Kiedy mówi się o SFE, a kiedy o napięciu powierzchniowym?
Pojęcia SFE i napięcie powierzchniowe (SFT) są fizycznie równoważne. SFE jest zwykle używane dla powierzchni stałych, a SFT dla powierzchni ciekłych. Sporadycznie jednak mówi się również o SFT ciała stałego.
SFE ma jednostkę mJ/m2 (milidżul na metr kwadratowy) jako energię przypadającą na powierzchnię, przy czym często stosuje się również równoważną jednostkę mN/m (milinewton na metr), która jest powszechnie używana dla SFT. Symbolem wzoru jest σ (mała sigma), rzadziej γ (mała gamma).
Słowo „swobodna” wskazuje, że jest to ta część energii, która może być zamieniona na pracę mechaniczną, w odróżnieniu od energii wewnętrznej, która zawiera również entropię związaną z ciepłem. W praktyce termin „swobodna” jest często pomijany.
Jaki jest związek między SFE a zwilżalnością?
Każdy układ dąży do stanu, w którym energia swobodna jest jak najmniejsza. Dlatego ciecze przyjmują najmniejszą możliwą powierzchnię przy danej objętości ze względu na SFT; w nieważkości tworzą one kuliste kropelki. Ciała stałe nie mogą jednak zminimalizować swojej powierzchni poprzez deformację, ale mogą utworzyć interfejs z cieczą w celu zmniejszenia energii swobodnej, tzn. mogą zostać zwilżone. Dlatego SFE ciała stałego jest ściśle związana z jego zwilżalnością.
Jak można wpływać na SFE?
Dobra zwilżalność i odpowiednio wysoka SFE są wymagane, na przykład, przy łączeniu, powlekaniu lub drukowaniu. W innych obszarach, takich jak ochrona przed korozją i wilgocią, zwilżalność musi być zredukowana. Wiele procesów technicznych przygotowuje powierzchnie stałe do kontaktu z cieczami – większość z nich bezpośrednio lub pośrednio zmienia współczynnik SFE.
Podwyższanie współczynnika SFE ma zasadnicze znaczenie dla powierzchni z tworzyw sztucznych. Najbardziej znanymi metodami są obróbka plazmowa, płomieniowa i koronowa, jak również procesy chemiczne z użyciem środków utleniających. Czyszczenie przemysłowe usuwa niskoenergetyczne zanieczyszczenia tłuszczami lub olejami. Powierzchnia wykazuje wtedy wyższą SFE.
Niską SFE i odpowiednio niską zwilżalność uzyskuje się zwykle przez powlekanie substancjami niskoenergetycznymi. Przykładem są naczynia kuchenne pokryte PTFE lub stosowanie olejów do ochrony przed korozją.
Jak są powiązane SFE i kąt zwilżania?
Miarą zwilżalności jest kąt zwilżania (CA) θ (mała theta), który jest zwykle określany optycznie jako kąt na przecięciu konturu kropli z płaszczyzną powierzchni (= linia podstawowa). Zgodnie z równaniem Younga, CA wynika z równowagi sił trzech składników napięcia lub energii, z których każdy dąży do zminimalizowania powierzchni lub interfejsu:
.