Care este diferența dintre energia liberă de suprafață și energia de suprafață?În final, aceasta este o întrebare pur semantică.Energia liberă de suprafață este energia liberă dintr-un spațiu specific (suprafața materialului).În cel mai pur sens al termodinamicii, energia liberă se referă la energia care poate fi folosită pentru a funcționa, a provoca efecte și a face ceva să se întâmple.Energia liberă de suprafață este legată de energia care se poate realiza pe suprafața materialului.
Pentru producători și oricine implicat în aderență, curățare, lipire, acoperiri, cerneluri și formulări de vopsea, etanșare sau orice alt proces care implică interacțiunea suprafețelor cu alte suprafețe sau cu mediul lor, energia liberă a suprafeței este de obicei scurtată la doar energia de suprafață.
Suprafețele sunt esențiale pentru toate procesele enumerate mai sus și, chiar dacă au un impact direct asupra performanței producătorilor de produse din toate industriile, adesea nu sunt măsurate și, prin urmare, nu sunt controlate.
Controlul suprafeței în producție se referă la controlul energiei de suprafață a materialelor utilizate.
Suprafața este compusă din molecule care interacționează chimic între ele și din moleculele care alcătuiesc suprafața altor materiale cu care intră în contact.Pentru a modifica energia de suprafață, trebuie să se înțeleagă că acele molecule pot fi îndepărtate prin curățare și tratament, înlocuite sau manipulate în alt mod pentru a produce diferite niveluri de energie de suprafață și pentru a obține rezultatele dorite.Pentru a controla energia de suprafață, aceasta trebuie măsurată pe tot parcursul procesului de schimbare a chimiei suprafeței pentru a determina când și cu cât.În acest fel, cantitatea precisă de energie de suprafață necesară poate fi obținută la momentul potrivit în timpul procesului de aderență sau curățare.
Pentru a înțelege cum moleculele fac munca de a construi legături puternice și de a curăța chimic suprafețele, trebuie să înțelegem atracția care trage moleculele împreună și constituie energia totală liberă a suprafeței disponibile.
Când vorbim despre energia suprafeței, vorbim despre capacitatea acelei suprafețe de a lucra.Literal, aceasta este capacitatea suprafeței de a mișca molecule - această mișcare necesită energie.Este important să ne amintim că o suprafață și moleculele care alcătuiesc suprafața sunt aceleași.Fără molecule, nu există suprafață.Dacă nu există energie, aceste molecule nu pot finaliza munca de adsorbție pe adeziv, deci nu există nicio legătură.
Prin urmare, munca este direct proporțională cu energia.Mai multă muncă necesită mai multă energie.Mai mult, dacă ai mai multă energie, munca ta va crește.Capacitatea unei molecule de a funcționa provine din atracția ei față de alte molecule.Aceste forțe atractive provin din mai multe moduri diferite în care moleculele interacționează.
În mod fundamental, moleculele interacționează deoarece au molecule încărcate pozitiv și negativ și atrag sarcini opuse între molecule.Un nor de electroni plutește în jurul moleculei.Datorită acestor electroni în mișcare constantă, molecula are o sarcină variabilă într-o moleculă dintr-o zonă dată.Dacă toate moleculele au o sarcină uniformă în jurul lor, nicio moleculă nu se va atrage reciproc.Imaginați-vă doi rulmenți cu bile, fiecare rulment cu bile având o distribuție uniformă a electronilor pe suprafața sa.Niciunul nu se va atrage unul pe celălalt, deoarece ambele au o sarcină negativă și nicio sarcină pozitivă nu poate fi atrasă.
Din fericire, în lumea reală, acești nori electronici sunt în continuă mișcare și există zone cu sarcini pozitive sau negative în orice moment.Dacă aveți două molecule cu electroni încărcați aleatoriu în jurul lor în orice moment, vor avea o mică atracție între ele.Forța generată de redistribuirea aleatorie a sarcinilor pozitive și negative în norul de electroni din jurul moleculei se numește forță de dispersie.
Aceste forțe sunt foarte slabe.Indiferent de structura sau compoziția moleculei, există o forță de dispersie între toate moleculele, care este direct opusă forței polare generate de structura moleculei.
De exemplu, forța de dispersie este singura forță care există între moleculele de azot.La temperatura camerei, azotul este un fel de gaz, deoarece forța de dispersie este prea slabă, nu poate rezista vibrațiilor termice chiar și la cea mai moderată temperatură și nu poate ține împreună moleculele de azot.Numai când eliminăm aproape toată energia termică prin răcirea ei la sub -195°C, azotul devine lichid.Odată ce energia termică este suficient de redusă, forța de dispersie mai slabă poate depăși vibrația termică și poate trage moleculele de azot împreună pentru a forma un lichid.
Dacă ne uităm la apă, dimensiunea și masa ei moleculară sunt similare cu cele ale azotului, dar structura și compoziția moleculelor de apă sunt diferite de cele ale azotului.Deoarece apa este o moleculă foarte polară, moleculele se vor atrage reciproc foarte puternic, iar apa va rămâne lichidă până când temperatura apei va crește peste 100°C.La această temperatură, energia termică învinge moleculara Cu forțele polare ținute împreună, apa devine un gaz.
Punctul cheie de înțeles este diferența de forță dintre forța de dispersie și forța polară care atrage moleculele între ele.Când vorbim despre energia de suprafață produsă de aceste forțe atractive, vă rugăm să țineți cont de acest lucru.
Energia de suprafață dispersată face parte din energia de suprafață, care este generată de dispersia norilor de electroni în molecule de pe suprafața materialului.Energia totală de suprafață este o expresie atractivă a atracției moleculelor unele față de altele.Energiile de suprafață dispersate fac parte din energia totală, chiar dacă sunt componente slabe și fluctuante.
Pentru diferite materiale, energia de suprafață dispersată este diferită.Polimerii foarte aromatici (cum ar fi polistirenul) au multe inele benzenice și componente de dispersie a energiei de suprafață relativ mari.În mod similar, deoarece conțin un număr mare de heteroatomi (cum ar fi clorul), PVC are, de asemenea, o componentă de energie de suprafață dispersată relativ mare în energia lor de suprafață totală.
Prin urmare, rolul energiei de dispersie în procesul de fabricație depinde de materialele utilizate.Cu toate acestea, deoarece forța de dispersie depinde cu greu de structura moleculară specifică, modul de control al acestora este foarte limitat.
Interacțiunea deflexiunii electronilor împrăștiați pe baza acestor fluctuații nu este singura modalitate prin care moleculele interacționează între ele.Datorită anumitor caracteristici structurale care creează alte forțe atractive între molecule, moleculele pot interacționa cu alte molecule.Există multe moduri de a clasifica aceste alte forțe, cum ar fi interacțiunile acido-bazice, în care moleculele interacționează prin capacitatea lor de a accepta sau dona electroni.
Unele molecule au caracteristici structurale care produc dipoli permanenți, ceea ce înseamnă că, pe lângă dispersia aleatorie a electronilor în jurul moleculei, unele părți ale moleculei sunt întotdeauna mai pozitive sau negative decât altele.Acești dipoli permanenți sunt mai atractivi decât interacțiunile dispersive.
Datorită structurii lor, unele molecule au regiuni încărcate permanent care sunt încărcate fie pozitiv, fie negativ.Energia de suprafață polară este o componentă a energiei de suprafață, care este cauzată de atracția acestor sarcini între molecule.
Putem concentra cu ușurință toate interacțiunile nedispersive sub protecția interacțiunilor polare.
Proprietățile de dispersie ale unei molecule sunt o funcție de dimensiunea moleculei, în special câți electroni și protoni sunt prezenți.Nu avem prea mult control asupra numărului de electroni și protoni, ceea ce ne limitează capacitatea de a controla componenta de dispersie a energiei de suprafață.
Cu toate acestea, componenta polară depinde de poziția protonilor și a electronilor - forma moleculei.Putem schimba distribuția electronilor și protonilor prin metode de tratament precum tratamentul corona și tratamentul cu plasmă.Acest lucru este similar cu modul în care putem schimba forma blocului de argilă, dar va menține întotdeauna aceeași calitate.
Forțele polare sunt foarte importante deoarece fac parte din energia de suprafață pe care o controlăm atunci când efectuăm tratamente de suprafață.Atractia dipol-dipol este cauza adeziunii puternice intre majoritatea adezivilor, vopselelor si cernelurilor si suprafetelor.Prin curățare, tratament cu flacără, tratament corona, tratament cu plasmă sau orice altă formă de tratament de suprafață, putem crește fundamental componenta polară a energiei de suprafață, îmbunătățind astfel aderența.
Folosind aceeași parte a șervețelului IPA de două ori pe aceeași suprafață, numai substanțe cu energie scăzută pot fi introduse pe suprafață pentru a reduce neintenționat componenta polară a energiei de suprafață.În plus, suprafața poate fi supratratată, ceea ce se volatilizează și reduce energia de suprafață.Atunci când suprafața nu este produsă deloc, se va modifica și componenta polară a energiei de suprafață.O suprafață curată de depozitare atrage moleculele din mediu, inclusiv materialele de ambalare.Acest lucru modifică peisajul molecular al suprafeței și poate reduce energia de suprafață.
Cu greu putem controla dimensiunea dispersiei.Aceste forțe sunt practic fixe și există puțină valoare în încercarea de a schimba forța de dispersie ca mijloc de control al calității suprafeței pentru a obține o aderență fiabilă în timpul procesului de fabricație.
Când proiectăm sau modificăm suprafața, proiectăm proprietățile componentei polare a energiei de suprafață.Prin urmare, dacă dorim să dezvoltăm un proces de tratare a suprafeței pentru a controla suprafața materialului, atunci dorim să controlăm compoziția polară a suprafeței.
Energia liberă de suprafață este suma tuturor forțelor individuale care acționează între molecule.Există câteva formule pentru energia liberă de suprafață.Dacă decidem să tratăm toate forțele nedispersive ca forțe polare, calculul energiei libere de suprafață este simplu.Formula este:
La fabricarea de produse fiabile, tratarea suprafeței, curățarea și pregătirea, energia liberă de suprafață este aceeași cu energia de suprafață.
Datorită cerințelor de producție implicate în diferite procese, cum ar fi performanța de aderență a îmbinării, aderența corectă a cernelii pe plastic sau performanța de acoperire a stratului de „autocurățare” pe ecranul smartphone-ului, toate depind de control. a proprietăților suprafeței.Prin urmare, este foarte important să înțelegem energia de suprafață ca o consecință a conceptului de fabricație.
Energia de suprafață provine din diferitele moduri în care moleculele se atrag reciproc.Interacțiunile polare dintre molecule sunt cele mai importante pentru procesul de aderență și curățare, deoarece aceste interacțiuni la nivel molecular sunt interacțiunile moleculare pe care le putem controla cel mai mult prin tratarea suprafeței, șlefuire, șlefuire, curățare, ștergere sau orice alte metode de pregătire a suprafeței.
Cunoașterea polarității și compoziția dispersiei și a tensiunii superficiale este foarte importantă pentru dezvoltarea adezivilor, cernelurilor și acoperirilor.Cu toate acestea, pentru produsele fabricate folosind adezivi, cerneluri, vopsele și acoperiri, de obicei trebuie să acordăm atenție doar componentei polare a energiei de suprafață, deoarece este una care este afectată de procesul de fabricație.
Măsurarea energiei totale de suprafață este un proces relativ complex și predispus la erori.Cu toate acestea, unghiul de contact al unui singur lichid precum apa este determinat aproape în întregime de componenta polară a energiei de suprafață.Prin urmare, măsurând unghiul produs de înălțimea unei picături de apă la suprafață, putem ști cu o acuratețe uimitoare cum se modifică componenta polară a energiei de suprafață.În general, cu cât energia de suprafață este mai mare, cu atât este mai mic unghiul cauzat de picăturile de apă atrase și răspândite sau umezite.Energia de suprafață scăzută va face ca apa să curgă și să se micșoreze în bule mici la suprafață, formând un unghi de contact mai mare.Consistența acestei măsurători a unghiului de contact este legată de energia de suprafață și, prin urmare, de performanța de aderență, care oferă producătorilor o modalitate fiabilă și repetabilă de a asigura rezistența produselor lor.
Pentru a afla mai multe despre controlul procesului de fabricație pentru a obține rezultate mai previzibile, descărcați cartea noastră electronică gratuită: Verificați aderența previzibilă în fabricație prin proces.Această carte electronică este ghidul tău pentru monitorizarea procesului folosind analize predictive, un proces care elimină orice presupunere cu privire la menținerea calității suprafeței pe tot parcursul procesului de lipire.
Ora postării: 29-mar-2021