Milloin puhutaan SFE:stä, milloin pintajännityksestä?
Termit SFE ja pintajännitys (SFT) ovat fyysisesti samanarvoisia. SFE:tä käytetään yleensä kiinteistä pinnoista ja SFT:tä nestepinnoista. Toisinaan puhutaan kuitenkin myös kiinteän aineen SFT:stä.
SFE:llä on yksikkönä mJ/m2 (millijoule per neliömetri) energiaa pinta-alaa kohti, jolloin käytetään usein myös vastaavaa yksikköä mN/m (millinewton per metri), jota käytetään yleisesti SFT:stä. Kaavan symboli on σ (pieni sigma), harvemmin γ (pieni gamma).
Sana ”vapaa” viittaa siihen, että kyseessä on se osa energiasta, joka voidaan muuttaa mekaaniseksi työksi, toisin kuin sisäenergia, joka sisältää myös lämpöön liittyvän entropian. Käytännössä termi ”vapaa” jätetään usein pois.
Millainen yhteys on SFE:n ja kostuvuuden välillä?
Jokainen systeemi pyrkii mahdollisimman pieneen vapaan energian tilaan. Nesteet ottavat siksi SFT:n vuoksi mahdollisimman pienen pinta-alan tietyllä tilavuudella; painottomuudessa ne muodostavat pallomaisia pisaroita. Kiinteät aineet eivät kuitenkaan voi minimoida pinta-alaansa muodonmuutoksella, mutta ne voivat muodostaa nesteen kanssa rajapinnan vapaan energian pienentämiseksi, eli ne voivat kostua. Siksi kiinteän aineen SFE liittyy läheisesti sen kostutettavuuteen.
Miten SFE:hen voidaan vaikuttaa?
Hyvää kostutettavuutta ja vastaavasti korkeaa SFE:tä vaaditaan esimerkiksi liimauksessa, pinnoituksessa tai painamisessa. Muilla aloilla, kuten korroosio- ja kosteussuojauksessa, kostutuskykyä on vähennettävä. Monet tekniset prosessit valmistelevat kiinteitä pintoja kosketuksiin nesteiden kanssa – useimmat niistä muuttavat suoraan tai epäsuorasti SFE:tä.
SFE:n lisääminen on keskeistä muovipinnoille. Tunnetuimpia menetelmiä ovat plasma-, liekki- ja koronakäsittely sekä kemialliset prosessit, joissa käytetään hapettavia aineita. Teollisella puhdistuksella poistetaan rasvoista tai öljyistä johtuva matalaenerginen kontaminaatio. Tällöin pinnan SFE on korkeampi.
Matalan SFE:n ja vastaavasti alhaisen kostutuksen saa yleensä aikaan pinnoittamalla matalaenergisillä aineilla. Esimerkkejä ovat PTFE-pinnoitetut ruoanlaittovälineet tai öljyjen käyttö korroosiosuojaukseen.
Miten SFE ja kosketuskulma liittyvät toisiinsa?
Kosketuskyvyn mittari on kosketuskulma (CA) θ (pieni theta), joka määritetään tavallisesti optisesti kulmana pisaran ääriviivan ja pinnan tason (= perusviivan) leikkauspisteessä. Youngin yhtälön mukaan CA on seurausta kolmen jännitys- tai energiakomponentin voimatasapainosta, joista kukin pyrkii minimoimaan pinnan tai rajapinnan: