Kąt zwilżania

Kąt zwilżania

Kluczowe wnioski

• Kąt, jaki kropla tworzy z powierzchnią, jest bezpośrednią, ilościową miarą zwilżalności.
• Mały kąt oznacza dobre zwilżanie. Poniżej ok. 30° powierzchnia jest dobrze zwilżona; powyżej 90° jest praktycznie niezwilżalna.
• Użycie wielu cieczy testowych pozwala rozdzielić składowe polarną i dyspersyjną, co wyjaśnia, dlaczego powierzchnia się nie łączy.
• Jest to metoda, którą można obronić tam, gdzie wynik testu pisakami dynowymi byłby kwestionowany.

Kąt zwilżania

Kąt zwilżania to kąt tworzony w miejscu, w którym kropla cieczy styka się z powierzchnią ciała stałego, mierzony przez ciecz w punkcie kontaktu, i stanowi bezpośrednią ilościową miarę tego, jak dobrze ta ciecz zwilża to ciało stałe. W przypadku tworzyw sztucznych jest to metoda referencyjna oceny energii powierzchniowej i skuteczności obróbki wstępnej.

Kąt wynika z równowagi między siłami kohezji cieczy, które ściągają kroplę w kulę, a siłami adhezji między cieczą a ciałem stałym, które ją rozpłaszczają. Gdy dominuje adhezja, kropla się rozlewa, a kąt jest mały. Gdy dominuje kohezja, kropla tworzy perełkę, a kąt jest duży.

Odczytywanie wartości

Ponieważ woda jest polarna, duży kąt zwilżania wodą na części, która powinna być obrobiona, jest jednym z najszybszych wskaźników nieudanej obróbki wstępnej lub zanieczyszczenia silikonem.

Jak wykonuje się pomiar

Standardową techniką laboratoryjną jest metoda leżącej kropli: kropla o określonej objętości jest umieszczana na powierzchni, obrazowana z profilu, a kąt mierzy się na linii styku trzech faz. Punkty decydujące o tym, czy wynik cokolwiek znaczy:

• Objętość kropli musi być stała, zazwyczaj kilka mikrolitrów. Większe krople rozpłaszczają się pod własnym ciężarem i dają zaniżony odczyt.
• Mierzyć szybko. Parowanie i powolne rozlewanie zmieniają kąt w ciągu sekund na niektórych powierzchniach, więc konwencja czasowa ma znaczenie i powinna być podana.
• Wykonać wiele pomiarów. Obróbka powierzchni, tekstura i zanieczyszczenia zmieniają się na całej części; pojedyncza kropla to anegdota.
• Chropowatość powierzchni wzmacnia efekt. Szorstka powierzchnia wzmacnia to, co robi podstawowa chemia – powierzchnia zwilżalna zwilża się lepiej, a niezwilżalna odpycha silniej. Należy porównywać porównywalne pod względem tekstury.
• Kąty napływania i cofania różnią się. Różnica między nimi, histereza, sama w sobie jest informatywna i często wskazuje na niejednorodność lub zanieczyszczenie.

Rozdzielenie składowych polarnej i dyspersyjnej

Pomiar jedną cieczą daje zwilżalność. Pomiar dwiema lub więcej cieczami o znanej i różnej polarności pozwala rozdzielić energię powierzchniową na składowe polarną i dyspersyjną, w czym leży wartość diagnostyczna:

• Składowa dyspersyjna pochodzi z oddziaływań van der Waalsa i występuje na każdej powierzchni.
• Składowa polarna pochodzi z grup zawierających tlen, które szczepia obróbka wstępna. To ta część rośnie po obróbce polimeru i ponownie spada, gdy obróbka zanika.
• Dlaczego to ważne: dwie powierzchnie mogą wykazywać tę samą całkowitą energię powierzchniową, a jedna dobrze się łączy, druga nie, ponieważ klej opierający się na oddziaływaniu polarnym wymaga właśnie składowej polarnej. Sama wartość całkowita może to ukryć.

Typowym zestawem jest woda i dijodometan – woda wnosi składową polarną, a dijodometan jest zasadniczo niepolarny. Istnieje kilka modeli obliczeniowych, więc użyty model należy zapisać obok wyniku.

Kąt zwilżania a test dynowy

Metody te się uzupełniają, a nie konkurują. Praktycznym rozwiązaniem w większości zakładów jest użycie kąta zwilżania do ustalenia wymagań i rozstrzygania kwestii spornych oraz roztworów napięcia zwilżania wg ASTM D2578 do bieżącego monitorowania względem nich.

Diagnostyka wyniku pomiaru kąta zwilżania

Powiązane terminy i lektury

• Test taśmowy ASTM D3359
• Energia powierzchniowa
• Nauka o rozwiązywaniu problemów z przyczepnością tworzyw sztucznych
• Pomiar przyczepności i odporności na ścieranie powłok i farb drukarskich
• Metody obróbki wstępnej powierzchni polimerów

Zastosowanie w produkcji

The Sabreen Group zapewnia niezależne wsparcie inżynieryjne w zakresie pomiaru kąta zwilżania, charakterystyki powierzchni i kwalifikacji przyczepności. Jeśli określają Państwo proces, kwalifikują materiał lub usuwają problem produkcyjny, pomoże Państwu nasz zespół usług inżynieryjnych. Prosimy o kontakt, aby omówić Państwa zastosowanie.

Najczęściej zadawane pytania

Jaki kąt zwilżania wskazuje, że powierzchnia jest gotowa do klejenia?

Orientacyjnie kąt zwilżania wodą poniżej ok. 60° sugeruje rozsądną zwilżalność, a poniżej 30° – dobrze obrobioną powierzchnię, natomiast powyżej 90° powierzchnia jest praktycznie niezwilżalna. Znaczący próg to jednak ten ustalony dla konkretnego stosowanego kleju lub farby – ogólne wartości docelowe kąta są tak samo zawodne jak ogólne wartości w dynach.

Czym kąt zwilżania różni się od testu pisakiem dynowym?

Kąt zwilżania mierzy się przyrządem na podstawie obrazu kropli i daje ciągłą wartość ilościową; pisak dynowy opiera się na ocenie operatora, czy film farby utrzymuje się przez ok. dwie sekundy, i daje wynik w przedziale lub pozytywny/negatywny. Kąt zwilżania może też rozdzielić składowe polarną i dyspersyjną energii powierzchniowej, czego test dynowy nie potrafi. Roztworów dynowych należy używać do rutynowego monitorowania, a kąta zwilżania – gdy wartość trzeba obronić.

Dlaczego mierzyć więcej niż jedną cieczą testową?

Ponieważ pozwala to rozdzielić składową polarną energii powierzchniowej od dyspersyjnej. Dwie powierzchnie mogą wykazywać tę samą energię całkowitą, podczas gdy tylko jedna dobrze się łączy, gdyż kleje oparte na oddziaływaniu polarnym wymagają właśnie składowej polarnej. Obróbka wstępna podnosi szczególnie składową polarną, więc jej śledzenie odróżnia powierzchnię faktycznie obrobioną od takiej, która jedynie akceptowalnie wypada w odczycie.

Czy chropowatość powierzchni wpływa na odczyt?

W znacznym stopniu. Chropowatość wzmacnia podstawową chemię, sprawiając, że powierzchnia zwilżalna zwilża się lepiej, a niezwilżalna odpycha silniej, więc część teksturowana i polerowana o identycznej chemii dadzą różne kąty. Należy porównywać porównywalne i ostrożnie stosować próg wyznaczony na gładkiej próbce do teksturowanej powierzchni produkcyjnej.

Co powoduje nieoczekiwanie duży kąt na części po obróbce?

Zwykle nieudana obróbka lub zanieczyszczenie silikonem, a oba przypadki można odróżnić po wzorze – nieudana obróbka zwykle dotyczy całych części lub serii, natomiast zanieczyszczenie często ma charakter plamisty. Ponieważ woda jest polarna, jej kąt zwilżania jest wrażliwy właśnie na grupy, które dodaje obróbka i które maskuje silikon, co czyni kroplę wody jedną z najszybszych dostępnych kontroli diagnostycznych.

---