hạt góc

Sự khác biệt giữa năng lượng tự do bề mặt và năng lượng bề mặt là gì?Trong phân tích cuối cùng, đây là một câu hỏi thuần túy về mặt ngữ nghĩa.Năng lượng tự do bề mặt là năng lượng tự do trong một không gian cụ thể (bề mặt vật chất).Theo nghĩa thuần túy nhất của nhiệt động lực học, năng lượng tự do là năng lượng có thể được sử dụng để hoạt động, gây ra hiệu ứng và khiến một điều gì đó xảy ra.Năng lượng tự do bề mặt có liên quan đến năng lượng có thể được thực hiện trên bề mặt vật liệu.
Đối với các nhà sản xuất và bất kỳ ai liên quan đến độ bám dính, làm sạch, liên kết, lớp phủ, mực và công thức sơn, hàn kín hoặc bất kỳ quá trình nào khác liên quan đến sự tương tác của các bề mặt với các bề mặt khác hoặc môi trường của chúng, năng lượng tự do bề mặt thường được rút ngắn thành năng lượng bề mặt.
Bề mặt rất quan trọng đối với tất cả các quy trình được liệt kê ở trên và ngay cả khi chúng có tác động trực tiếp đến hiệu suất của các nhà sản xuất sản phẩm trong tất cả các ngành, chúng thường không được đo lường và do đó không được kiểm soát.
Kiểm soát bề mặt trong sản xuất đề cập đến việc kiểm soát năng lượng bề mặt của vật liệu được sử dụng.
Bề mặt bao gồm các phân tử tương tác hóa học với nhau và các phân tử tạo nên bề mặt của các vật liệu khác mà chúng tiếp xúc.Để thay đổi năng lượng bề mặt, phải hiểu rằng những phân tử đó có thể được loại bỏ bằng cách làm sạch và xử lý, thay thế hoặc thao tác khác để tạo ra các mức năng lượng bề mặt khác nhau và đạt được kết quả mong muốn.Để kiểm soát năng lượng bề mặt, nó phải được đo trong suốt quá trình thay đổi hóa học bề mặt để xác định thời điểm và mức độ.Bằng cách này, có thể đạt được lượng năng lượng bề mặt cần thiết chính xác vào thời điểm thích hợp trong quá trình bám dính hoặc làm sạch.
Để hiểu cách các phân tử thực hiện công việc xây dựng liên kết bền và làm sạch bề mặt về mặt hóa học, chúng ta cần hiểu lực hút kéo các phân tử lại với nhau và tạo thành tổng năng lượng tự do của bề mặt sẵn có.
Khi chúng ta nói về năng lượng của bề mặt, chúng ta đang nói về khả năng thực hiện công của bề mặt đó.Theo nghĩa đen, đây là khả năng bề mặt di chuyển các phân tử - chuyển động này cần năng lượng.Điều quan trọng cần nhớ là bề mặt và các phân tử tạo nên bề mặt đều giống nhau.Không có phân tử thì không có bề mặt.Nếu không có năng lượng, các phân tử này không thể hoàn thành công việc hấp phụ trên chất kết dính nên không có liên kết.
Do đó, công việc tỷ lệ thuận với năng lượng.Nhiều công việc hơn đòi hỏi nhiều năng lượng hơn.Hơn nữa, nếu bạn có nhiều năng lượng hơn thì công việc của bạn sẽ tăng lên.Khả năng hoạt động của một phân tử xuất phát từ sức hút của nó đối với các phân tử khác.Các lực hấp dẫn này đến từ nhiều cách khác nhau trong đó các phân tử tương tác.
Về cơ bản, các phân tử tương tác vì chúng có các phân tử tích điện dương và âm, đồng thời chúng thu hút các điện tích trái dấu giữa các phân tử.Một đám mây electron bay xung quanh phân tử.Do các electron chuyển động liên tục này nên phân tử có điện tích thay đổi trong phân tử có diện tích nhất định.Nếu tất cả các phân tử có điện tích đồng đều xung quanh chúng thì sẽ không có phân tử nào thu hút lẫn nhau.Hãy tưởng tượng hai ổ bi, mỗi ổ bi có sự phân bố electron đồng đều trên bề mặt của nó.Cả hai sẽ không hút nhau vì cả hai đều mang điện tích âm và không thể hút điện tích dương.
May mắn thay, trong thế giới thực, những đám mây điện tử này chuyển động liên tục và có những khu vực mang điện tích dương hoặc âm bất cứ lúc nào.Nếu bạn có hai phân tử với các electron tích điện ngẫu nhiên xung quanh chúng vào bất kỳ thời điểm nào, chúng sẽ có một chút lực hút giữa chúng.Lực sinh ra do sự phân bố lại ngẫu nhiên các điện tích dương và âm trong đám mây điện tử xung quanh phân tử được gọi là lực phân tán.
Những lực lượng này rất yếu.Bất kể cấu trúc hay thành phần của phân tử là gì, giữa tất cả các phân tử đều có lực phân tán, lực này đối lập trực tiếp với lực phân cực do cấu trúc của phân tử tạo ra.
Ví dụ, lực phân tán là lực duy nhất tồn tại giữa các phân tử nitơ.Ở nhiệt độ phòng, nitơ là một loại khí, do lực phân tán quá yếu, nó không thể chống lại sự rung động nhiệt ngay cả ở nhiệt độ vừa phải nhất và không thể giữ các phân tử nitơ lại với nhau.Chỉ khi chúng ta loại bỏ gần như toàn bộ năng lượng nhiệt bằng cách làm lạnh nó xuống dưới -195°C thì nitơ mới trở thành chất lỏng.Khi năng lượng nhiệt giảm đủ, lực phân tán yếu hơn có thể khắc phục rung động nhiệt và kéo các phân tử nitơ lại với nhau tạo thành chất lỏng.
Nếu chúng ta nhìn vào nước, kích thước và khối lượng phân tử của nó tương tự như nitơ, nhưng cấu trúc và thành phần của các phân tử nước khác với nitơ.Vì nước là một phân tử rất phân cực nên các phân tử sẽ hút nhau rất mạnh và nước sẽ vẫn ở dạng lỏng cho đến khi nhiệt độ của nước tăng lên trên 100°C.Ở nhiệt độ này, năng lượng nhiệt vượt qua phân tử. Với các lực cực được giữ lại với nhau, nước trở thành chất khí.
Điểm mấu chốt cần hiểu là sự khác biệt về cường độ giữa lực phân tán và lực cực thu hút các phân tử lại với nhau.Khi chúng ta nói về năng lượng bề mặt được tạo ra bởi các lực hấp dẫn này, hãy ghi nhớ điều này.
Năng lượng bề mặt phân tán là một phần của năng lượng bề mặt, được tạo ra bởi sự phân tán của các đám mây điện tử trong các phân tử trên bề mặt vật liệu.Tổng năng lượng bề mặt là biểu hiện hấp dẫn của lực hút của các phân tử với nhau.Năng lượng bề mặt phân tán là một phần của tổng năng lượng, ngay cả khi chúng là thành phần yếu và dao động.
Đối với các vật liệu khác nhau, năng lượng bề mặt phân tán là khác nhau.Các polyme có tính thơm cao (như polystyrene) có nhiều vòng benzen và các thành phần phân tán năng lượng bề mặt tương đối lớn.Tương tự, vì chúng chứa một số lượng lớn các nguyên tử dị hợp (chẳng hạn như clo), PVC cũng có thành phần năng lượng bề mặt phân tán tương đối lớn trong tổng năng lượng bề mặt của chúng.
Vì vậy, vai trò của năng lượng phân tán trong quá trình sản xuất phụ thuộc vào vật liệu được sử dụng.Tuy nhiên, do lực phân tán hầu như không phụ thuộc vào cấu trúc phân tử cụ thể nên cách kiểm soát chúng rất hạn chế.
Sự tương tác của độ lệch electron tán xạ dựa trên những thăng giáng này không phải là cách duy nhất để các phân tử tương tác với nhau.Do những đặc điểm cấu trúc nhất định tạo ra lực hấp dẫn khác giữa các phân tử, các phân tử có thể tương tác với các phân tử khác.Có nhiều cách để phân loại các lực khác này, chẳng hạn như tương tác axit-bazơ, trong đó các phân tử tương tác thông qua khả năng nhận hoặc cho electron của chúng.
Một số phân tử có đặc điểm cấu trúc tạo ra lưỡng cực vĩnh viễn, có nghĩa là, ngoài sự phân tán ngẫu nhiên của các electron xung quanh phân tử, một số phần của phân tử luôn dương hoặc âm hơn các phần khác.Những lưỡng cực vĩnh viễn này hấp dẫn hơn các tương tác phân tán.
Do cấu trúc của chúng, một số phân tử có các vùng tích điện vĩnh viễn mang điện tích dương hoặc âm.Năng lượng bề mặt cực là một thành phần của năng lượng bề mặt, được tạo ra bởi lực hút của các điện tích này giữa các phân tử.
Chúng ta có thể dễ dàng tập trung tất cả các tương tác không phân tán dưới sự bảo vệ của các tương tác cực.
Đặc tính phân tán của phân tử là một hàm của kích thước của phân tử, đặc biệt là có bao nhiêu electron và proton.Chúng ta không có nhiều quyền kiểm soát số lượng electron và proton, điều này hạn chế khả năng kiểm soát thành phần phân tán của năng lượng bề mặt.
Tuy nhiên, thành phần phân cực phụ thuộc vào vị trí của proton và electron - hình dạng của phân tử.Chúng ta có thể thay đổi sự phân bố của electron và proton thông qua các phương pháp xử lý như xử lý bằng corona và xử lý bằng plasma.Điều này tương tự như cách chúng ta có thể thay đổi hình dạng của khối đất sét nhưng nó sẽ luôn giữ nguyên chất lượng.
Lực cực rất quan trọng vì chúng là một phần của năng lượng bề mặt mà chúng ta kiểm soát khi thực hiện xử lý bề mặt.Lực hút lưỡng cực - lưỡng cực là nguyên nhân gây ra sự bám dính mạnh mẽ giữa hầu hết các chất kết dính, sơn, mực và bề mặt.Thông qua việc làm sạch, xử lý ngọn lửa, xử lý hào quang, xử lý plasma hoặc bất kỳ hình thức xử lý bề mặt nào khác, về cơ bản chúng ta có thể tăng thành phần phân cực của năng lượng bề mặt, từ đó cải thiện độ bám dính.
Bằng cách sử dụng cùng một mặt của IPA lau hai lần trên cùng một bề mặt, chỉ những chất có năng lượng thấp mới có thể được đưa lên bề mặt để vô tình làm giảm thành phần phân cực của năng lượng bề mặt.Ngoài ra, bề mặt có thể được xử lý quá mức, làm bay hơi và giảm năng lượng bề mặt.Khi bề mặt hoàn toàn không được tạo ra, thành phần cực của năng lượng bề mặt cũng sẽ thay đổi.Bề mặt bảo quản sạch sẽ sẽ thu hút các phân tử trong môi trường, bao gồm cả vật liệu đóng gói.Điều này làm thay đổi cảnh quan phân tử của bề mặt và có thể làm giảm năng lượng bề mặt.
Chúng ta khó có thể kiểm soát được kích thước của sự phân tán.Các lực này về cơ bản là cố định và có rất ít giá trị khi cố gắng thay đổi lực phân tán như một phương tiện kiểm soát chất lượng bề mặt để đạt được độ bám dính đáng tin cậy trong quá trình sản xuất.
Khi chúng ta thiết kế hoặc sửa đổi bề mặt, chúng ta đang thiết kế các đặc tính của thành phần cực của năng lượng bề mặt.Do đó, nếu chúng ta muốn phát triển quy trình xử lý bề mặt để kiểm soát bề mặt của vật liệu thì chúng ta muốn kiểm soát thành phần phân cực của bề mặt.
Năng lượng tự do bề mặt là tổng của tất cả các lực riêng lẻ tác dụng giữa các phân tử.Có một số công thức tính năng lượng tự do bề mặt.Nếu chúng ta quyết định coi tất cả các lực không phân tán là lực cực thì việc tính năng lượng tự do bề mặt rất đơn giản.Công thức là:
Trong sản xuất các sản phẩm đáng tin cậy, xử lý bề mặt, làm sạch và chuẩn bị, năng lượng tự do bề mặt giống như năng lượng bề mặt.
Do yêu cầu sản xuất liên quan đến nhiều quy trình khác nhau, chẳng hạn như hiệu suất bám dính của khớp, độ bám dính thích hợp của mực trên nhựa hay hiệu suất phủ của lớp phủ “tự làm sạch” trên màn hình điện thoại thông minh, tất cả đều phụ thuộc vào khả năng điều khiển. của các tính chất bề mặt.Vì vậy, điều rất quan trọng là phải hiểu năng lượng bề mặt là hệ quả của khái niệm sản xuất.
Năng lượng bề mặt đến từ những cách khác nhau mà các phân tử thu hút lẫn nhau.Tương tác cực giữa các phân tử là quan trọng nhất đối với quá trình bám dính và làm sạch, bởi vì những tương tác ở cấp độ phân tử này là tương tác phân tử mà chúng ta có thể kiểm soát nhiều nhất thông qua xử lý bề mặt, mài, chà nhám, làm sạch, lau hoặc bất kỳ phương pháp chuẩn bị bề mặt nào khác.
Kiến thức về thành phần phân cực và phân tán cũng như sức căng bề mặt là rất quan trọng đối với sự phát triển của chất kết dính, mực và chất phủ.Tuy nhiên, đối với các sản phẩm được sản xuất bằng chất kết dính, mực, sơn và chất phủ, chúng ta thường chỉ cần chú ý đến thành phần cực của năng lượng bề mặt, vì đây là thành phần chịu ảnh hưởng của quá trình sản xuất.
Đo tổng năng lượng bề mặt là một quá trình tương đối phức tạp và dễ xảy ra lỗi.Tuy nhiên, góc tiếp xúc của một chất lỏng như nước gần như hoàn toàn được xác định bởi thành phần cực của năng lượng bề mặt.Do đó, bằng cách đo góc tạo bởi độ cao của giọt nước trên bề mặt, chúng ta có thể biết với độ chính xác đáng kinh ngạc thành phần cực của năng lượng bề mặt thay đổi như thế nào.Nói chung, năng lượng bề mặt càng cao thì góc do các giọt nước bị thu hút và lan rộng hoặc làm ướt càng nhỏ.Năng lượng bề mặt thấp sẽ khiến nước kết thành hạt và co lại thành bong bóng nhỏ trên bề mặt, tạo thành góc tiếp xúc lớn hơn.Tính nhất quán của phép đo góc tiếp xúc này liên quan đến năng lượng bề mặt và do đó liên quan đến hiệu suất bám dính, cung cấp cho nhà sản xuất một phương pháp đáng tin cậy và có thể lặp lại để đảm bảo độ bền cho sản phẩm của họ.
Để tìm hiểu thêm về cách kiểm soát quy trình sản xuất nhằm đạt được kết quả dễ dự đoán hơn, hãy tải xuống sách điện tử miễn phí của chúng tôi: Xác minh độ bám dính có thể dự đoán được trong quá trình sản xuất thông qua quy trình.Cuốn sách điện tử này là hướng dẫn giúp bạn giám sát quy trình bằng cách sử dụng phân tích dự đoán, một quy trình loại bỏ mọi phỏng đoán về việc duy trì chất lượng bề mặt trong suốt quá trình liên kết.