleculen die chemisch met elkaar interageren en de moleculen die het oppervlak vormen van andere materialen waarmee ze in contact komen.Om de oppervlakte-energie te veranderen, moet begrepen worden dat deze moleculen verwijderd kunnen worden door reiniging en behandeling, vervangen of anderszins gemanipuleerd kunnen worden om verschillende niveaus van oppervlakte-energie te produceren en de gewenste resultaten te bereiken.Om de oppervlakte-energie onder controle te houden, moet deze tijdens het hele proces van het veranderen van de oppervlaktechemie worden gemeten om te bepalen wanneer en in welke mate.Op deze manier kan de precieze hoeveelheid benodigde oppervlakte-energie op het juiste moment tijdens het lijm- of reinigingsproces worden verkregen.
Om te begrijpen hoe moleculen het werk doen van het opbouwen van sterke verbindingen en het chemisch reinigen van oppervlakken, moeten we de aantrekkingskracht begrijpen die de moleculen samentrekt en de totale vrije energie van het beschikbare oppervlak vormt.
Als we het hebben over de energie van het oppervlak, hebben we het over het vermogen van dat oppervlak om arbeid te verrichten.Letterlijk is dit het vermogen van het oppervlak om moleculen te verplaatsen; deze beweging vereist energie.Het is belangrijk om te onthouden dat een oppervlak en de moleculen waaruit het oppervlak bestaat hetzelfde zijn.Zonder moleculen is er geen oppervlak.Als er geen energie is, kunnen deze moleculen het adsorberende werk op de lijm niet voltooien, dus er is geen binding.
Daarom is arbeid recht evenredig met energie.Meer werk vergt meer energie.Bovendien, als je meer energie hebt, zal je werk toenemen.Het vermogen van een molecuul om te functioneren komt voort uit de aantrekkingskracht ervan op andere moleculen.Deze aantrekkingskrachten komen voort uit verschillende manieren waarop moleculen op elkaar inwerken.
In principe interageren moleculen omdat ze positief en negatief geladen moleculen hebben, en ze tegengestelde ladingen tussen de moleculen aantrekken.Rond het molecuul zweeft een wolk van elektronen.Door deze constant bewegende elektronen heeft het molecuul een variabele lading in een molecuul van een bepaald oppervlak.Als alle moleculen een uniforme lading om zich heen hebben, zullen geen moleculen elkaar aantrekken.Stel je twee kogellagers voor, elk kogellager heeft een uniforme verdeling van elektronen op het oppervlak.Geen van beiden zal elkaar aantrekken omdat ze allebei een negatieve lading hebben en er geen positieve lading kan worden aangetrokken.
Gelukkig zijn deze elektronische wolken in de echte wereld voortdurend in beweging en zijn er op elk moment gebieden met positieve of negatieve lading.Als je op enig moment twee moleculen hebt met willekeurig geladen elektronen om zich heen, zullen ze een kleine aantrekkingskracht tussen hen hebben.De kracht die wordt gegenereerd door de willekeurige herverdeling van positieve en negatieve ladingen in de elektronenwolk rond het molecuul wordt de dispersiekracht genoemd.
Deze krachten zijn erg zwak.Ongeacht de structuur of samenstelling van het molecuul is er een verspreidingskracht tussen alle moleculen, die direct tegengesteld is aan de polaire kracht die wordt gegenereerd door de structuur van het molecuul.
De verspreidingskracht is bijvoorbeeld de enige kracht die bestaat tussen stikstofmoleculen.Bij kamertemperatuur is stikstof een soort gas, omdat de verspreidingskracht te zwak is, het zelfs bij de meest gematigde temperatuur niet bestand is tegen thermische trillingen en de stikstofmoleculen niet bij elkaar kan houden.Pas als we vrijwel alle warmte-energie verwijderen door deze af te koelen tot onder -195°C, wordt de stikstof vloeibaar.Zodra de thermische energie voldoende is verminderd, kan de zwakkere dispersiekracht de thermische trillingen overwinnen en de stikstofmoleculen samentrekken om een vloeistof te vormen.
Als we naar water kijken, zijn de moleculaire grootte en massa vergelijkbaar met die van stikstof, maar de structuur en samenstelling van watermoleculen zijn anders dan die van stikstof.Omdat water een zeer polair molecuul is, zullen de moleculen elkaar zeer sterk aantrekken en zal het water vloeibaar blijven totdat de temperatuur van het water boven de 100°C stijgt.Bij deze temperatuur overwint de warmte-energie de moleculaire energie. Met de polaire krachten bij elkaar gehouden, wordt het water een gas.
Het belangrijkste punt om te begrijpen is het verschil in sterkte tussen de dispersiekracht en de polaire kracht die moleculen naar elkaar toe trekt.Als we het hebben over de oppervlakte-energie die door deze aantrekkingskrachten wordt geproduceerd, houd dit dan in gedachten.
Gedispergeerde oppervlakte-energie maakt deel uit van de oppervlakte-energie, die wordt gegenereerd door de verspreiding van elektronenwolken in moleculen op het oppervlak van het materiaal.De totale oppervlakte-energie is een aantrekkelijke uitdrukking van de aantrekking van moleculen tot elkaar.Verspreide oppervlakte-energieën maken deel uit van de totale energie, ook al zijn het zwakke en fluctuerende componenten.
Voor verschillende materialen is de verspreide oppervlakte-energie anders.Zeer aromatische polymeren (zoals polystyreen) hebben veel benzeenringen en relatief grote oppervlakte-energiedispergerende componenten.Op dezelfde manier heeft PVC, omdat ze een groot aantal heteroatomen (zoals chloor) bevatten, ook een relatief grote gedispergeerde oppervlakte-energiecomponent in hun totale oppervlakte-energie.
Daarom hangt de rol van dispersie-energie in het productieproces af van de gebruikte materialen.Omdat de dispersiekracht echter nauwelijks afhankelijk is van de specifieke moleculaire structuur, is de manier om deze te beheersen zeer beperkt.
De interactie van verstrooide elektronenafbuiging op basis van deze fluctuaties is niet de enige manier waarop moleculen met elkaar kunnen interageren.Vanwege bepaalde structurele kenmerken die andere aantrekkingskrachten tussen moleculen creëren, kunnen moleculen interageren met andere moleculen.Er zijn veel manieren om deze andere krachten te classificeren, zoals zuur-base-interacties, waarbij moleculen op elkaar inwerken door hun vermogen om elektronen te accepteren of te doneren.
Sommige moleculen hebben structurele kenmerken die permanente dipolen produceren, wat betekent dat, naast de willekeurige verspreiding van elektronen rond het molecuul, sommige delen van het molecuul altijd positiever of negatiever zijn dan andere.Deze permanente dipolen zijn aantrekkelijker dan dispersieve interacties.
Vanwege hun structuur hebben sommige moleculen permanent geladen gebieden die positief of negatief geladen zijn.Polaire oppervlakte-energie is een onderdeel van oppervlakte-energie, die wordt veroorzaakt door de aantrekking van deze ladingen tussen moleculen.
We kunnen alle niet-dispersieve interacties gemakkelijk concentreren onder de bescherming van polaire interacties.
De dispersie-eigenschappen van een molecuul zijn afhankelijk van de grootte van het molecuul, vooral hoeveel elektronen en protonen er aanwezig zijn.We hebben niet veel controle over het aantal elektronen en protonen, wat ons vermogen beperkt om de dispersiecomponent van oppervlakte-energie te beheersen.
De polaire component hangt echter af van de positie van protonen en elektronen: de vorm van het molecuul.We kunnen de verdeling van elektronen en protonen veranderen door behandelmethoden zoals coronabehandeling en plasmabehandeling.Dit is vergelijkbaar met hoe we de vorm van blokklei kunnen veranderen, maar de kwaliteit blijft altijd hetzelfde.
Polaire krachten zijn erg belangrijk omdat ze deel uitmaken van de oppervlakte-energie die we controleren wanneer we oppervlaktebehandelingen uitvoeren.Dipool-dipool-aantrekking is de oorzaak van een sterke hechting tussen de meeste lijmen, verven, inkten en oppervlakken.Door middel van reiniging, vlambehandeling, coronabehandeling, plasmabehandeling of enige andere vorm van oppervlaktebehandeling kunnen we de polaire component van oppervlakte-energie fundamenteel verhogen, waardoor de hechting verbetert.
Door dezelfde kant van het IPA-doekje twee keer op hetzelfde oppervlak te gebruiken, kunnen alleen stoffen met lage energie op het oppervlak worden geïntroduceerd om onbedoeld de polaire component van de oppervlakte-energie te verminderen.Bovendien kan het oppervlak overbehandeld worden, waardoor de oppervlakte-energie vervluchtigt en vermindert.Wanneer het oppervlak helemaal niet wordt geproduceerd, zal de polaire component van de oppervlakte-energie ook veranderen.Een schoon opslagoppervlak trekt moleculen uit de omgeving aan, inclusief verpakkingsmaterialen.Dit verandert het moleculaire landschap van het oppervlak en kan de oppervlakte-energie verminderen.
We kunnen de omvang van de spreiding nauwelijks controleren.Deze krachten zijn in principe vast, en het heeft weinig zin om de verspreidingskracht te veranderen als middel om de oppervlaktekwaliteit te controleren om een betrouwbare hechting tijdens het productieproces te bereiken.
Wanneer we het oppervlak ontwerpen of aanpassen, ontwerpen we de eigenschappen van de polaire component van de oppervlakte-energie.Als we daarom een oppervlaktebehandelingsproces willen ontwikkelen om het oppervlak van het materiaal te beheersen, willen we de polaire samenstelling van het oppervlak beheersen.
Vrije oppervlakte-energie is de som van alle individuele krachten die tussen moleculen werken.Er zijn enkele formules voor oppervlaktevrije energie.Als we besluiten alle niet-dispersieve krachten als polaire krachten te behandelen, is de berekening van vrije oppervlakte-energie eenvoudig.De formule is:
Bij de vervaardiging van betrouwbare producten, oppervlaktebehandeling, reiniging en voorbereiding is de vrije oppervlakte-energie hetzelfde als de oppervlakte-energie.
Vanwege de productie-eisen die bij verschillende processen betrokken zijn, zoals de hechtingsprestaties van de voeg, de goede hechting van de inkt op het plastic of de coatingprestaties van de “zelfreinigende” coating op het smartphonescherm, zijn ze allemaal afhankelijk van de controle van de oppervlakte-eigenschappen.Daarom is het erg belangrijk om de oppervlakte-energie te begrijpen als gevolg van het productieconcept.
Oppervlakte-energie komt van de verschillende manieren waarop moleculen elkaar aantrekken.De polaire interacties tussen moleculen zijn het belangrijkst voor het hechtings- en reinigingsproces, omdat deze interacties op moleculair niveau de moleculaire interacties zijn die we het meest kunnen controleren door middel van oppervlaktebehandeling, slijpen, schuren, reinigen, afvegen of andere methoden voor oppervlaktevoorbereiding.
Kennis van polariteit, dispersiesamenstelling en oppervlaktespanning is van groot belang voor de ontwikkeling van lijmen, inkten en coatings.Voor producten die zijn vervaardigd met behulp van lijmen, inkten, verven en coatings hoeven we echter meestal alleen maar aandacht te besteden aan de polaire component van de oppervlakte-energie, omdat deze wordt beïnvloed door het productieproces.
Het meten van de totale oppervlakte-energie is een relatief complex en foutgevoelig proces.De contacthoek van een enkele vloeistof zoals water wordt echter vrijwel volledig bepaald door de polaire component van de oppervlakte-energie.Door de hoek te meten die wordt geproduceerd door de hoogte van een waterdruppel op het oppervlak, kunnen we daarom met verbazingwekkende nauwkeurigheid weten hoe de polaire component van de oppervlakte-energie verandert.Over het algemeen geldt dat hoe hoger de oppervlakte-energie, hoe kleiner de hoek wordt veroorzaakt doordat de waterdruppels zo worden aangetrokken en zich verspreiden of bevochtigen.Een lage oppervlakte-energie zorgt ervoor dat water parelt en krimpt tot kleine belletjes op het oppervlak, waardoor een grotere contacthoek ontstaat.De consistentie van deze contacthoekmeting houdt verband met oppervlakte-energie en dus met de hechtingsprestaties, waardoor fabrikanten een betrouwbare en herhaalbare manier hebben om de sterkte van hun producten te garanderen.
Voor meer informatie over het beheersen van het productieproces om meer voorspelbare resultaten te bereiken, downloadt u ons gratis e-book: Verifieer voorspelbare adhesie tijdens het productieproces.Dit e-boek is uw gids voor procesmonitoring met behulp van voorspellende analyses, een proces dat al het giswerk over het behoud van de oppervlaktekwaliteit tijdens het hele hechtingsproces elimineert.
Posttijd: 29 maart 2021