Kakšna je razlika med površinsko prosto energijo in površinsko energijo?V končni analizi je to povsem semantično vprašanje.Površinska prosta energija je prosta energija v določenem prostoru (materialni površini).V najčistejšem smislu termodinamike se prosta energija nanaša na energijo, ki jo je mogoče uporabiti za delovanje, povzročanje učinkov in ustvarjanje nečesa.Površinska prosta energija je povezana z energijo, ki se lahko pojavi na površini materiala.
Za proizvajalce in vse, ki se ukvarjajo z lepljenjem, čiščenjem, lepljenjem, premazi, črnili in formulacijami barv, tesnjenjem ali katerim koli drugim postopkom, ki vključuje interakcijo površin z drugimi površinami ali njihovim okoljem, se površinska prosta energija običajno skrajša na samo površinsko energijo.
Površine so ključnega pomena za vse zgoraj naštete procese in tudi če neposredno vplivajo na uspešnost proizvajalcev izdelkov v vseh panogah, se pogosto ne merijo in zato ne nadzorujejo.
Nadzor površine v proizvodnji se nanaša na nadzor površinske energije uporabljenih materialov.
Površino sestavljajo molekule, ki kemično delujejo med seboj, in molekule, ki tvorijo površino drugih materialov, s katerimi pridejo v stik.Da bi spremenili površinsko energijo, je treba razumeti, da je te molekule mogoče odstraniti s čiščenjem in obdelavo, zamenjati ali drugače manipulirati, da proizvedejo različne ravni površinske energije in dosežejo želene rezultate.Da bi nadzorovali površinsko energijo, jo je treba meriti v celotnem procesu spreminjanja površinske kemije, da bi ugotovili, kdaj in za koliko.Na ta način je mogoče pridobiti natančno količino potrebne površinske energije ob ustreznem času med postopkom lepljenja ali čiščenja.
Da bi razumeli, kako molekule gradijo močne vezi in kemično čistijo površine, moramo razumeti privlačnost, ki vleče molekule skupaj in predstavlja celotno prosto energijo razpoložljive površine.
Ko govorimo o energiji površine, govorimo o sposobnosti te površine za opravljanje dela.Dobesedno je to sposobnost površine, da premika molekule – to gibanje zahteva energijo.Pomembno si je zapomniti, da so površina in molekule, ki sestavljajo površino, enake.Brez molekul ni površine.Če ni energije, te molekule ne morejo dokončati dela adsorpcije na lepilo, zato ni lepljenja.
Zato je delo premo sorazmerno z energijo.Več dela zahteva več energije.Še več, če imate več energije, se bo vaše delo povečalo.Sposobnost molekule za delovanje izhaja iz njene privlačnosti za druge molekule.Te privlačne sile izvirajo iz več različnih načinov interakcije molekul.
V bistvu molekule medsebojno delujejo, ker imajo pozitivno in negativno nabite molekule in privlačijo nasprotne naboje med molekulami.Okoli molekule lebdi oblak elektronov.Zaradi teh nenehno premikajočih se elektronov ima molekula spremenljiv naboj v molekuli določenega območja.Če imajo vse molekule enak naboj okoli sebe, se nobena molekula ne bo privlačila.Predstavljajte si dva kroglična ležaja, pri čemer ima vsak kroglični ležaj na svoji površini enakomerno porazdeljene elektrone.Nobeden se ne bo pritegnil, ker imata oba negativen naboj in nobenega pozitivnega naboja ni mogoče pritegniti.
Na srečo so v resničnem svetu ti elektronski oblaki v stalnem gibanju in v vsakem trenutku obstajajo območja s pozitivnimi ali negativnimi naboji.Če imate v katerem koli trenutku okoli sebe dve molekuli z naključno nabitimi elektroni, se bosta med seboj nekoliko privlačili.Sila, ki nastane zaradi naključne prerazporeditve pozitivnih in negativnih nabojev v elektronskem oblaku okoli molekule, se imenuje disperzijska sila.
Te sile so zelo šibke.Ne glede na strukturo ali sestavo molekule obstaja med vsemi molekulami disperzijska sila, ki je neposredno nasprotna polarni sili, ki jo ustvarja struktura molekule.
Na primer, disperzijska sila je edina sila, ki obstaja med molekulami dušika.Pri sobni temperaturi je dušik nekakšen plin, ker je razpršilna sila prešibka, se ne more upreti toplotnim tresljajem niti pri najzmernejši temperaturi in ne more zadržati molekul dušika skupaj.Šele ko odstranimo skoraj vso toplotno energijo z ohlajanjem pod -195°C, dušik postane tekoč.Ko se toplotna energija dovolj zmanjša, lahko šibkejša disperzijska sila premaga toplotne vibracije in potegne molekule dušika skupaj, da tvorijo tekočino.
Če pogledamo vodo, je njena molekularna velikost in masa podobna dušikovi, vendar sta struktura in sestava vodnih molekul drugačni od dušikovih.Ker je voda zelo polarna molekula, se molekule med seboj zelo močno privlačijo in voda ostane tekoča, dokler se temperatura vode ne dvigne nad 100 °C.Pri tej temperaturi toplotna energija premaga molekularno S polarnimi silami, ki se držijo skupaj, voda postane plin.
Ključna točka za razumevanje je razlika v moči med disperzijsko silo in polarno silo, ki privlači molekule druga k drugi.Ko govorimo o površinski energiji, ki jo proizvajajo te privlačne sile, imejte to v mislih.
Razpršena površinska energija je del površinske energije, ki nastane z razpršitvijo elektronskih oblakov v molekulah na površini materiala.Skupna površinska energija je privlačen izraz privlačnosti molekul med seboj.Razpršene površinske energije so del celotne energije, tudi če so šibke in nihajoče komponente.
Za različne materiale je razpršena površinska energija različna.Zelo aromatični polimeri (kot je polistiren) imajo veliko benzenskih obročev in relativno velike komponente, ki razpršijo površinsko energijo.Podobno ima PVC, ker vsebuje veliko število heteroatomov (kot je klor), relativno veliko razpršeno površinsko energijsko komponento v njihovi skupni površinski energiji.
Zato je vloga disperzijske energije v proizvodnem procesu odvisna od uporabljenih materialov.Ker pa disperzijska sila skoraj ni odvisna od specifične molekularne strukture, je način njihovega nadzora zelo omejen.
Interakcija odklona razpršenih elektronov, ki temelji na teh nihanjih, ni edini način za interakcijo molekul med seboj.Zaradi določenih strukturnih značilnosti, ki ustvarjajo druge privlačne sile med molekulami, lahko molekule medsebojno delujejo z drugimi molekulami.Obstaja veliko načinov za razvrščanje teh drugih sil, kot so kislinsko-bazične interakcije, kjer molekule medsebojno delujejo prek svoje sposobnosti sprejemanja ali oddajanja elektronov.
Nekatere molekule imajo strukturne značilnosti, ki proizvajajo stalne dipole, kar pomeni, da so poleg naključne disperzije elektronov okoli molekule nekateri deli molekule vedno bolj pozitivni ali negativni kot drugi.Ti stalni dipoli so bolj privlačni kot disperzivne interakcije.
Zaradi svoje strukture imajo nekatere molekule trajno nabite regije, ki so pozitivno ali negativno nabite.Polarna površinska energija je komponenta površinske energije, ki nastane zaradi privlačnosti teh nabojev med molekulami.
Z lahkoto lahko koncentriramo vse nedisperzivne interakcije pod zaščito polarnih interakcij.
Disperzijske lastnosti molekule so odvisne od velikosti molekule, zlasti od tega, koliko elektronov in protonov je prisotnih.Nimamo veliko nadzora nad številom elektronov in protonov, kar omejuje našo sposobnost nadzora disperzijske komponente površinske energije.
Vendar pa je polarna komponenta odvisna od položaja protonov in elektronov - oblike molekule.Porazdelitev elektronov in protonov lahko spremenimo z metodami obdelave, kot sta obdelava s korono in obdelava s plazmo.To je podobno temu, kako lahko spremenimo obliko glinenih blokov, vendar bo vedno ohranila enako kakovost.
Polarne sile so zelo pomembne, ker so del površinske energije, ki jo nadzorujemo, ko izvajamo površinske obdelave.Dipol-dipol privlačnost je vzrok močnega oprijema med večino lepil, barv in črnil ter površin.S čiščenjem, obdelavo s plamenom, obdelavo s korono, obdelavo s plazmo ali katero koli drugo obliko površinske obdelave lahko bistveno povečamo polarno komponento površinske energije in s tem izboljšamo oprijem.
Z dvakratno uporabo iste strani robčka IPA na isti površini lahko na površino vnesete samo nizkoenergijske snovi, ki nenamerno zmanjšajo polarno komponento površinske energije.Poleg tega je lahko površina preveč obdelana, kar izhlapi in zmanjša površinsko energijo.Ko površina sploh ne nastane, se spremeni tudi polarna komponenta površinske energije.Čista površina za shranjevanje privlači molekule v okolju, vključno z embalažnimi materiali.To spremeni molekularno pokrajino površine in lahko zmanjša površinsko energijo.
Velikost disperzije težko nadzorujemo.Te sile so v bistvu nespremenljive in poskusi spreminjanja disperzijske sile kot sredstva za nadzor kakovosti površine za doseganje zanesljivega oprijema med proizvodnim procesom nimajo velike vrednosti.
Ko načrtujemo ali spreminjamo površino, oblikujemo lastnosti polarne komponente površinske energije.Torej, če želimo razviti postopek površinske obdelave za nadzor površine materiala, potem želimo nadzorovati polarno sestavo površine.
Površinska prosta energija je vsota vseh posameznih sil, ki delujejo med molekulami.Obstaja nekaj formul za površinsko prosto energijo.Če se odločimo vse nedisperzivne sile obravnavati kot polarne sile, je izračun površinske proste energije preprost.Formula je:
Pri izdelavi zanesljivih izdelkov, površinski obdelavi, čiščenju in pripravi je površinska prosta energija enaka površinski energiji.
Zaradi proizvodnih zahtev, vključenih v različne postopke, kot je oprijemljivost spoja, ustrezen oprijem črnila na plastiko ali zmogljivost nanosa »samočistilnega« premaza na zaslonu pametnega telefona, je vse odvisno od nadzora površinskih lastnosti.Zato je zelo pomembno razumeti površinsko energijo kot posledico koncepta proizvodnje.
Površinska energija izvira iz različnih načinov, na katere se molekule privlačijo.Polarne interakcije med molekulami so najpomembnejše za proces oprijema in čiščenja, saj so te interakcije na molekularni ravni molekularne interakcije, ki jih lahko najbolj nadzorujemo s površinsko obdelavo, brušenjem, brušenjem, čiščenjem, brisanjem ali drugimi metodami priprave površine.
Poznavanje polarnosti in disperzijske sestave ter površinske napetosti je zelo pomembno za razvoj lepil, črnil in premazov.Pri izdelkih, izdelanih z uporabo lepil, črnil, barv in premazov, pa moramo biti običajno pozorni le na polarno komponento površinske energije, ker nanjo vpliva proizvodni proces.
Merjenje skupne površinske energije je razmeroma zapleten postopek, ki je nagnjen k napakam.Vendar kontaktni kot posamezne tekočine, kot je voda, skoraj v celoti določa polarna komponenta površinske energije.Zato lahko z merjenjem kota, ki ga ustvari višina kapljice vode na površini, z neverjetno natančnostjo vemo, kako se spreminja polarna komponenta površinske energije.Na splošno velja, da višja kot je površinska energija, manjši je kot, ki ga povzročajo vodne kapljice, ki se tako privlačijo in širijo ali zmočijo.Nizka površinska energija bo povzročila, da se bo voda zbrala v kroglicah in se skrčila v majhne mehurčke na površini, ki tvorijo večji kontaktni kot.Doslednost te meritve kontaktnega kota je povezana s površinsko energijo in s tem z zmogljivostjo oprijema, kar proizvajalcem zagotavlja zanesljiv in ponovljiv način za zagotavljanje trdnosti njihovih izdelkov.
Če želite izvedeti več o nadzoru proizvodnega procesa za doseganje bolj predvidljivih rezultatov, prenesite našo brezplačno e-knjigo: Preverjanje predvidljive adhezije v proizvodnji skozi proces.Ta e-knjiga je vaš vodnik za spremljanje procesa z uporabo prediktivne analitike, procesa, ki odpravlja vsa ugibanja o ohranjanju kakovosti površine v celotnem procesu lepljenja.
Čas objave: 29. marec 2021