Energía superficial de sólidos explicada
La energía superficial de un sólido es una medida de cuán fácilmente una superficie puede ser humedecida por un líquido y da una indicación de las propiedades de adhesión esperadas sobre dicho sólido. La energía superficial puede determinarse experimentalmente realizando mediciones de ángulo de contacto con varios líquidos de prueba.
¿Qué es la energía superficial de un sólido?
La energía superficial describe un caso especial de energía interfacial, concretamente en la superficie de un sólido frente a un gas (normalmente aire ambiente). La energía superficial es una medida de cuán fácilmente la superficie sólida puede ser humedecida por un líquido. Además, la energía superficial influye en cuán bien los materiales sólidos o líquidos se adhieren a la superficie sólida.
Ejemplos de aplicación importantes para mediciones de energía superficial
En la práctica, una mayor energía superficial de los sólidos indica mejor humectación y, por tanto, mejor adhesión. Si una superficie sólida con alta energía superficial entra en contacto con una gota de agua, se forma un ángulo de contacto bajo. Esto significa que las gotas de agua se extienden sobre la superficie. El vidrio, la cerámica y muchos metales son ejemplos de sólidos cuyas superficies tienen naturalmente una alta energía superficial.
Una baja energía superficial indica mala humectación y, por tanto, peor adhesión. Al entrar en contacto con una gota de agua, se forma un ángulo de contacto alto. Esto significa que la gota de agua reposa sobre la superficie y no se extiende. Muchos plásticos [Nota de aplicación: Sustratos poliméricos] tienen originalmente una baja energía superficial. Los materiales con baja energía superficial requieren un pretratamiento antes de poder ser procesados, por ejemplo, impresos o pegados. Otros materiales se desarrollan especialmente para tener propiedades repelentes al agua, como recubrimientos textiles hidrofóbicos o vidrio para ventanas.
¿Cómo se puede medir la energía superficial de un sólido?
La energía superficial de un sólido puede determinarse midiendo varios ángulos de contacto con un medidor de ángulo de contacto y el método de gota sésil. Específicamente, se miden los ángulos de contacto de al menos dos líquidos de prueba cuya tensión superficial es conocida. Los líquidos de prueba populares son agua, diiodometano, etilenglicol o tiódiglicol.
La energía superficial de un sólido puede calcularse usando estas mediciones de ángulo de contacto basándose en varios modelos. Dichos modelos incluyen cálculos de las diferentes interacciones que tienen lugar entre el sólido y el líquido. Especialmente consolidada está la división en interacciones de dispersión y polares.
El modelo más utilizado proviene de Owens, Wendt, Rabel y Kaelble. También se llama modelo OWRK. Contiene las medias geométricas de los componentes de dispersión y polar de la tensión superficial del líquido y la energía superficial del sólido:
El siguiente paso es referirse a la ecuación de Young (Ángulo de contacto explicado), que expresa la relación entre el ángulo de contacto, la tensión superficial y la energía superficial:
Si ahora se sustituye el modelo OWRK en la ecuación de Young, esto puede convertirse en una ecuación lineal de la forma y = mx+c:
Se han utilizado los siguientes símbolos:
- σSL: Tensión interfacial entre líquido y sólido
- σS: Energía superficial del sólido
- σSd: Componente de dispersión de la energía superficial del sólido
- σSp: Componente polar de la energía superficial del sólido
- σL: Tensión superficial del líquido de prueba
- σLd: Componente de dispersión de la tensión superficial del líquido de prueba
- σLp: Componente polar de la tensión superficial del líquido de prueba
- θC: ángulo de contacto en equilibrio
Esta ecuación lineal puede representarse en un diagrama. El componente de dispersión y polar de la tensión superficial de los líquidos de prueba se coloca en el eje x. El eje y contiene los ángulos de contacto medidos. Los componentes de dispersión y polar buscados de la energía superficial del sólido están contenidos en la intersección c y la pendiente m. Se pueden determinar gráficamente mediante una línea de regresión (ver Figura 2). Así, la energía superficial de los sólidos puede determinarse con solo dos mediciones de ángulo de contacto con líquidos conocidos.
Sin embargo, dado que una línea de regresión basada en dos puntos no permite ninguna afirmación sobre la precisión del resultado, se recomienda realizar mediciones con al menos tres líquidos de prueba para determinar la energía superficial de un sólido. El software dpiMAX de los instrumentos de medición de ángulo de contacto OCA de DataPhysics Instruments puede realizar la evaluación de forma totalmente automática.
Dependiendo de la aplicación y el objetivo de la medición, a veces es ventajoso consultar otros modelos además del modelo OWRK para la determinación de la energía superficial. Sin embargo, estos modelos generalmente solo son útiles en aplicaciones muy específicas. Un ejemplo es el método de Wu para calcular energías superficiales particularmente bajas. Estos y otros modelos específicos también están disponibles en el software dpiMAX.
Preguntas frecuentes sobre la energía superficial de sólidos
-
¿Qué es la energía superficial de un sólido?
La energía superficial de un sólido es el exceso de energía por unidad de área en la superficie de un sólido en comparación con su interior. Describe con qué facilidad la superficie sólida puede ser humedecida por un líquido y cuán bien los adhesivos o recubrimientos se adherirán a ella. La energía superficial se expresa en mJ/m² y es el análogo en estado sólido de la tensión superficial de los líquidos.
-
¿En qué unidad se expresa la energía superficial?
La energía superficial de los sólidos se expresa en milijoules por metro cuadrado (mJ/m²). Esto es equivalente a mN/m, la unidad común para la tensión superficial de los líquidos, lo que refleja que la energía superficial y la tensión superficial comparten las mismas dimensiones físicas.
-
¿Cómo se mide la energía superficial de un sólido?
La energía superficial no puede medirse directamente en los sólidos. En cambio, se miden los ángulos de contacto de al menos dos líquidos de prueba con tensiones superficiales conocidas sobre la superficie sólida utilizando un medidor de ángulo de contacto. La energía superficial se calcula entonces a partir de estos ángulos de contacto utilizando un modelo como el método OWRK (Owens–Wendt–Rabel–Kaelble).
-
¿Qué es el modelo OWRK?
El modelo OWRK (Owens, Wendt, Rabel y Kaelble) es el método más utilizado para calcular la energía superficial de los sólidos. Divide tanto la energía superficial del sólido como la tensión superficial del líquido de prueba en un componente de dispersión y un componente polar. Al combinar la ecuación OWRK con la ecuación de Young y medir los ángulos de contacto de al menos dos líquidos de prueba, los componentes de dispersión y polar de la energía superficial del sólido pueden determinarse mediante regresión lineal.
-
¿Cuál es la diferencia entre energía superficial y tensión superficial?
La tensión superficial se refiere a la tensión en la superficie de un líquido, que puede fluir y deformarse. La energía superficial se refiere al exceso de energía en la superficie de un sólido, que no puede fluir. Para los líquidos, la tensión superficial y la energía superficial son numéricamente iguales e intercambiables. Para los sólidos, la energía superficial debe determinarse indirectamente mediante mediciones de ángulo de contacto, ya que las moléculas no pueden reorganizarse para minimizar el área superficial.
-
¿Cómo afecta la energía superficial a la humectación y la adhesión?
Una energía superficial elevada en un sólido favorece la humectación: los líquidos se extienden fácilmente y forman ángulos de contacto bajos, lo que es beneficioso para la unión, la impresión y el recubrimiento. Una energía superficial baja repele los líquidos (ángulos de contacto altos) y reduce la adhesión. Muchos plásticos tienen baja energía superficial y requieren un pretratamiento — como tratamiento con plasma o corona — para aumentar su energía superficial antes de imprimir o pegar.
