Поверхностная энергия и Уравнение Юнга

Капли на поверхности принимают разные формы. Уравнение Юнга связывает поверхностную энергию с углом контакта капли.

Смачивание количественно описывается углом контакта, который образуется поверхностью капли жидкости с подложкой в точке контакта. Данный угол контакта Θ зависит только от энергии поверхности жидкости σl и подложки σs.

Уравнение Юнга:

По практическим соображениям численное значение суммируется в критическую поверхностную энергию σc. Значения σc представлены в виде таблиц; они определяются, в частности, тестовыми чернилами в соответствии с DIN 53 364 или ASTM D 2578−84.

Определенное значение применяется только к соответствующим жидкостям. Для угла контакта возникают три общих случая Ѳ:

Ѳ < 0° - жидкость распространяется по субстрату. Поверхностное натяжение σl жидкости ниже критического поверхностного натяжения σs твердого тела (σl < σs).

0° < Ѳ <90° - жидкость течёт меньше по мере того, как значение Ө увеличивается и образует все более толстые плёнки.

Ѳ > 90° - жидкость стекается на поверхности в капли. Формирование граничной поверхности между жидкостью и субстратом требует дополнительной энергии (σsl > σs).

Для адгезии Ѳ должен быть как можно ниже. Как правило, поверхностная энергия склеиваемого материала должна быть как минимум такой же, как и поверхностное натяжение клея. Если естественная поверхностная энергия клея недостаточна или если поверхность покрыта вспомогательными материалами, то необходимую поверхностную энергию следует обеспечить обработкой коронным разрядом.

Макроскопические поверхностные энергии представляют собой суммарные разности энергии атомного сцепления всех атомов в области около поверхности по сравнению с атомами внутри материала. Из-за различных видов атомных сил связи энергию поверхности можно разделить на полярную σsp и неполярную (дисперсионную) фракцию σlp.

Зная полярные фракции, можно рассчитать энергию граничной поверхности между тестовыми чернилами и склеиваемым материалом σsl. Хотя смачивание определяется только по σc и σl, адгезия дополнительно зависит от соответствующей полярной фракции σsP и σlP. Таким образом, из измерения (критической) поверхностной энергии невозможно сделать выводы об адгезии, например, о клее, σs.