Napięcie powierzchniowe - Swobodna energia powierzchniowa
Co to jest napięcie powierzchniowe?Napięcie powierzchniowe cieczy można zmierzyć bezpośrednio na podstawie kształtu kropli tuż przed jej oderwaniem się od końcówki dozującej. Można je traktować jako siłę, która stara się utrzymać razem cząsteczki cieczy. W podobny sposób Swobodna Energia Powierzchniowa (Surface Free Energy) podłoża odpowiada sile, która stara się przyciągnąć molekuły cieczy do podłoża.
Łączny efekt działania napięcia powierzchniowego cieczy i wolnej energii powierzchniowej podłoża generuje określony kąt zwilżania. Efekt pełnego zwilżenia następuje w przypadku, gdy energia powierzchniowa jest równa lub większa niż napięcie powierzchniowe cieczy. Kąt zwilżania jest w takim przypadku zerowy. Jeśli ciecz o dużym napięciu powierzchniowym np. woda znajdzie się na podłożu z niską energią powierzchniową np. teflonie, kąt zwilżania będzie stosunkowo duży. Dodanie do wody środka zmniejszającego napięcie powierzchniowe np. detergentu ułatwia rozpływanie się kropli i powoduje zmniejszenie kąta zwilżania.
Co to jest “Swobodna Energia Powierzchniowa”?
Swobodna energia powierzchniowa (Surface Free Energy - SFE) jest miarą siły „przyciągania” podłoża. Kiedy wodny roztwór atramentu używany jest do drukowania na podłożu o niskiej sile przyciągania np. folii polietylenowej, adhezja może być zbyt słaba i w efekcie atrament może być ścierany. Energię powierzchniową można zwiększyć na przykład poprzez obróbkę koronową, plazmową lub płomieniową. W ich wyniku następuje przerwanie długich łańcuchów polimeru i zwiększenie ilości dostępnych na powierzchni wiązań. W rezultacie poprzez wzrost energii powierzchniowej mamy zmniejszenie kąta zwilżania i lepszą przyczepność atramentu.
Nie jest możliwy bezpośredni pomiar energii powierzchniowej. Jej wartość można określić poprzez pomiar kąta zwilżania dla jednej lub kilku cieczy o dobrze znanych własnościach. Najprostszą metodą jest użycie czystej wody, zmierzenie kąta zwilżania i odczyt energii z dostępnych tabel. Dla wody na poliolefinach kąt zwilżania 90° odpowiada energii 32 dyna/cm. Większy kąt zwilżania np. 100° odpowiada mniejszej energii – 29 dyna/cm. Można przyjąć, że zmiana energii o 1 dyna/cm odpowiada zmianie kąta zwilżania mniej więcej o trzy stopnie.
Istnieją modele matematyczne, w których na podstawie pomiarów kąta zwilżania dla dwóch lub więcej cieczy testowych można wyliczyć swobodną energię powierzchniową dla danego materiału.
Co to jest „Histereza zwilżania”?
Typowym przykładem histerezy zwilżania jest przypadek, kiedy wycieraczki samochodowe pozostawiają cienką warstwę wody na powierzchni szkła. W momencie, gdy powierzchnia szkła została zwilżona trudno jest wytrzeć ją do sucha. Dla szkła pokrytego warstwą ochronną usuwanie kropel wody jest znacznie łatwiejsze. Kiedy kropla cieczy zsuwa się po suchej powierzchni występuje początkowy opór przeciwdziałający zwilżeniu suchego obszaru. Powoduje on wzrost kąta zwilżania na postępującej krawędzi zsuwającej się kropli. W podobny sposób mokra powierzchnia stara się utrzymać kroplę, co powoduje zmniejszenie się kąta zwilżania na ustępującej krawędzi kropli. Procesy zwilżania i dowilżania mają znaczenie na przykład przy produkcji pokryć dachowych czy szyb samochodowych.
Największy postępujący i najmniejszy ustępujący to dwa kąty zwilżania określające histerezę zwilżania powierzchni.