Pintaenergia

Mitä on pintaenergia?

Pintaenergialla, toiselta nimeltään vapaalla pintaenergialla (Surface free energy, SFE) tarkoitetaan molekyylien välisten sidosten katkeamista. Pintaenergia on siis se työn määrä, jota tarvitaan kiinteän materiaalin pinta-alan kasvattamiseksi. Tyypillinen pintaenergian yksikkö on mN/m (millinewtonia per metri).

Kaikki materiaalit koostuvat atomeista ja molekyyleistä, jotka ovat kiinnittyneet toisiinsa erilaisilla sidoksilla. Näiden sidosten vahvuus määrittää materiaalin pinnan vapaan energian. Atomien välisiin sidoksiin on yleensä sitoutunut melko paljon energiaa. Materiaalin pinnalla olevilla atomeilla on ylimääräistä energiaa materiaalin syvällä oleviin atomeihin verrattuna. Jos sidokset ovat vahvoja, materiaalilla on korkea pintaenergia. Jos taas sidokset ovat heikompia, materiaalilla on pienempi pintaenergia.

Metallit ovat esimerkkejä materiaaleista, joilla on korkea pintaenergia. Korkea pintaenergia voi tehdä materiaalista suhteellisen epävakaan, minkä vuoksi monet metallit muodostavat hapen läsnäollessa pinnalle ohuen happikerroksen alentaakseen pintaenergiaa. On luonnon lakien mukaista, että järjestelmät pyrkivät matalan pintaenergian tilaan. Polymeereillä ja polymeerimateriaaleilla on suhteellisen alhaiset pintaenergiatasot, jolloin ei tarvita suojaavia pintakerroksia.

Pintaenergia jaetaan usein polaarisiin ja hajaantuneisiin jakeisiin. Joillakin materiaaleilla, kuten vedellä ja lasilla, on pysyvä elektronitiheyden epäsymmetria molekyyleissä. Tämä aiheuttaa materiaalissa voimakkaita polaarisia vuorovaikutuksia ja on myös syy siihen, miksi vedellä on niin korkea pintajännitys. Dispersiovuorovaikutukset materiaalissa ovat usein heikompia. Ne ovat peräisin elektronitiheysjakauman vaihteluista. Nämä vaihtelut voivat aiheuttaa varauseroja materiaalin eri kohdissa, mikä johtaa sähköstaattiseen vetovoimaan molekyylien välillä. Esimerkkejä dispergoiduista vuorovaikutuksista ovat polyeteeni (PE) ja polypropeeni (PP). Ne muodostavat vain dispersiivisiä vuorovaikutuksia ja siksi niillä on alhainen pintaenergia ja alhainen kostuvuus. Monet pintaenergian laskennan teoreettiset mallit ottavat huomioon sekä polaariset että dispersiiviset vuorovaikutukset.

Miksi määrittää pintaenergia?

Pintaenergia antaa runsaasti tietoa materiaalista. Pintaenergian eri tasoilla on erilaiset ominaisuudet, mikä tekee siitä tärkeän arvon, kun harkitaan materiaalien sovelluksia eri käyttöalueilla. Pintaenergian avulla voidaan myös ymmärtää, miten materiaalit ovat vuorovaikutuksessa keskenään, esimerkiksi kuinka materiaali reagoi veden kanssa ja onko materiaalilla tarttuvia ominaisuuksia.

Miten pintaenergia määritetään?

Pintaenergiaa mitataan mittaamalla testatun pintamateriaalin ja puhtaan nesteen välinen kontaktikulma. Mittausten tarkkuuden ja toistettavuuden varmistamiseksi käytetään nestettä, jonka pintajännitys tunnetaan. Kontaktikulmamittauksilla saatuja tietoja voidaan soveltaa erilaisiin teoreettisiin malleihin pintaenergian laskemiseksi. Pintaenergian mittaustarkoituksiin tiedon saamiseksi käytetään yleisimmin optista tensiometriä, joka kykenee mittaamaan kontaktikulmia sessile drop-menetelmällä. Pintaenergia voidaan laskea myös voimatensiometrin avulla. On huomionarvoista tietää, että voimatensiometri mittaa dynaamista kontaktikulmaa. Etenevien ja vetäytyvien kontaktikulmien avulla lasketut pintaenergia-arvot eivät ole vertailukelpoisia staattisista kosketuskulmista laskettujen pintaenergia-arvojen kanssa.

Valitusta teoreettisesta mallista riippuen pintaenergian määritykseen tarvitaan erilaisia ​​testinesteitä. Tyypillisessä tapauksessa, jossa määritetään kaksi tuntematonta, vuorovaikutuksen polaariset ja dispersiiviset fraktiot, käytetään kahta erilaista nestettä, joiden pintajännitystasot tunnetaan. Yhden nesteen on oltava polaarinen ja toisen hyvin dispersiivistä. Polaarisena nesteenä käytetään usein vettä, mutta myös etyleeniglykolia ja glyserolia voidaan käyttää. Toisena nesteenä, jonka on oltava täysin dispergoivaa, käytetään usein dijodimetaania tai alfa-bromonaftaleenia.

Pintaenergia, kostuvuus ja kontaktikulma

Materiaaleille on luonnollista pyrkiä matalan pintaenergian tilaan. Tämä selittyy nesteiden käyttäytymisellä painottomassa ilmakehässä, jossa niillä on taipumus muodostaa pallomaisia ​​pisaroita, jolloin niiden pinta-ala on pienin mahdollinen. Tällainen muodonmuutos ei ole mahdollista kiinteiden materiaalien tapauksessa. Tästä syystä kiinteät materiaalit pystyvät kastumaan nesteellä vapaan pintaenergian vähentämiseksi. Kiinteä materiaali, jolla on korkea pintaenergia, on usein hyvin kostuva, mikä tarkoittaa, että nesteen ja kiinteän aineen rajapintojen välinen kontaktikulma on selvästi alle 90°.

Mitkä tekijät vaikuttavat pintaenergiaan?

Pintaenergian mittaus on erittäin herkkä erilaisille sisäisille ja ulkoisille tekijöille. Koska pintaenergia määritetään mittaamalla kontaktikulma, pätee molempiin samat perussäännöt.

Kontaktikulmaan vaikuttavat testattavan materiaalin rakenteelliset ja fysikaaliset ominaisuudet. Esimerkiksi pinnan karheus, tiheys ja suhteellinen kosteuspitoisuus voivat vaikuttaa kontaktikulman mittaustuloksiin. Sekä näytteen kontaminaatiolla että näytteen puhdistuksella voi olla merkittävä vaikutus mittaustuloksiin. Tyypillisiä epäpuhtauksia ovat sormenjälkien rasvatahrat. Ei ole koskaan suositeltavaa puhdistaa näytettä pinta-aktiivisilla aineilla, koska ohut estekerros saattaa jäädä näytteen pinnalle huuhtelun jälkeen ja siten vaikuttaa merkittävästi tuloksiin. Myös staattinen sähkö voi vaikuttaa kontaktikulman mittaukseen. Jos näytteen pinta huuhdellaan ja sitten hangataan kuivaksi, voi pinnalle kertyä staattista sähköä, joka vääristää tuloksia.

Määritykseen käytetyllä nesteellä on merkittävä vaikutus kontaktikulmiin. Vesi on yleisimmin käytetty neste ja on suositeltavaa käyttää erittäin hyvin puhdistettua vettä, esimerkiksi HPLC-laatuista vettä tai kaksi kertaa tislattua vettä. Sama koskee muita nesteitä. Kontaktikulman määritykseen käytettävät nesteet tulee aina säilyttää siten, että nesteen koostumus tai ominaisuudet eivät muutu ajan myötä. Tämä tarkoittaa esimerkiksi sitä, että näkyvälle valolle herkkiä nesteitä tulee säilyttää valolta suojaavissa astioissa pimeässä tilassa. Kontaktikulman määritykseen käytettäviä nesteitä ei ole suositeltavaa säilyttää muoviastioissa, koska muovin pehmittimet voivat kulkeutua nesteeseen ja vaikuttaa sen ominaisuuksiin.

Optisissa määrityksissä on useita tekijöitä, jotka vaikuttavat kontaktikulman määritykseen, kuten kuvan koko, resoluutio, kontrasti, valotasot ja syväterävyys.

Soveltuvat näytteet ja esivalmistelu

Tarkimpien ja luotettavimpien tulosten saamiseksi näytteet on valmisteltava erittäin huolellisesti. Kuten edellisessä osiossa todettiin, on näytteen puhdistuksella suuri vaikutus tuloksiin. Hyvä käytäntö on puhdistaa ja kuivata näytemateriaali siten, että siitä tulee mahdollisimman puhdas ja neutraali.

Toistuvissa määrityksissä tulee aina valita puhdas ja koskematon kohta näytteestä. Jopa huolellisesta käsittelystä, puhdistuksesta ja kuivauksesta huolimatta pinnalle asetettu pisara vaikuttaa näytteeseen ja seuraavat mittaukset täysin samasta kohdasta voivat tuottaa epätarkkoja tuloksia.

Tarvitsetko pintaenergian määrityksen?

Me tarjoamme laadukasta pintaenergian määritystä kilpailukykyiseen hintaan. Asiantuntijamme ovat myös aina valmiita auttamaan jos sinulla on kysymyksiä näytteisiisi tai niiden soveltuvuuteen liittyen. Ota meihin yhteyttä alla olevan lomakkeen kautta tai sähköpostitse info@measurlabs.com.