Năng lượng tự do bề mặt (SFE) vs năng lượng bề mặt

Năng lượng tự do bề mặt (SFE) là kỹ thuật cần thiết để tăng diện tích bề mặt của pha rắn. SFE có ảnh hưởng quyết định đến độ thấm ướt của chất rắn bằng chất lỏng. Do đó, đây là một thông số quan trọng để tối ưu hóa các quy trình phủ, nhưng cũng cho bất kỳ loại tiếp xúc rắn-lỏng nào khác.

Năng lượng tự do bề mặt (SFE) và Sức căng bề mặt

Các thuật ngữ SFE và sức căng bề mặt (SFT) tương đương về mặt vật lý. SFE thường được sử dụng cho bề mặt rắn và SFT cho bề mặt lỏng. Tuy nhiên, đôi khi, SFT của chất rắn cũng được đề cập đến.

SFE có đơn vị mJ/m2 ⁽ milijoule trên mét vuông) là năng lượng trên diện tích, trong khi đơn vị tương đương mN/m (milinewton trên mét), thường được sử dụng cho SFT, cũng thường được sử dụng. Ký hiệu công thức là σ (sigma nhỏ), hiếm khi là γ (gamma nhỏ).

Thuật ngữ “tự do” chỉ ra rằng đây là phần năng lượng có thể chuyển đổi thành công cơ học, trái ngược với năng lượng bên trong, cũng chứa entropy liên quan đến nhiệt. Trong thực tế, thuật ngữ “tự do” thường bị bỏ qua.

Mối liên hệ giữa SFE và độ thấm ướt là gì ?

Mọi hệ thống đều hướng đến trạng thái năng lượng tự do thấp nhất có thể. Do đó, chất lỏng chiếm diện tích bề mặt nhỏ nhất có thể ở một thể tích nhất định do SFT; trong trạng thái không trọng lượng, chúng tạo thành các giọt hình cầu. Tuy nhiên, chất rắn không thể giảm thiểu bề mặt bằng cách biến dạng, nhưng chúng có thể tạo thành mặt phân cách với chất lỏng để giảm năng lượng tự do, tức là chúng có thể bị thấm ướt. Do đó, SFE của chất rắn có liên quan chặt chẽ đến độ thấm ướt của nó .

Làm thế nào để có thể tác động tới SFE?

Ví dụ, cần có độ thấm ướt tốt và SFE cao tương ứng khi liên kết, phủ hoặc in. Trong các lĩnh vực khác, chẳng hạn như chống ăn mòn và chống ẩm, độ thấm ướt phải được giảm. Một số lượng lớn các quy trình kỹ thuật chuẩn bị bề mặt rắn để tiếp xúc với chất lỏng – hầu hết trong số đó trực tiếp hoặc gián tiếp làm thay đổi SFE.

Tăng SFE có tầm quan trọng cốt lõi đối với bề mặt nhựa. Các phương pháp được biết đến nhiều nhất là xử lý plasma, nhiệt và corona, cũng như các quy trình hóa học với chất oxy hóa. Vệ sinh công nghiệp loại bỏ ô nhiễm năng lượng thấp do chất béo hoặc dầu. Sau đó, bề mặt cho thấy SFE cao hơn.

SFE thấp và độ ướt thấp tương ứng thường đạt được bằng cách phủ các chất có năng lượng thấp. Ví dụ như dụng cụ nấu ăn phủ PTFE hoặc sử dụng dầu để chống ăn mòn.

SFE và góc tiếp xúc liên quan như thế nào?

Đo lường độ thấm ướt là góc tiếp xúc (CA) θ (theta nhỏ), thường được xác định về mặt quang học là góc tại giao điểm của đường viền của giọt nước với mặt phẳng của bề mặt (= đường cơ sở). Theo phương trình Young, CA là kết quả của trạng thái cân bằng lực của ba thành phần căng thẳng hoặc năng lượng, mỗi thành phần đều cố gắng giảm thiểu bề mặt hoặc mặt phân cách

• SFE của chất rắn, σ _s
• SFT của chất lỏng, σ _l
• Sức căng mặt phân cách (IFT) giữa chất rắn và chất lỏng, σ_ls

Phương trình Young cho mối quan hệ giữa các thành phần này là:

Hình minh họa sau đây cho thấy góc tiếp xúc phát sinh từ trạng thái cân bằng của các lực trong quá trình thấm ướt rắn theo Young:

SFE được tính toán như thế nào từ dữ liệu góc tiếp xúc ?

Nếu CA được đo bằng chất lỏng có SFT đã biết, thì hai lượng của phương trình Young vẫn chưa được biết: SFE cần tìm và IFT. Do đó, chìa khóa cho giải pháp nằm ở mô tả về IFT.

Nếu không có tương tác giữa chất lỏng và bề mặt rắn trong tiếp xúc hai pha, chúng sẽ hoạt động như hai bề mặt riêng biệt. Khi đó, IFT sẽ là tổng của SFE và SFT; góc tiếp xúc trong trường hợp lý thuyết này sẽ là 180° (cos θ =-1).

Nếu các tương tác xảy ra giữa các pha, điều này luôn xảy ra trong thực tế, thì IFT sẽ giảm đi do năng lượng đóng góp từ các tương tác:

Có nhiều mô hình khác nhau để tính toán SFE, chủ yếu khác nhau ở cách diễn giải và tính toán các tương tác giao diện này. Phổ biến nhất là sự phân chia giữa các phân số tương tác phân cực và phân tán, trong đó SFE và SFT được chia thành một phân số phân cực và một phân số phân tán. Để đơn giản hóa, người ta cho rằng chỉ có các tương tác tương tự diễn ra giữa các pha, do đó các phân số phân cực chỉ với phân cực và phân tán chỉ với phân tán của các pha liền kề được đưa vào mối quan hệ với nhau.

Để xác định SFE, góc tiếp xúc được đo bằng ít nhất hai chất lỏng mà cả SFT và các phân số phân cực và phân tán của chúng đều được biết. Để tính SFE, phương trình Young được kết hợp với các phương trình để tính các tương tác.

Phân số phân cực và phân tán của SFE là gì?

Các tương tác phân cực tương đối mạnh là do sự bất đối xứng vĩnh viễn và cục bộ của mật độ electron trong các phân tử. Trong chất lỏng, ví dụ nổi tiếng nhất là nước, độ phân cực của nước chịu trách nhiệm cho SFT cao. Kính là ví dụ điển hình của bề mặt rắn phân cực mạnh.

Tương tác phân tán thường yếu hơn; chúng là kết quả của những biến động thống kê của sự phân bố mật độ electron trong một phân tử, gây ra sự khác biệt điện tích tạm thời ở các vị trí khác nhau. Điều này dẫn đến lực hút tĩnh điện giữa các phân tử. Ankan và một số loại nhựa như polyethylene hoặc polypropylene chỉ tạo ra tương tác phân tán. Đây cũng là lý do khiến nhiều loại nhựa kém thấm nước.

Các phương pháp xử lý trước được đề cập ở trên về cơ bản làm tăng phần phân cực của SFE và do đó làm cho nhựa giống với nước hơn. Theo mô hình hai thành phần, độ thấm ướt và độ bám dính đạt mức tối đa nếu không chỉ SFE của chất rắn và SFT của chất lỏng mà còn cả phần phân cực và phân tán tương ứng.

Hình minh họa sau đây cho thấy độ thấm ướt và độ bám dính tùy thuộc vào các phân số phân cực và phân tán. Các bàn tay lớn tượng trưng cho các tương tác phân cực, các tương tác phân tán nhỏ. Trong hình trên, các tương tác giống hệt nhau, dẫn đến độ bám dính tối đa và góc tiếp xúc là 0°. Dưới đây là một ví dụ với các thành phần tương tác không giống hệt nhau.

Models tính toán nào có sẵn cho SFE?

Fowkes là tác giả của bài báo khoa học đầu tiên trong đó SFT của chất lỏng được chia thành các phân số tương tác và SFE được xác định dựa trên các phân số này bằng cách sử dụng phép đo góc tiếp xúc. Mô hình được sử dụng thường xuyên nhất hiện nay là mô hình theo Owens, Wendt, Rabel và Kaelble (OWRK). Mô hình này dựa trên Fowkes và sử dụng góc tiếp xúc của hai chất lỏng có phân số phân cực và phân tán đã biết của SFE. Các mô hình khác, ít được sử dụng hơn, diễn giải các phân số phân cực và phân tán khác với OWRK hoặc không diễn giải SFE và SFT theo phân số tương tác của chúng. Bảng sau đây cung cấp tổng quan; thông tin chi tiết về các mô hình có thể được tìm thấy trong các bài viết riêng của thuật ngữ này.

Liệu SFE có thể được xác định với thử nghiệm mực?

Các thử nghiệm mực vẫn được sử dụng để kiểm tra độ thấm ướt của bề mặt. Người dùng và một số nhà sản xuất mực thử nghiệm hiểu kết quả là SFE. Phương pháp này có vẻ hiển nhiên: một số hỗn hợp chất lỏng có SFT giảm dần được áp dụng lên bề mặt lần lượt. SFT của chất lỏng đầu tiên, tạo thành lớp màng không bị biến dạng, tức là làm ướt hoàn toàn bề mặt, được coi là SFE của chất rắn.

Tuy nhiên, bản chất của các tương tác không được tính đến. Do đó, kết quả của thử nghiệm mực không thể chuyển sang tiếp xúc với hầu hết các chất lỏng khác. Do đó, trong quy trình kỹ thuật, chất rắn thường có hành vi khá khác so với mong đợi sau khi thử nghiệm mực.

Ví dụ minh họa: Nước phân cực có SFT cao hơn diiodomethane không phân cực (DIM), một chất lỏng tiêu chuẩn để xác định SFE. Trên nhựa không phân cực, nước có góc tiếp xúc cao hơn nhiều so với DIM. Tỷ lệ bị đảo ngược khi cùng một chất lỏng tiếp xúc với lớp kính sạch như một bề mặt có độ phân cực cao: Góc tiếp xúc của nước nhỏ hơn đáng kể so với góc tiếp xúc DIM. Ví dụ này cho thấy lượng SFT của chất lỏng riêng lẻ không đủ để thiết lập mối quan hệ giữa độ ướt và SFE.

Nguồn: https://www.kruss-scientific.com/en/know-how/glossary/surface-free-energy