Яка різниця між поверхневою вільною енергією та поверхневою енергією?Зрештою, це питання суто семантичне.Поверхнева вільна енергія - це вільна енергія в певному просторі (поверхні матеріалу).У найчистішому розумінні термодинаміки вільна енергія відноситься до енергії, яка може бути використана для роботи, спричинення ефектів і здійснення чогось.Поверхнева вільна енергія пов’язана з енергією, яка може виникнути на поверхні матеріалу.
Для виробників і будь-кого, хто займається адгезією, очищенням, склеюванням, покриттями, чорнилом і фарбами, герметизацією або будь-яким іншим процесом, пов’язаним із взаємодією поверхонь з іншими поверхнями або їх середовищем, вільна поверхнева енергія зазвичай скорочується до просто поверхневої енергії.
Поверхні мають вирішальне значення для всіх процесів, перелічених вище, і навіть якщо вони безпосередньо впливають на продуктивність виробників продукції в усіх галузях промисловості, вони часто не вимірюються і, отже, не контролюються.
Управління поверхнею у виробництві означає контроль поверхневої енергії використовуваних матеріалів.
Поверхня складається з молекул, які хімічно взаємодіють одна з одною, і з молекул, що утворюють поверхню інших матеріалів, з якими вони контактують.Щоб змінити поверхневу енергію, слід розуміти, що ці молекули можна видалити шляхом очищення та обробки, замінити або іншим чином маніпулювати для отримання різних рівнів поверхневої енергії та досягнення бажаних результатів.Щоб контролювати поверхневу енергію, її необхідно вимірювати протягом усього процесу зміни хімічного складу поверхні, щоб визначити, коли та на скільки.Таким чином можна отримати точну кількість необхідної поверхневої енергії у відповідний час під час процесу приклеювання або очищення.
Щоб зрозуміти, як молекули виконують роботу зі створення міцних зв’язків і хімічного очищення поверхонь, нам потрібно зрозуміти тяжіння, яке тягне молекули разом і становить загальну вільну енергію доступної поверхні.
Коли ми говоримо про енергію поверхні, ми говоримо про здатність цієї поверхні виконувати роботу.Буквально, це здатність поверхні рухати молекули - цей рух вимагає енергії.Важливо пам’ятати, що поверхня та молекули, з яких складається поверхня, однакові.Без молекул немає поверхні.Якщо немає енергії, ці молекули не можуть завершити роботу по адсорбції на клеї, тому зв’язування не відбувається.
Отже, робота прямо пропорційна енергії.Більше роботи вимагає більше енергії.Крім того, якщо у вас більше енергії, ваша робота збільшиться.Здатність молекули функціонувати походить від її тяжіння до інших молекул.Ці сили тяжіння походять від кількох різних способів взаємодії молекул.
По суті, молекули взаємодіють, оскільки вони мають позитивно та негативно заряджені молекули, і вони притягують протилежні заряди між молекулами.Навколо молекули плаває хмара електронів.Через ці електрони, що постійно рухаються, молекула має змінний заряд у молекулі заданої площі.Якщо всі молекули мають рівномірний заряд навколо них, жодна молекула не буде притягувати одна одну.Уявіть собі два шарикопідшипники, кожен з яких має рівномірний розподіл електронів на поверхні.Жоден не буде притягувати один одного, оскільки вони обидва мають негативний заряд, а позитивний заряд притягуватися не може.
На щастя, в реальному світі ці електронні хмари знаходяться в постійному русі, і в будь-який момент є області з позитивними або негативними зарядами.Якщо у вас є дві молекули з довільно зарядженими електронами навколо них у будь-який момент часу, між ними буде невелике тяжіння.Сила, що виникає в результаті випадкового перерозподілу позитивних і негативних зарядів в електронній хмарі навколо молекули, називається силою дисперсії.
Ці сили дуже слабкі.Незалежно від структури або складу молекули між усіма молекулами існує дисперсійна сила, яка прямо протилежна полярній силі, породженій структурою молекули.
Наприклад, сила дисперсії є єдиною силою, яка існує між молекулами азоту.За кімнатної температури азот є різновидом газу, оскільки диспергуюча сила надто слабка, він не може протистояти термічній вібрації навіть за найпомірнішої температури та не може утримувати молекули азоту разом.Лише коли ми видаляємо майже всю теплову енергію, охолоджуючи її до температури нижче -195°C, азот стає рідким.Як тільки теплова енергія значно зменшується, слабша дисперсійна сила може подолати теплову вібрацію та стягнути молекули азоту разом, щоб утворити рідину.
Якщо ми подивимося на воду, її молекулярний розмір і маса подібні до азоту, але структура і склад молекул води відрізняються від молекул азоту.Оскільки вода є дуже полярною молекулою, молекули будуть дуже сильно притягувати одна одну, і вода залишатиметься рідкою, доки температура води не підніметься вище 100°C.При цій температурі теплова енергія долає молекулярну З полярних сил, що утримуються разом, вода стає газом.
Ключовим моментом для розуміння є різниця в силі між силою дисперсії та полярною силою, яка притягує молекули одна до одної.Коли ми говоримо про поверхневу енергію, яку виробляють ці сили тяжіння, майте це на увазі.
Розсіяна поверхнева енергія - це частина поверхневої енергії, яка генерується дисперсією електронних хмар у молекулах на поверхні матеріалу.Повна поверхнева енергія є привабливим вираженням притягання молекул одна до одної.Розсіяні поверхневі енергії є частиною повної енергії, навіть якщо вони є слабкими та флуктуаційними компонентами.
Для різних матеріалів розсіяна поверхнева енергія різна.Сильно ароматичні полімери (такі як полістирол) мають багато бензольних кілець і відносно велику поверхневу енергію диспергуючих компонентів.Подібним чином, оскільки вони містять велику кількість гетероатомів (таких як хлор), ПВХ також має відносно великий компонент дисперсної поверхневої енергії в їхній загальній поверхневій енергії.
Отже, роль енергії дисперсії у виробничому процесі залежить від використовуваних матеріалів.Однак, оскільки сила дисперсії майже не залежить від конкретної молекулярної структури, спосіб керування ними дуже обмежений.
Взаємодія відхилення розсіяних електронів, заснована на цих флуктуаціях, не є єдиним способом взаємодії молекул одна з одною.Завдяки певним структурним особливостям, які створюють інші сили тяжіння між молекулами, молекули можуть взаємодіяти з іншими молекулами.Існує багато способів класифікувати ці інші сили, такі як кислотно-лужні взаємодії, коли молекули взаємодіють завдяки своїй здатності приймати або віддавати електрони.
Деякі молекули мають структурні особливості, які створюють постійні диполі, що означає, що, окрім випадкової дисперсії електронів навколо молекули, деякі частини молекули завжди більш позитивні або негативні, ніж інші.Ці постійні диполі більш привабливі, ніж дисперсійні взаємодії.
Завдяки своїй структурі деякі молекули мають постійно заряджені області, які заряджені позитивно або негативно.Полярна поверхнева енергія — складова поверхневої енергії, яка зумовлена притяганням цих зарядів між молекулами.
Ми можемо легко зосередити всі недисперсійні взаємодії під захистом полярних взаємодій.
Дисперсійні властивості молекули є функцією розміру молекули, особливо від кількості присутніх електронів і протонів.Ми не маємо великого контролю над кількістю електронів і протонів, що обмежує нашу здатність контролювати дисперсійну складову поверхневої енергії.
Однак полярний компонент залежить від положення протонів і електронів — форми молекули.Ми можемо змінити розподіл електронів і протонів за допомогою таких методів обробки, як коронна обробка та плазмова обробка.Це схоже на те, як ми можемо змінити форму глиняного блоку, але якість завжди буде незмінною.
Полярні сили дуже важливі, оскільки вони є частиною поверхневої енергії, якою ми керуємо під час обробки поверхні.Диполь-дипольне притягання є причиною сильного зчеплення між більшістю клеїв, фарб і чорнил і поверхнями.За допомогою очищення, обробки полум’ям, коронної обробки, плазмової обробки або будь-якої іншої форми обробки поверхні ми можемо істотно збільшити полярний компонент поверхневої енергії, тим самим покращуючи адгезію.
Використовуючи ту саму сторону серветки IPA двічі на одній поверхні, на поверхню можна ввести лише низькоенергетичні речовини, щоб ненавмисно зменшити полярну складову поверхневої енергії.Крім того, поверхня може бути надмірно оброблена, що випаровується та зменшує поверхневу енергію.Коли поверхня взагалі не утворюється, полярна складова поверхневої енергії також зміниться.Чиста поверхня для зберігання притягує молекули з навколишнього середовища, включаючи пакувальні матеріали.Це змінює молекулярний ландшафт поверхні та може зменшити поверхневу енергію.
Ми навряд чи можемо контролювати розмір дисперсії.Ці сили в основному фіксовані, і немає великої користі в спробі змінити силу дисперсії як засіб контролю якості поверхні для досягнення надійної адгезії під час виробничого процесу.
Коли ми проектуємо або модифікуємо поверхню, ми проектуємо властивості полярної складової поверхневої енергії.Отже, якщо ми хочемо розробити процес обробки поверхні для контролю поверхні матеріалу, тоді ми хочемо контролювати полярний склад поверхні.
Поверхнева вільна енергія — це сума всіх окремих сил, що діють між молекулами.Є кілька формул для поверхневої вільної енергії.Якщо ми вирішимо розглядати всі недисперсійні сили як полярні сили, обчислення вільної енергії поверхні буде простим.Формула:
У виробництві надійних продуктів, обробці поверхні, очищенні та підготовці поверхнева вільна енергія така ж, як і поверхнева енергія.
У зв’язку з виробничими вимогами, пов’язаними з різними процесами, такими як адгезія з’єднання, належне зчеплення чорнила з пластиком або ефективність покриття «самоочисного» покриття на екрані смартфона, все залежить від контролю. властивостей поверхні.Тому дуже важливо розуміти поверхневу енергію як наслідок концепції виробництва.
Поверхнева енергія походить від різних способів, якими молекули притягуються одна до одної.Полярні взаємодії між молекулами є найважливішими для процесу адгезії та очищення, оскільки ці взаємодії на молекулярному рівні є молекулярними взаємодіями, якими ми можемо контролювати найбільше за допомогою обробки поверхні, шліфування, шліфування, очищення, протирання або будь-яких інших методів підготовки поверхні.
Знання полярності та дисперсійного складу та поверхневого натягу дуже важливі для розробки клеїв, чорнила та покриттів.Однак для продуктів, виготовлених з використанням клеїв, чорнила, фарб і покриттів, нам зазвичай потрібно звертати увагу лише на полярну складову поверхневої енергії, оскільки саме на неї впливає виробничий процес.
Вимірювання повної поверхневої енергії є відносно складним і схильним до помилок процесом.Однак контактний кут окремої рідини, наприклад води, майже повністю визначається полярною складовою поверхневої енергії.Тому, вимірюючи кут, утворений висотою краплі води на поверхні, ми можемо з дивовижною точністю знати, як змінюється полярна складова поверхневої енергії.Як правило, чим вища поверхнева енергія, тим менший кут, викликаний притягуванням і розтіканням або змочуванням крапель води.Низька поверхнева енергія призведе до того, що вода стане кульками та стиснеться на маленькі бульбашки на поверхні, утворюючи більший контактний кут.Постійність цього вимірювання контактного кута пов’язана з поверхневою енергією, а отже, з ефективністю адгезії, що забезпечує виробникам надійний і повторюваний спосіб гарантувати міцність їхніх продуктів.
Щоб дізнатися більше про контроль виробничого процесу для досягнення більш передбачуваних результатів, завантажте нашу безкоштовну електронну книгу: Перевірте передбачувану адгезію у виробництві через процес.Ця електронна книга — це ваш посібник із моніторингу процесу за допомогою прогнозної аналітики, процесу, який усуває всі припущення щодо збереження якості поверхні протягом усього процесу склеювання.
Час публікації: 29 березня 2021 р