угловой шарик

В чем разница между свободной поверхностной энергией и поверхностной энергией?В конечном счете, это чисто смысловой вопрос.Поверхностная свободная энергия – это свободная энергия в определенном пространстве (поверхности материала).В самом чистом смысле термодинамики свободная энергия относится к энергии, которую можно использовать для работы, создания эффектов и осуществления чего-либо.Поверхностная свободная энергия связана с энергией, которая может быть реализована на поверхности материала.
Для производителей и всех, кто занимается адгезией, очисткой, склеиванием, нанесением покрытий, составом чернил и красок, герметизацией или любым другим процессом, включающим взаимодействие поверхностей с другими поверхностями или их средой, свободная поверхностная энергия обычно сокращается до просто поверхностной энергии.
Поверхности имеют решающее значение для всех перечисленных выше процессов, и даже если они оказывают прямое влияние на производительность производителей продукции во всех отраслях, они часто не измеряются и, следовательно, не контролируются.
Контроль поверхности в производстве означает контроль поверхностной энергии используемых материалов.
Поверхность состоит из молекул, химически взаимодействующих друг с другом, и молекул, составляющих поверхность других материалов, с которыми они вступают в контакт.Чтобы изменить поверхностную энергию, необходимо понимать, что эти молекулы можно удалить путем очистки и обработки, заменить или иным образом манипулировать для получения различных уровней поверхностной энергии и достижения желаемых результатов.Чтобы контролировать поверхностную энергию, ее необходимо измерять на протяжении всего процесса изменения химического состава поверхности, чтобы определить, когда и насколько.Таким образом, точное количество необходимой поверхностной энергии может быть получено в нужный момент в процессе приклеивания или очистки.
Чтобы понять, как молекулы выполняют работу по созданию прочных связей и химической очистке поверхностей, нам необходимо понять притяжение, которое стягивает молекулы вместе и составляет полную свободную энергию доступной поверхности.
Когда мы говорим об энергии поверхности, мы говорим о способности этой поверхности совершать работу.Буквально это способность поверхности перемещать молекулы – это движение требует энергии.Важно помнить, что поверхность и молекулы, составляющие поверхность, одинаковы.Без молекул нет поверхности.Если нет энергии, эти молекулы не могут завершить работу по адсорбции на клее, поэтому связи не происходит.
Следовательно, работа прямо пропорциональна энергии.Большая работа требует больше энергии.Более того, если у вас будет больше энергии, ваша работа увеличится.Способность молекулы функционировать обусловлена ​​ее притяжением к другим молекулам.Эти силы притяжения возникают из-за нескольких различных способов взаимодействия молекул.
По сути, молекулы взаимодействуют, потому что у них есть положительно и отрицательно заряженные молекулы, и они притягивают противоположные заряды между молекулами.Вокруг молекулы плавает облако электронов.Из-за этих постоянно движущихся электронов молекула имеет переменный заряд в молекуле заданной площади.Если все молекулы имеют вокруг себя одинаковый заряд, ни одна молекула не будет притягивать друг друга.Представьте себе два шарикоподшипника, каждый шарикоподшипник имеет равномерное распределение электронов на своей поверхности.Ни один из них не будет притягивать друг друга, потому что оба имеют отрицательный заряд, и никакой положительный заряд притянуться не может.
К счастью, в реальном мире эти электронные облака находятся в постоянном движении, и в любой момент возникают области с положительным или отрицательным зарядом.Если в любой момент времени вокруг вас есть две молекулы со случайно заряженными электронами, между ними возникнет небольшое притяжение.Сила, возникающая в результате случайного перераспределения положительных и отрицательных зарядов в электронном облаке вокруг молекулы, называется дисперсионной силой.
Эти силы очень слабы.Независимо от структуры или состава молекулы, между всеми молекулами существует дисперсионная сила, прямо противоположная полярной силе, создаваемой структурой молекулы.
Например, дисперсионная сила — единственная сила, существующая между молекулами азота.При комнатной температуре азот представляет собой разновидность газа, поскольку диспергирующая сила слишком слаба, он не может противостоять тепловой вибрации даже при самой умеренной температуре и не может удерживать молекулы азота вместе.Только когда мы удаляем почти всю тепловую энергию, охлаждая ее до температуры ниже -195°C, азот становится жидким.Как только тепловая энергия достаточно снижается, более слабая дисперсионная сила может преодолеть тепловую вибрацию и сблизить молекулы азота, образуя жидкость.
Если мы посмотрим на воду, ее молекулярный размер и масса аналогичны молекулярным размерам и массе азота, но структура и состав молекул воды отличаются от молекул азота.Поскольку вода является очень полярной молекулой, молекулы будут очень сильно притягиваться друг к другу, и вода останется жидкой до тех пор, пока ее температура не поднимется выше 100°C.При этой температуре тепловая энергия преодолевает молекулярную силу. Благодаря полярным силам вода превращается в газ.
Ключевым моментом, который нужно понять, является разница в силе между дисперсионной силой и полярной силой, которая притягивает молекулы друг к другу.Когда мы говорим о поверхностной энергии, создаваемой этими силами притяжения, имейте это в виду.
Дисперсная поверхностная энергия — это часть поверхностной энергии, которая генерируется за счет рассеяния электронных облаков в молекулах на поверхности материала.Полная поверхностная энергия является привлекательным выражением притяжения молекул друг к другу.Дисперсные поверхностные энергии являются частью полной энергии, даже если они представляют собой слабые и флуктуирующие компоненты.
Для разных материалов дисперсная поверхностная энергия различна.Высокоароматические полимеры (такие как полистирол) имеют множество бензольных колец и относительно большие компоненты, рассеивающие поверхностную энергию.Аналогично, поскольку ПВХ содержит большое количество гетероатомов (например, хлора), он также имеет относительно большую долю дисперсной поверхностной энергии в общей поверхностной энергии.
Поэтому роль энергии дисперсии в производственном процессе зависит от используемых материалов.Однако, поскольку дисперсионные силы практически не зависят от конкретной молекулярной структуры, способы управления ими весьма ограничены.
Взаимодействие рассеянных электронов, отклонение которых основано на этих флуктуациях, — не единственный способ взаимодействия молекул друг с другом.Благодаря определенным структурным особенностям, создающим другие силы притяжения между молекулами, молекулы могут взаимодействовать с другими молекулами.Есть много способов классифицировать эти другие силы, такие как кислотно-основные взаимодействия, когда молекулы взаимодействуют посредством своей способности принимать или отдавать электроны.
Некоторые молекулы имеют структурные особенности, которые создают постоянные диполи, а это означает, что, помимо случайного рассеяния электронов вокруг молекулы, некоторые части молекулы всегда более положительные или отрицательные, чем другие.Эти постоянные диполи более привлекательны, чем дисперсионные взаимодействия.
Из-за своей структуры некоторые молекулы имеют постоянно заряженные области, которые заряжены либо положительно, либо отрицательно.Полярная поверхностная энергия является компонентом поверхностной энергии, вызванной притяжением этих зарядов между молекулами.
Мы легко можем сконцентрировать все недисперсионные взаимодействия под защитой полярных взаимодействий.
Дисперсионные свойства молекулы зависят от размера молекулы, особенно от количества в ней электронов и протонов.У нас нет особого контроля над количеством электронов и протонов, что ограничивает нашу способность контролировать дисперсионную составляющую поверхностной энергии.
Однако полярная составляющая зависит от положения протонов и электронов — формы молекулы.Мы можем изменить распределение электронов и протонов с помощью таких методов лечения, как обработка коронным разрядом и плазма.Это похоже на то, как мы можем изменить форму глиняных блоков, но качество всегда останется прежним.
Полярные силы очень важны, поскольку они являются частью поверхностной энергии, которую мы контролируем, когда выполняем обработку поверхности.Диполь-дипольное притяжение является причиной сильной адгезии между большинством клеев, красок и чернил и поверхностями.Посредством очистки, обработки пламенем, обработки коронным разрядом, плазменной обработки или любой другой формы обработки поверхности мы можем существенно увеличить полярную составляющую поверхностной энергии, тем самым улучшая адгезию.
Если дважды использовать одну и ту же сторону салфетки из IPA на одной и той же поверхности, на поверхность можно нанести только низкоэнергетические вещества, что непреднамеренно уменьшит полярную составляющую поверхностной энергии.Кроме того, поверхность может быть подвергнута чрезмерной обработке, что приводит к ее испарению и снижению поверхностной энергии.Когда поверхность вообще не образуется, полярная составляющая поверхностной энергии также изменится.Чистая поверхность для хранения притягивает молекулы из окружающей среды, включая упаковочные материалы.Это меняет молекулярный ландшафт поверхности и может снизить поверхностную энергию.
Мы вряд ли можем контролировать размер дисперсии.Эти силы в основном фиксированы, и нет смысла пытаться изменить силу дисперсии как средство контроля качества поверхности для достижения надежной адгезии во время производственного процесса.
Когда мы проектируем или модифицируем поверхность, мы проектируем свойства полярной компоненты поверхностной энергии.Следовательно, если мы хотим разработать процесс обработки поверхности для контроля поверхности материала, мы хотим контролировать полярный состав поверхности.
Поверхностная свободная энергия представляет собой сумму всех отдельных сил, действующих между молекулами.Есть несколько формул для поверхностной свободной энергии.Если мы решим рассматривать все недисперсионные силы как полярные силы, расчет поверхностной свободной энергии будет простым.Формула:
При производстве надежных изделий, обработке поверхности, очистке и подготовке свободная поверхностная энергия равна поверхностной энергии.
Из-за производственных требований, связанных с различными процессами, такими как характеристики адгезии шва, правильная адгезия чернил к пластику или характеристики «самоочищающегося» покрытия на экране смартфона, все зависит от системы управления. свойств поверхности.Поэтому очень важно понимать поверхностную энергию как следствие концепции производства.
Поверхностная энергия возникает из-за различных способов притяжения молекул друг друга.Полярные взаимодействия между молекулами являются наиболее важными для процесса адгезии и очистки, поскольку эти взаимодействия на молекулярном уровне представляют собой молекулярные взаимодействия, которыми мы можем больше всего управлять посредством обработки поверхности, шлифования, шлифования, очистки, протирания или любых других методов подготовки поверхности.
Знание полярности, состава дисперсии и поверхностного натяжения очень важно для разработки клеев, чернил и покрытий.Однако для продуктов, изготовленных с использованием клеев, чернил, красок и покрытий, нам обычно нужно обращать внимание только на полярную составляющую поверхностной энергии, поскольку именно на нее влияет производственный процесс.
Измерение полной поверхностной энергии — относительно сложный и подверженный ошибкам процесс.Однако контактный угол одиночной жидкости, такой как вода, почти полностью определяется полярной составляющей поверхностной энергии.Поэтому, измеряя угол, образуемый высотой капли воды на поверхности, мы можем с поразительной точностью узнать, как меняется полярная составляющая поверхностной энергии.Как правило, чем выше поверхностная энергия, тем меньший угол возникает из-за того, что капли воды притягиваются, растекаются или смачиваются.Низкая поверхностная энергия приводит к тому, что вода сжимается в мелкие пузырьки на поверхности, образуя больший угол контакта.Постоянство этого измерения угла контакта связано с поверхностной энергией и, следовательно, с характеристиками адгезии, что дает производителям надежный и воспроизводимый способ гарантировать прочность своей продукции.
Чтобы узнать больше об управлении производственным процессом для достижения более предсказуемых результатов, загрузите нашу бесплатную электронную книгу: «Проверьте предсказуемую адгезию в процессе производства».Эта электронная книга — ваше руководство по мониторингу процесса с использованием прогнозной аналитики — процесса, который устраняет все догадки о сохранении качества поверхности на протяжении всего процесса склеивания.