Технологии, которые выбирают
профессионалы

В чем разница между поверхностным натяжением и поверхностной энергией?

Скачать

Использование красок и клеев в производстве становится все более распространенным в индустрии гибкой упаковки, при производстве ламинатов, в строительстве, при производстве электроники, двигателей, фар автомобилей, и многих других изделий. Производители хотят убедиться, что их продукты работают идеально, выглядят чудесно и заказчик не будет жаловаться на брак. За столетия, прошедшие с тех пор, как первая краска и первый клей были нанесены на изделия, мы узнали, что для того, чтобы жидкое вещество надежно прилипло к поверхности твердого вещества, нам необходимо кое-что знать об адгезии и когезии, научиться измерять их величины и договориться о терминологии. Среди прочего, будет полезно разобраться с тем, что мы называем поверхностным натяжением, а что -  поверхностной энергией.

Правильное понимание и измерение поверхностного натяжения и поверхностной энергии важны для стабильного производства продуктов.


ОТЛИЧИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ И ПОВЕРХНОСТНОЙ ЭНЕРГИИ

Физика учит нас, что всякая субстанция состоит из молекул. Молекулы взаимодействуют между собой, в том числе притягиваются друг к другу посредством определенных сил (которые, кстати, могут быть разными по своей природе). Радиус действия таких сил не велик и на практике не превышает 10(-9) степени метра. Кроме того, эти силы различны по своей величине у каждой субстанции.

У каждой субстанции есть молекулы, как внутри нее, так и на ее поверхности. Баланс сил, воздействующих на них, разный. Те, что внутри плотно окружены своими сородичами - молекулами, а те что на поверхности контактируют еще и с молекулами другой субстанции снаружи, таким образом, баланс сил на границе поверхности у них нарушен. Потому принято говорить о когезии для численной характеристики сил связи молекул внутри субстанции и о потенциальной работе, которую надо совершить, чтобы создать и удержать поверхность раздела определенного размера (площади) или энергии, которую надо затратить для этого.

Жидкости динамично меняют свою форму, поэтому для описания силы взаимодействия молекул в отношении воды или другой жидкости используется термин поверхностное натяжение, в то время как термин - поверхностная энергия обычно используется в отношении молекул твердого вещества. Их отношение друг к другу полезно измерить, а затем использовать в качестве механизма управления технологическим процессом в производстве.

Заметим сразу, что в идеальных условиях свободная поверхностная энергия твердого вещества практически равна половине величины энергии его когезии. Когда в жидкостях молекулы притягиваются друг к другу они воздают значительное по величине внутреннее давление, так для ртути - 4000 Мпа, для воды – 1700 Мпа. Кстати, это высокое давление объясняет несжимаемость большинства жидкостей. Внутреннее давления имеет прямое отношение к силам межмолекулярного притяжения, под действием которых все жидкости стремятся минимизировать свою поверхность и скатываются с капли, а последние стремятся к форме шара.

Субстанции, с которыми мы сталкиваемся на практике, удобно условно разделить на жидкие, твердые и газообразные. Они постоянно контактируют друг с другом. Бумага контактирует с воздухом, краска с бумагой, клей наносится между двух слоев пленки и тд.. Поверхностное натяжение и поверхностная энергия важны, потому что это измеримые величины, которые говорят нам о том, насколько сильным является притяжение между молекулами двух субстанций. Понимание этой взаимосвязи и химических процессов, происходящих на границе раздела поверхностей, может оказать значительное влияние на оптимизацию процесса и на управление им.

Пример

Мы хотим, чтобы чернила хорошо растекались и прилипали к поверхности при нанесении через принтер, фломастер или при вальной печати. Если молекулы чернил сильно притягиваются друг к другу (проявляют высокое поверхностное натяжение), то при соприкосновении с поверхностью они не захотят растекаться и прилипать к поверхности бумаги, пленки, пластиковой бутылки, полиэтиленовой трубы или другого материала, на который мы хотим нанести изображение. Они предпочтут оставаться связанными друг с другом из-за сильного межмолекулярного притяжения. С другой стороны, молекулы в жидкости с низким поверхностным натяжением не обладают сильным притяжением друг к другу; вместо этого они будут иметь тенденцию растекаться и прилипать к запечатываемой поверхности.

 


ИЗМЕРЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ

Для измерения силы поверхностного натяжения принято использовать единицу, называемую DYN. С физической точки зрения DYN это – единица силы (сантиметр-грамм-секунда), которая придает свободной массе, равной 1 гр, ускорение равное в один см за сек. 1 DYN = 0,00001 Н.

Для численной характеристики поверхностного натяжения используют величину DYM\m. Таким образом, поверхностное натяжение - это буквально сила, необходимая для того, чтобы преодолеть силы межмолекулярного притяжения и оторвать молекулы, присутствующие на поверхности жидкости друг от друга. Это означает, что если на поверхности жидкой пленки или пузырька нарисовать воображаемую линию, а затем попытаться ее разорвать, то сила, необходимая для того, чтобы потянуть и расколоть жидкость по этой линии, поделенная на длину линии, будет численно представлять собой поверхностное натяжение этой жидкости.

 Мы можем выразить поверхностное натяжение в виде простой математической формулы:

Где поверхностное натяжение (γ) - это сила, проходящая через воображаемую линию, разделенная на 2-ве длины линии. 2 необходимо, потому что когда мы делаем расщепление на поверхности пузырька, мы фактически разрываем молекулы и создаем две поверхности: внутреннюю поверхность и внешнюю поверхность.

Методы измерения поверхностного напряжения.

В качестве методов измерения поверхностной энергии принято использовать определение поверхностного натяжения жидкости потому, что именно взаимодействие жидкой и твердой субстанций нас интересует с технологической точки зрения, а инструментально реализовать измерение поверхностного натяжения гораздо проще и для этого существует достаточно много методов.

Ниже представлено несколько простых способов.

  • Измерение силы, необходимой для вытаскивания тонкого проволочного кольца с поверхности жидкость. Правда кольцо должно быть из платины, а лучше с иридиевым покрытием. Делайте это очень медленно (чтобы вязкость жидкости не влияла на результат) и сила, необходимая для простого отрыва кольца от поверхности, разделенная на окружность кольца (на 2-ва), потому что есть внутренняя и внешняя окружность, даст поверхностное натяжение. На этом основан метод кольца du Nouy.
  • Другое измерение основано на давлении, необходимом для создания и отсоединения пузырька от конца иглы, погруженной в жидкость (метод Maximum Bubble Pressure) или силы отрыва пластинки заданной площади от поверхности жидкости.
  • Ещё один популярный метод измерения коэффициента поверхностного натяжения – использование тестовых маркеров и чернил. Действуют очень просто – чернила или содержащаяся в маркере жидкость наносится на материал. Если коэффициент поверхностного натяжения соответствует или выше, то линия остается на материале в виде прерывистого штриха, если значение ниже – остаётся в виде капель.

тестовые маркеры и чернила

Не путайте статические и динамические тесты. Каждый хорош для своей области применения.


ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ

Все, что влияет на притяжение между молекулами, влияет и на поверхностное натяжение. Конечно, температуру и давление надо учитывать в первую очередь. Полярность молекул обязательна для учета.

Например, молекулы воды сильно притягивают друг друга, потому что плюс-минус заряды на атомах водорода и кислорода притягивают противоположные заряды на соседних молекулах, и для того, чтобы разорвать их на части, требуется большая сила.

Для практики важно, что притяжения, которые существуют между полярными частями молекул, как правило, достаточно сильны, и, что возможно, более важно, ими можно манипулировать и изменять на твердых телах, таких как полимеры, путем поверхностной обработки. Вот почему мы часто обрабатываем упаковочные материалы коронным разрядом или пламенем для улучшения адгезии.

С другой стороны, мы можем менять состав жидкости. Популярный пример - вода имеет относительно высокое поверхностное натяжение (выше 72 DYN\m), но если в нее добавить спирт с поверхностным натяжением (23 DYM/m), то получающаяся жидкость имеет поверхностное натяжение где-то между ними, ниже, чем вода, но выше, чем этанол. И эта смесь будет смачивать поверхность лучше.

Но с другой стороны у этанола более высокое давление паров по сравнению с водой. По мере испарения этанола содержание алкоголя будет уменьшаться, а поверхностное натяжение увеличиваться. На этом эффекты основан тест содержания алкоголя в вине.

Взболтайте вино в бокале. Тонкая пленка, оставленная на стенках бокала, быстро теряет этанол при испарении. Это увеличивает поверхностное натяжение. Так как эта пленка имеет более высокое поверхностное натяжение, она устремляется вниз по бокалу, и в результате мы видим  "слезы" вина, которые как бы забираются вверх по стенкам бокала! Вино с более высоким содержанием алкоголя показывает этот эффект сильнее, потому что оно теряет больше алкоголя при испарении.  

Эффект Марангони является феноменом потока жидкости, вызванного градиентами поверхностного натяжения.

Нескомпенсированность межмолекулярного взаимодействия на границе раздела фаз приводит к тому, что поверхностные молекулы перемещаются в объем жидкости. В результате возникает сила, действующая по касательной(тангенциально) к поверхности раздела фаз. Под действием этой силы поверхность жидкости становится предельно гладкой и сокращается до минимальных размеров.

Измерение поверхностного натяжения может быть таким же простым и рутинным, как и измерение кровяного давления. Например, мы можем измерить склонность жидкости к растеканию (увлажнению) при нанесении капли на поверхность и по форме капли жидкости можем сделать вывод о том, какова поверхностная энергия. Угол, создаваемый краем капли жидкости с поверхностью тела, хорошо соотносится с поверхностной энергией поверхности материала.

  • Если он = 0, то считается, что жидкость полностью смачивает субстрат.
  • Если он = 180 град, то жидкость не смачивает субстрат

Величины так называемого краевого гула смачивания между 0 и 180 будет характеризовать степень смачиваемости в Вашем процессе.

Производители, которые используют жидкие продукты, такие как лаки, краски и клея, в качестве средства для сборки и отделки продуктов, начиная от микрочипов и заканчивая армейскими плащами, могут использовать знания о поверхностной энергии, чтобы контролировать, насколько хорошо те или иные жидкости будут прилипать к поверхностям своих продуктов или скатываться с них. Производители клеев контролируя поверхностную энергию получают инструмент для успешного склеивания.