Методы определения поверхностной энергии твердого тела

Поверхностную энергию твердых тел оценивают косвенно, изучая смачиваемость этой поверхности жидкостями с известным поверхностным натяжением и их дисперсионной и полярной составляющей.

Характеристикой поверхностного натяжения твердого тела является критическое поверхностное натяжение, которое равно максимальному поверхностному натяжению жидкости, идеально смачивающею данную поверхность.

Чтобы покрытие растекалось по поверхности субстрата, поверхностное натяжение жидкости должно быть ниже критического поверхностного натяжения субстрата.

Хорошо известный дефект покрытий, так называемая рябизна, также связан с поверхностным натяжением. Загрязнения поверхности имеют более низкие значения критического поверхностного натяжения по сравнению с окружающей их чистой поверхностью, тем самым ужесточая требования к покрытию в смысле более низкого поверхностного натяжения.

Поверхностное натяжение покрытия определяется природой полимера и растворителя. Полимеры обычно имеют сравнительно высокие поверхностные натяжения, а поверхностное натяжение органических растворителей находится в пределах 20-30 мН/м. Если сравнивать растворители одного и того же класса, можно заметить, что быстро испаряющиеся растворители обычно имеют более низкие значения поверхностного натяжения, чем их медленно испаряющиеся аналоги. Кроме того, растворители с более разветвленными молекулами также характеризуются более низким поверхностным натяжением. Поверхностное натяжение изопропилового спирта, удовлетворяющего обоим упомянутым выше требованиям, равно 21,4 мН/м, что гораздо ниже, чем у других органических растворителей. Очевидно, что чем выше содержание изопропилового спирта в покрытии, тем ниже его поверхностное натяжение.

Поверхностное натяжение технологически пригодных покрытий должно отвечать интервалу 25 - 32 мН/м. Это достаточно низкие значения, чтобы обеспечить необходимое смачивание большинства поверхностей, т. е. эти значения ниже критических поверхностных натяжений субстратов.

С проблемами, связанными с поверхностным натяжением, часто сталкиваются при использовании смол в качестве основного компонента покрытий. Покрытия с высоким содержанием твердых веществ чрезвычайно чувствительны к загрязнениям и отпечаткам пальцев, поверхностное натяжение которых равно -24 мН/м. Дефекты окрашивания, например рябизна и «кадрирование», чаще всего встречаются именно при использовании покрытий с высоким содержанием твердых веществ.

Вода относится к жидкостям с высоким поверхностным натяжением и, как правило, не подходит для смачивания многих поверхностей, поэтому в состав водоосновных красок вводят ПАВ.

Эффективные ПАВ снижают поверхностное натяжение воды до 28-30 мН/м, что соответствует диапазону поверхностных натяжений органических растворителей, применяемых в композициях красок и лаков.

Наиболее удобным способом определения поверхностного натяжения твердых тел является измерение краевого угла (угла, который образован касательными к межфазным поверхностям, ограничивающим смачивающую жидкость, имеющего вершину на линии раздела трех фая) гомологического ряда жидкостей с известным поверхностным натяжением на плоских поверхностях твердых тел.

Определяется cosθ у серии жидкостей (6 штук).

σ_кр равна поверхностной энергии твердого тела

Рисунок 6 - Измерение краевого угла с использованием сидящей капли или адгезированного пузырька