표면 에너지

표면 자유 에너지 또는 계면 자유 에너지 또는 표면 에너지는 표면이 생성될 때 발생하는 분자 간 결합의 교란을 수량화합니다.고체물리학에서 표면은 물질의 부피보다 본질적으로 에너지적으로 덜 우호적이어야 한다(표면의 원자는 물질의 부피보다 더 많은 에너지를 가진다). 그렇지 않으면 표면이 생성되어 물질의 부피가 제거된다(승화 참조).따라서 표면 에너지는 부피와 비교하여 재료 표면의 과잉 에너지로 정의되거나 특정 표면의 영역을 구축하는 데 필요한 작업입니다.표면 에너지를 보는 또 다른 방법은 벌크 샘플을 절단하는 데 필요한 작업과 관련지어 두 개의 표면을 만드는 것입니다.두 표면에서 불완전하고 미실현된 접합으로 인해 "과도한 에너지"가 발생합니다.

고체체를 조각으로 자르면 결합이 흐트러지고 표면적이 증가하여 표면 에너지가 증가한다.절단이 가역적으로 이루어지는 경우 에너지 보존은 절삭 프로세스에서 소비되는 에너지가 생성된 두 새 표면에 내재된 에너지와 동일함을 의미합니다.따라서 물질의 단위 표면 에너지는 응집 에너지의 절반이며, 다른 모든 것이 동일하다. 실제로는 진공 상태에서 새로 준비된 표면에만 해당됩니다.표면은 위에서 암시한 단순한 "절단 접합" 모델에서 벗어나 형태를 바꾸는 경우가 많습니다.이들은 쉽게 재배치되거나 반응하는 매우 역동적인 영역인 것으로 밝혀졌으며, 따라서 에너지가 수동화 또는 흡착과 같은 과정에 의해 종종 감소됩니다.

표면 에너지 측정

접촉각 측정을 통한 표면 에너지 측정

표면 에너지를 측정하는 가장 일반적인 방법은 접촉 각도 ^[1]실험을 통해서입니다.이 방법에서 표면의 접촉각은 여러 액체(일반적으로 물과 다이요오드메탄)로 측정된다.접촉각도 결과와 액체의 표면장력을 알면 표면에너지를 산출할 수 있다.실제로 이 분석은 접촉 각도계에 ^[2]의해 자동으로 수행됩니다.

접촉각 ^[3]판독치를 기반으로 표면 에너지를 계산하는 데는 여러 가지 다른 모델이 있습니다.가장 일반적으로 사용되는 방법은 OWRK로, 두 개의 프로브 액체를 사용하여 총 표면 에너지를 방출하고 극성분과 분산성분으로 나눕니다.

접촉각법은 단순성과 광범위한 표면에서의 적용성, 신속성으로 인해 표준 표면 에너지 측정법이다.측정은 완전히 자동화될 수 있으며 ^[4]표준화되어 있습니다.

고체의 표면 에너지 측정 – 기타 방법

액체의 표면 에너지는 액체 막을 늘림으로써 측정할 수 있다(표면적을 증가시켜 표면 에너지를 증가시킨다).이 때 액체 덩어리의 표면적을 증가시키기 위해서는 작업량 δA(여기서 θ는 액체의 표면 에너지 밀도)가 필요하다.단, 고체막의 스트레칭은 표면에너지의 증가와 더불어 부피의 탄성에너지를 유도하기 때문에 고체의 표면에너지 측정에 사용할 수 없다.

고체의 표면 에너지는 보통 고온에서 측정됩니다.이러한 온도에서는 고체가 기어서 표면적이 변화하더라도 부피는 거의 일정하게 유지됩니다.만약 θ가 고온과 일정한 일축 장력 P에서 반지름 r과 길이 l의 원통형 막대의 표면 에너지 밀도라면, 평형에서, 총 헬름홀츠 자유 에너지의 변화는 사라지고 우리는 다음을 가집니다.

$\displaystyle F=-P~\delta l+\displays ~\display A=0\displays \params \params \params = P{\frac l}{\frac A}}$

여기서 F는 헬름홀츠 자유 에너지이고 A는 로드의 표면적입니다.

$\displaystyle A=2\pi r^{2}+2\pi rl\displays \displays A=4\pi r\pi r+2\pi l\displays l$

또, 로드의 부피(V)는 일정하게 유지되기 때문에, 부피의 변동(δV)은 0이 된다.

$\displaystyle V=\pi r^{2}l(텍스트 { is constant}}\display \pi V=2\pi r+\pi r^{2}\display l=0\displays \display r=-{\frac {r}{2l}}\display l.$

따라서 표면 에너지 밀도는 다음과 같이 표현될 수 있다.

$(\displaystyle \displaystyle = scsfrac {Pl}{\pi r(l-2r)}}}~}$

고체의 표면 에너지 밀도는 평형 상태에서 P, r 및 l을 측정하여 계산할 수 있습니다.

이 방법은 고체가 등방성이므로 표면 에너지가 모든 결정학적 방향에서 동일할 경우에만 유효합니다.이것은 비정질 고체(유리)와 액체에 대해서만 엄격히 해당되지만 등방성은 다른 많은 물질에 대한 근사치입니다.특히 샘플이 다립(대부분의 금속)이거나 분말 소결(대부분의 세라믹)에 의해 제조된 경우 이는 좋은 근사치입니다.

천연 원석과 같은 단결정 재료의 경우 표면 에너지 중의 이방성이 패싯으로 이어진다.결정의 모양(평형 성장 조건 가정)은 울프 구조에 의한 표면 에너지와 관련이 있습니다.따라서 패싯의 상대적인 크기를 측정함으로써 패싯의 표면 에너지는 스케일링 상수 내에서 확인할 수 있다.

변형된 고체의 표면 에너지 계산

고체의 변형에서 표면 에너지는 "표면적의 단위 하나를 만드는 데 필요한 에너지"로 취급할 수 있으며, 변형 전후의 시스템 총 에너지 간의 차이에 대한 함수이다.

${\displaystyle \frac{\gamma }{}}$= ${\displaystyle 1A{}_{}}$($E$ ${\displaystyle {}_{}}$ -${\displaystyle {}_{}{E\mathrm{}}_{}}$0 ) {$displaystyle$ \ displaystyle =$specfrac {1$} {A} \$left$ ( E _ { 1 } -$E$_ {$0$ } \$$right$$) }

첫 번째 원칙(예: 밀도 함수 이론)에서 표면 에너지를 계산하는 것은 측정에 대한 대안 접근법이다.표면 에너지는 d-밴드의 폭, 원자가 d-전자의 수 및 표면과 ^{[5][page needed]}고체의 부피의 원자의 배위수로부터 추정된다.

결정성 고체의 표면 형성 에너지 계산

밀도 함수 이론에서 표면 에너지는 다음 식에서 계산할 수 있습니다.

$\displaystyle \displaystyle = flac {E_{\text{slab}}-NE_{\text{bulk}}{2A}}}$

어디에

E는_slab 밀도 함수 이론을 사용하여 얻은 표면 슬래브의 총 에너지입니다.

N은 표면 슬래브에 있는 원자의 수입니다.

E는_bulk 원자당 부피 에너지입니다.

A는 표면적이다.

슬래브에는 두 개의 표면이 있고 같은 유형으로 분모에 숫자 2가 반영됩니다.이를 위해 슬래브를 주의 깊게 작성하여 상부 표면과 하부 표면이 같은 타입이 되도록 해야 합니다.

접착 접점의 강도는 접착 작용에 의해 결정됩니다. 접착 작용은 두 ^{[6][page needed]}접촉체의 상대 표면 에너지라고도 합니다.상대적인 표면 에너지는 두 번째 ^[7]재료로 만들어진 기판에서 한 가지 재료로 만들어진 잘 정의된 형태의 본체를 분리함으로써 결정할 수 있다.예를 들어, "아크릴 유리 – 젤라틴" 계면의 상대 표면 에너지는 0.03 N/m와 같다.상대적인 표면 에너지와 그 기능을 측정하기 위한 실험적인 설정은 비디오에서 ^[8]볼 수 있습니다.

승화열에 의한 표면에너지 추정

순수하고 균일한 재료의 표면 에너지를 추정하기 위해 재료의 개별 영역을 입방체로 모델링할 수 있습니다.물질의 부피에서 표면으로 입방체를 이동시키기 위해서는 에너지가 필요합니다.이 에너지 비용은 재료의 표면 에너지에 통합되며, 다음과 같이 정량화됩니다.

$\displaystyle \text = \frac {\frac } - z _ {\frac } \ right { \ frac { W _ { \ text }AA}}}{2}}{a_{0}}}}$

여기서_σ z와_β z는 물질의 표면과 부피 영역에 대응하는 배위수이며 각각 5와 6이다. a는₀ 개별 분자의 표면적이고_AA W는 쌍방향 분자간 에너지이다.

표면적은 분자 부피의 세제곱근을 제곱하여 결정할 수 있다.

${\displaystyle a_{0}=V_{\text{molecule}^{\frac {2}{3}}=\leftflac\frac {M}{\rho N_{A}}}\rho N_{2}{3}}$

여기서 Mθ는 분자의 몰 질량에 대응하고, θ는 밀도에 대응하며_A, N은 아보가드로의 수이다.

쌍방향 분자간 에너지를 결정하기 위해서는 재료의 분자간 힘이 모두 파괴되어야 합니다.이를 통해 단일 분자에 대해 발생하는 상호 작용을 철저히 조사할 수 있습니다.물질의 승화 중에 분자간의 분자간 힘이 파괴되어 물질이 고체에서 기체로 변화한다.따라서 승화의 엔탈피를 고려하는 것은 한 쌍의 분자간 에너지 결정에 도움이 될 수 있다.승화의 엔탈피는 다음 방정식으로 계산할 수 있습니다.

$\displaystyle \Delta _{\text{sub}}H = flac {-W_{\text{AA}N_{A}z_{b}}{2}}$

승화의 엔탈피에 대해 경험적으로 표로 된 값을 사용하여 쌍방향 분자간 에너지를 결정할 수 있다.이 값을 표면 에너지 방정식에 포함시키면 표면 에너지를 추정할 수 있습니다.

표면 에너지에 대한 합리적인 추정으로 다음 방정식을 사용할 수 있습니다.

$\displaystyle \gamma \약 \frac {-\Delta _{\text{sub}}H\left(z_{\sigma}-z_{\beta}\오른쪽)}{a_{0}N_{A}z_{\beta}}}}}}$

계면 에너지

인터페이스의 존재는 일반적으로 시스템의 모든 열역학 파라미터에 영향을 미칩니다.인터페이스 현상을 설명하기 위해 일반적으로 사용되는 두 가지 모델이 있습니다. 깁스 이상 인터페이스 모델과 구겐하임 모델입니다.Gibbs 모델을 사용하여 계면 시스템의 열역학을 설명하기 위해 시스템은 3개의 부분으로_β 나눌 수 있다: 부피_α V와 V를 가진 2개의 불용성 액체와 이들 2개의 부피를 분리하는 Gibbs 분할면())으로 알려진 무한히 얇은 경계층.

시스템의 총 볼륨은 다음과 같습니다.

${\displaystyle V=V_{\alpha}+V_{\beta}}$

시스템의 모든 광대한 양은 벌크 위상α, 벌크 위상β 및 인터페이스θ의 3가지 구성요소의 합으로 쓸 수 있다.예를 들어 내부 에너지 U, ih 물질_i n의 분자수, 엔트로피 S 등이 있다.

$디스플레이 스타일U&=U_{\alpha }+U_{\beta }+U_{\sigma }\\N_{i\alpha}&=N_{i\alpha }+N_{i\sigma }\S&=S_{\alpha }+Beta }$

이러한 양은 성분마다 다를 수 있지만 시스템 내 합계는 일정하게 유지됩니다.인터페이스에서는 이러한 값이 벌크 단계 내에 존재하는 값과 다를 수 있습니다.인터페이스에 존재하는 분자의 농도는 다음과 같이 정의할 수 있습니다.

${displaystyle N_{i\sigma}=N_{i}-c_{i\alpha}-c_{i\alpha}-V_{\beta}}}$

여기서_iα c와_iβ c는 각각 벌크상α와 β에서 물질i의 농도를 나타낸다.

단위 면적당 분자 수를 설명할 수 있는 새로운 용어 계면 초과 δ를_i 정의하는 것이 좋습니다.

${\displaystyle \Gamma _{i}=vsfrac {N_{i\alpha}}{A}}$

젖음

확산 파라미터

습윤현상에 표면에너지가 작용한다.이를 조사하려면 고체 기판 위에 액체 한 방울을 떨어뜨리는 것을 고려합니다.액체첨가에 따라 기판의 표면에너지가 변화하면 기판이 젖어 있다고 한다.확산 파라미터를 사용하여 이를 수학적으로 결정할 수 있습니다.

${\displaystyle S=\gamma_{\text{s}}-\display_{\text{l}}-\display_{\text{s-l}}}}$

여기서 S는 확산 파라미터, the기판의_s 표면에너지, the액체의_l 표면에너지, the기판과_s-l 액체 사이의 계면에너지이다.

S < 0이면 기판에 액체가 부분적으로 젖는다.S > 0이면 ^[9]기판이 완전히 젖어 버립니다.

접촉각

습윤을 실험적으로 결정하는 방법은 접촉각(θ)을 보는 것이다. 접촉각은 (그림과 같이) 고체-액체 계면과 액체-가스 계면을 연결하는 각도이다.

θ = 0°이면 기질에 완전히 젖는다.

0° < < < 90°일 경우 높은 습윤이 발생합니다.

90° < < <180°일 경우 낮은 습윤이 발생합니다.

θ = 180°이면 기판이 전혀 ^[10]젖지 않는다.

영 방정식은 접각을 계면 에너지와 관련짓습니다.

$\displaystyle _{\text{s-g}}=\display_{\text{s-l}}+\display_{\text{l-g}}\cos \theta }$

여기서 θ는_s-g 고체와 기체상 사이의 계면 에너지, θ는_s-ll-g 기판과 액체 사이의 계면 에너지, θ는 액체상과 기체상 사이의 계면 에너지, θ는 고체-액체와 액체-가스면 ^[11]사이의 접촉 각도이다.

고에너지 및 저에너지 기판의 습윤

고체 기판의 벌크 컴포넌트의 에너지는 기판을 서로 고정시키는 상호작용 유형에 따라 결정됩니다.고에너지 기판은 결합에 의해 결합되고 저에너지 기판은 힘에 의해 결합된다.공유 결합, 이온 결합, 그리고 금속 결합은 판데르발스나 수소 결합과 같은 힘보다 훨씬 더 강합니다.고에너지 기판은 저에너지 ^[12]기판보다 쉽게 젖는다.또한 기판이 ^[13]액체보다 훨씬 높은 표면 에너지를 가지고 있으면 더 완전한 습윤이 발생합니다.

표면 에너지 수정 기술

가장 일반적으로 사용되는 표면 수정 프로토콜은 플라즈마 활성화, 그라프트를 포함한 습식 화학 처리 및 박막 ^[14][15][16]코팅입니다.표면 에너지 모방은 단일 장치 ^[17]재료를 사용하여 장치 제조 및 패턴링을 포함한 표면 수정을 단일 처리 단계로 병합할 수 있는 기술입니다.

습도를 높이기 위해 많은 기술을 사용할 수 있습니다.코로나 처리,^[18] 플라즈마 처리 및 산 ^[19]식각과 같은 표면 처리를 사용하여 기판의 표면 에너지를 증가시킬 수 있습니다.액체의 표면 장력을 줄이기 위해 첨가제를 첨가할 수도 있다.이 기법은 ^[20]표면에 균일하게 퍼지도록 하기 위해 페인트 조합에 자주 사용됩니다.

켈빈 방정식

액체에 고유한 표면 장력에 의해 면적을 최소화하기 위해 곡면이 형성된다.이 현상은 표면을 형성하는데 드는 에너지 비용에서 발생한다.이와 같이 표면이 곡면될 때 시스템의 깁스 자유 에너지가 최소화됩니다.

켈빈 방정식은 열역학 원리에 기초하며 곡면을 가진 액체에 의해 발생하는 증기 압력의 변화를 설명하는 데 사용됩니다.이러한 증기 압력 변화의 원인은 라플라스 압력입니다.라플라스 압력이 증가하면 분자가 더 쉽게 증발하기 때문에 물방울의 증기 압력이 평면 표면보다 높습니다.반대로 기포를 둘러싼 액체에서는 기포 내부에 대한 압력이 낮아져 분자가 증발하기 어려워진다.켈빈 방정식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

${\displaystyle RT\ln {Frac {P_{0}^{K}}=\gamma V_{m}\left({\frac {1}{1}+{\frac {1}{R_{2}}\right})}$

여기서^K
₀ P는 곡면의 증기압, P는₀ 평면의 증기압, θ는 표면장력, V는_m 액체의 몰 부피, R은 범용 가스 상수, T는 온도(켈빈 단위), R과₁₂ R은 곡면의 주요 반지름이다.

코팅용 표면 수정 안료

안료는 코팅의 적용 특성을 수정하는 데 큰 잠재력을 제공합니다.미세 입자 크기와 본질적으로 높은 표면 에너지로 인해 액체 매체에서 쉽게 분산될 수 있도록 표면 처리가 필요한 경우가 많습니다.극성기가 존재하는 분자 표면의 흡착, 고분자의 단분자층, 유기안료 ^[21]표면의 무기산화물층 등 다양한 표면처리가 지금까지 사용되어 왔다.

더 큰 안료 입자가 더 작은 소립자로 분해됨에 따라 새로운 표면이 지속적으로 생성되고 있습니다.이렇게 새로 형성된 표면은 결과적으로 더 큰 표면 에너지에 기여하며, 이로 인해 생성된 입자는 종종 함께 응집체로 접합됩니다.액체 매체에 분산된 입자는 일정한 열 또는 갈색 운동을 하기 때문에 매체를 통과하여 ^[21]충돌할 때 근처의 다른 안료 입자와 강한 친화력을 보인다.이러한 자연적 인력은 주로 표면 에너지의 효과로서 강력한 단거리 반데르발스 힘에 기인한다.

안료 분산의 주요 목적은 골재를 분해하고 최적의 크기의 안료 입자를 안정적으로 분산시키는 것이다.이 과정은 일반적으로 습윤, 탈아그리게이션 및 안정화라는 세 가지 단계를 수반합니다.밀착력 및 외관이 좋은 코팅을 형성할 때는 젖기 쉬운 표면이 바람직하다.또한 크롤링, 크레이터링 및 오렌지 껍질과 ^[22]같은 표면 장력 관련 결함의 위험도 최소화합니다.이것은 안료 분산에 필수적인 요건입니다.습윤 효과를 얻으려면 안료 차량의 표면 장력이 ^[21]안료의 표면 자유 에너지보다 낮아야 합니다.이렇게 하면 차량이 안료 응집체의 틈새로 침투할 수 있으므로 완전한 습윤이 보장됩니다.마지막으로 입자를 서로 떼어놓기 위해 반발력을 주어 응집 가능성을 낮춘다.

분산은 전하 반발과 입체 또는 엔트로픽 ^[22]반발이라는 두 가지 다른 현상을 통해 안정화될 수 있습니다.전하 반발에서는 정전하와 같은 것을 가진 입자가 서로 밀어낸다.또는 스테릭 또는 엔트로픽 반발은 안료 입자의 표면에 흡착층(용매로 부풀어 오른 폴리머 분자 등)이 분산되어 있을 때의 반발 효과를 설명하기 위해 사용되는 현상이다.고분자 분자의 특정 부분(앵커)만 흡착되며, 이에 대응하는 루프와 꼬리가 용액으로 확장됩니다.입자가 서로 가까워지면 흡착층이 밀집되어 ^[23]응집을 방지하는 효과적인 입체 장벽이 됩니다.이러한 혼잡 효과는 엔트로피의 감소를 수반하며, 이로 인해 폴리머 분자가 흡착된 층에서 가능한 구성 수가 감소합니다.그 결과 에너지가 증가하고 종종 반발력을 일으켜 입자가 서로 분리되도록 돕는다.

공통 표면 에너지 값 표

재료.	오리엔테이션	표면 에너지(mJ/m2)
폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)		열아홉[24][page needed]
유리		83.4[25]
석고		370[26]
구리		1650[27]
산화마그네슘	(100) 평면	1200[28]
플루오르화칼슘	8면	450[28]
플루오르화 리튬	(100) 평면	340[28]
탄산칼슘	(1010) 평면	스물세[28] 살
염화나트륨	(100) 평면	300개[29]
염화나트륨	(110) 평면	400[30]
염화칼륨	(100) 평면	110[29]
플루오르화바륨	8면	280[28]
실리콘	8면	1240[28]

「 」를 참조해 주세요.

• 접촉각
• 표면 장력
• 세실 드롭 기술
• 모세관 표면
• 울프 건설

레퍼런스

외부 링크

• 표면 자유 에너지란 무엇인가?
• 표면 에너지 및 접착