Jaka jest różnica między darmową energią powierzchniową a energią powierzchniową?W ostatecznym rozrachunku jest to pytanie czysto semantyczne.Swobodna energia powierzchniowa to energia swobodna w określonej przestrzeni (powierzchni materiału).W najczystszym znaczeniu termodynamiki, energia swobodna odnosi się do energii, którą można wykorzystać do pracy, wywołania skutków i spowodowania, że coś się wydarzy.Swobodna energia powierzchniowa jest związana z energią, którą można wytworzyć na powierzchni materiału.
W przypadku producentów i wszystkich osób zajmujących się klejeniem, czyszczeniem, klejeniem, powlekaniem, tuszami i formułami farb, uszczelnianiem lub jakimkolwiek innym procesem obejmującym interakcję powierzchni z innymi powierzchniami lub ich otoczeniem, wolna energia powierzchniowa jest zwykle skracana do energii powierzchniowej.
Powierzchnie mają kluczowe znaczenie dla wszystkich procesów wymienionych powyżej i nawet jeśli mają bezpośredni wpływ na wydajność producentów produktów we wszystkich branżach, często nie są mierzone, a zatem nie kontrolowane.
Kontrolowanie powierzchni w procesie produkcyjnym oznacza kontrolowanie energii powierzchniowej użytych materiałów.
Powierzchnia składa się z cząsteczek, które oddziałują chemicznie ze sobą oraz cząsteczek tworzących powierzchnię innych materiałów, z którymi się stykają.Aby zmienić energię powierzchniową, należy zrozumieć, że cząsteczki te można usunąć poprzez czyszczenie i obróbkę, zastąpić lub w inny sposób manipulować, aby wytworzyć różne poziomy energii powierzchniowej i osiągnąć pożądane wyniki.Aby kontrolować energię powierzchniową, należy ją mierzyć w trakcie procesu zmiany chemii powierzchni, aby określić, kiedy i o ile.W ten sposób można uzyskać dokładną ilość niezbędnej energii powierzchniowej w odpowiednim momencie procesu klejenia lub czyszczenia.
Aby zrozumieć, w jaki sposób cząsteczki wykonują pracę polegającą na budowaniu silnych wiązań i chemicznym czyszczeniu powierzchni, musimy zrozumieć przyciąganie, które przyciąga cząsteczki do siebie i stanowi całkowitą energię swobodną dostępnej powierzchni.
Kiedy mówimy o energii powierzchni, mówimy o zdolności tej powierzchni do wykonania pracy.Dosłownie jest to zdolność powierzchni do poruszania się cząsteczek – ten ruch wymaga energii.Ważne jest, aby pamiętać, że powierzchnia i cząsteczki tworzące powierzchnię są takie same.Bez cząsteczek nie ma powierzchni.Jeśli nie ma energii, cząsteczki te nie mogą dokończyć pracy adsorpcyjnej na kleju, więc nie ma wiązania.
Dlatego praca jest wprost proporcjonalna do energii.Większa praca wymaga więcej energii.Co więcej, jeśli będziesz mieć więcej energii, Twoja praca wzrośnie.Zdolność cząsteczki do funkcjonowania wynika z jej przyciągania do innych cząsteczek.Te siły przyciągające pochodzą z kilku różnych sposobów interakcji cząsteczek.
Zasadniczo cząsteczki oddziałują, ponieważ mają cząsteczki naładowane dodatnio i ujemnie oraz przyciągają przeciwne ładunki między cząsteczkami.Wokół cząsteczki unosi się chmura elektronów.Z powodu tych stale poruszających się elektronów cząsteczka ma zmienny ładunek w cząsteczce o danym obszarze.Jeśli wszystkie cząsteczki mają wokół siebie jednolity ładunek, żadna z nich nie będzie się przyciągać.Wyobraź sobie dwa łożyska kulkowe, każde łożysko kulkowe ma równomierny rozkład elektronów na swojej powierzchni.Żadne z nich nie będzie się przyciągać, ponieważ oba mają ładunek ujemny i żaden ładunek dodatni nie może się przyciągnąć.
Na szczęście w prawdziwym świecie te elektroniczne chmury są w ciągłym ruchu i w każdej chwili istnieją obszary z ładunkami dodatnimi lub ujemnymi.Jeśli w dowolnym momencie masz wokół siebie dwie cząsteczki otoczone losowo naładowanymi elektronami, będzie między nimi niewielkie przyciąganie.Siła generowana przez losową redystrybucję ładunków dodatnich i ujemnych w chmurze elektronów wokół cząsteczki nazywana jest siłą dyspersji.
Siły te są bardzo słabe.Niezależnie od struktury lub składu cząsteczki, pomiędzy wszystkimi cząsteczkami istnieje siła dyspersji, która jest dokładnie przeciwna sile polarnej generowanej przez strukturę cząsteczki.
Na przykład siła dyspersji jest jedyną siłą istniejącą pomiędzy cząsteczkami azotu.W temperaturze pokojowej azot jest rodzajem gazu, ponieważ siła rozpraszająca jest zbyt słaba, nie jest w stanie oprzeć się wibracjom termicznym nawet w najbardziej umiarkowanej temperaturze i nie jest w stanie utrzymać razem cząsteczek azotu.Dopiero gdy usuniemy prawie całą energię cieplną poprzez ochłodzenie jej do temperatury poniżej -195°C, azot stanie się ciekły.Gdy energia cieplna zostanie dostatecznie zmniejszona, słabsza siła dyspersji może pokonać wibracje termiczne i przyciągnąć cząsteczki azotu do siebie, tworząc ciecz.
Jeśli spojrzymy na wodę, jej wielkość cząsteczkowa i masa są podobne do azotu, ale struktura i skład cząsteczek wody różnią się od azotu.Ponieważ woda jest cząsteczką bardzo polarną, cząsteczki będą się bardzo silnie przyciągać, a woda pozostanie w stanie ciekłym, dopóki temperatura wody nie wzrośnie powyżej 100°C.W tej temperaturze energia cieplna pokonuje molekuły. Dzięki połączonym siłom polarnym woda staje się gazem.
Kluczową kwestią do zrozumienia jest różnica w sile pomiędzy siłą dyspersji a siłą polarną, która przyciąga cząsteczki do siebie.Kiedy mówimy o energii powierzchniowej wytwarzanej przez te siły przyciągania, należy o tym pamiętać.
Rozproszona energia powierzchniowa jest częścią energii powierzchniowej, która powstaje w wyniku rozproszenia chmur elektronów w cząsteczkach na powierzchni materiału.Całkowita energia powierzchniowa jest atrakcyjnym wyrazem wzajemnego przyciągania się cząsteczek.Rozproszone energie powierzchniowe stanowią część energii całkowitej, nawet jeśli są to słabe i zmienne składniki.
W przypadku różnych materiałów rozproszona energia powierzchniowa jest różna.Wysoce aromatyczne polimery (takie jak polistyren) mają wiele pierścieni benzenowych i stosunkowo duże składniki rozpraszające energię powierzchniową.Podobnie, ponieważ zawierają dużą liczbę heteroatomów (takich jak chlor), PVC ma również stosunkowo duży rozproszony składnik energii powierzchniowej w całkowitej energii powierzchniowej.
Dlatego rola energii dyspersji w procesie produkcyjnym zależy od zastosowanych materiałów.Ponieważ jednak siła dyspersji prawie nie zależy od konkretnej struktury molekularnej, sposób ich kontrolowania jest bardzo ograniczony.
Interakcja odchylenia rozproszonych elektronów oparta na tych fluktuacjach nie jest jedynym sposobem interakcji cząsteczek.Ze względu na pewne cechy strukturalne, które tworzą inne siły przyciągające między cząsteczkami, cząsteczki mogą oddziaływać z innymi cząsteczkami.Istnieje wiele sposobów klasyfikacji tych innych sił, takich jak interakcje kwas-zasada, w których cząsteczki oddziałują poprzez swoją zdolność do przyjmowania lub oddawania elektronów.
Niektóre cząsteczki mają cechy strukturalne, które wytwarzają trwałe dipole, co oznacza, że oprócz losowego rozproszenia elektronów wokół cząsteczki, niektóre części cząsteczki są zawsze bardziej dodatnie lub ujemne niż inne.Te trwałe dipole są bardziej atrakcyjne niż oddziaływania dyspersyjne.
Ze względu na swoją strukturę niektóre cząsteczki mają trwale naładowane obszary, które są naładowane dodatnio lub ujemnie.Polarna energia powierzchniowa jest składnikiem energii powierzchniowej, która powstaje w wyniku przyciągania tych ładunków pomiędzy cząsteczkami.
Możemy łatwo skoncentrować wszystkie oddziaływania niedyspersyjne pod ochroną oddziaływań polarnych.
Właściwości dyspersyjne cząsteczki są funkcją wielkości cząsteczki, zwłaszcza liczby obecnych elektronów i protonów.Nie mamy dużej kontroli nad liczbą elektronów i protonów, co ogranicza naszą zdolność kontrolowania składnika dyspersyjnego energii powierzchniowej.
Jednakże składnik polarny zależy od położenia protonów i elektronów – kształtu cząsteczki.Możemy zmienić rozkład elektronów i protonów za pomocą metod leczenia, takich jak obróbka koronowa i obróbka plazmowa.Przypomina to sposób, w jaki możemy zmienić kształt bloku glinianego, ale zawsze zachowa on tę samą jakość.
Siły polarne są bardzo ważne, ponieważ stanowią część energii powierzchniowej, którą kontrolujemy podczas wykonywania obróbki powierzchniowej.Przyciąganie dipol-dipol jest przyczyną silnej adhezji pomiędzy większością klejów, farb i tuszy oraz powierzchniami.Poprzez czyszczenie, obróbkę płomieniową, obróbkę koronową, obróbkę plazmową lub jakąkolwiek inną formę obróbki powierzchni możemy zasadniczo zwiększyć składnik polarny energii powierzchniowej, poprawiając w ten sposób przyczepność.
Używając dwukrotnie tej samej strony chusteczki IPA na tej samej powierzchni, na powierzchnię można wprowadzić jedynie substancje o niskiej energii, aby w sposób niezamierzony zmniejszyć polarną składową energii powierzchniowej.Ponadto powierzchnia może zostać poddana nadmiernej obróbce, co powoduje ulatnianie się i zmniejszenie energii powierzchniowej.Kiedy powierzchnia w ogóle nie zostanie wytworzona, zmieni się także polarny składnik energii powierzchniowej.Czysta powierzchnia przechowywania przyciąga cząsteczki ze środowiska, w tym z materiałów opakowaniowych.Zmienia to krajobraz molekularny powierzchni i może zmniejszyć energię powierzchniową.
Trudno jest nam kontrolować wielkość dyspersji.Siły te są w zasadzie stałe i próby zmiany siły dyspersji w celu kontrolowania jakości powierzchni w celu uzyskania niezawodnej przyczepności podczas procesu produkcyjnego mają niewielką wartość.
Projektując lub modyfikując powierzchnię, projektujemy właściwości składowej polarnej energii powierzchniowej.Dlatego jeśli chcemy opracować proces obróbki powierzchni w celu kontrolowania powierzchni materiału, to chcemy kontrolować skład polarny powierzchni.
Swobodna energia powierzchniowa jest sumą wszystkich indywidualnych sił działających pomiędzy cząsteczkami.Istnieje kilka wzorów na swobodną energię powierzchniową.Jeśli zdecydujemy się potraktować wszystkie siły niedyspersyjne jako siły polarne, obliczenie swobodnej energii powierzchniowej jest proste.Formuła to:
W produkcji niezawodnych produktów, obróbce powierzchni, czyszczeniu i przygotowaniu, wolna energia powierzchniowa jest taka sama jak energia powierzchniowa.
Ze względu na wymagania produkcyjne związane z różnymi procesami, takimi jak przyczepność złącza, właściwa przyczepność atramentu do plastiku czy działanie „samoczyszczącej” powłoki na ekranie smartfona, wszystko zależy od kontroli właściwości powierzchni.Dlatego bardzo ważne jest zrozumienie energii powierzchniowej jako konsekwencji koncepcji produkcji.
Energia powierzchniowa pochodzi z różnych sposobów, w jakie cząsteczki przyciągają się nawzajem.Polarne interakcje między cząsteczkami są najważniejsze dla procesu adhezji i czyszczenia, ponieważ te interakcje na poziomie molekularnym są interakcjami molekularnymi, które możemy najbardziej kontrolować poprzez obróbkę powierzchni, szlifowanie, piaskowanie, czyszczenie, wycieranie lub inne metody przygotowania powierzchni.
Znajomość polarności, składu dyspersji i napięcia powierzchniowego jest bardzo ważna przy opracowywaniu klejów, atramentów i powłok.Jednak w przypadku produktów wytwarzanych przy użyciu klejów, tuszy, farb i powłok zwykle zwracamy uwagę jedynie na składową polarną energii powierzchniowej, ponieważ to ona ma wpływ na proces produkcyjny.
Pomiar całkowitej energii powierzchniowej jest procesem stosunkowo złożonym i podatnym na błędy.Jednakże kąt zwilżania pojedynczej cieczy, takiej jak woda, jest prawie całkowicie zdeterminowany przez polarną składową energii powierzchniowej.Dlatego mierząc kąt wytwarzany przez wysokość kropli wody na powierzchni, możemy z zadziwiającą dokładnością dowiedzieć się, jak zmienia się składowa polarna energii powierzchniowej.Ogólnie rzecz biorąc, im wyższa energia powierzchniowa, tym mniejszy kąt powodowany przez przyciąganie i rozprzestrzenianie się lub zwilżanie kropelek wody.Niska energia powierzchniowa powoduje perełkowanie się wody i powstawanie małych pęcherzyków na powierzchni, tworząc większy kąt zwilżania.Spójność pomiaru kąta zwilżania jest powiązana z energią powierzchniową, a zatem z przyczepnością, co zapewnia producentom niezawodny i powtarzalny sposób zapewnienia wytrzymałości swoich produktów.
Aby dowiedzieć się więcej na temat kontrolowania procesu produkcyjnego w celu osiągnięcia bardziej przewidywalnych wyników, pobierz nasz bezpłatny e-book: Sprawdź przewidywalną przyczepność w procesie produkcyjnym.Ten e-book to przewodnik po monitorowaniu procesu za pomocą analiz predykcyjnych, czyli procesie, który eliminuje wszelkie domysły dotyczące utrzymywania jakości powierzchni w całym procesie łączenia.
Czas publikacji: 29 marca 2021 r