Ensayo tensión superficial

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Determinación de la tensión superficial

Las fuerzas cohesivas entre las moléculas de un líquido, son las responsables del fenómeno conocido como tensión superficial. Todas las moléculas que se componen de una sustancia líquida interaccionan de alguna manera entre ellas y se atraen. De las moléculas de un líquido, solo aquellas que están en la superficie, están sujetas a fuerzas intermoleculares que no son simétricas, como sucede con las moléculas que están dentro del líquido. El resultado es que la superficie de un líquido se encuentra en un estado particular, y todo el líquido se comporta como si estuviera envuelto por una película elástica muy delgada y estirada.

Tensión superficial

Si una gota de agua cae sobre una superficie aceitosa, el agua se acumula y se convierte en una bola. Sin embargo, si la gota de agua cae sobre una superficie limpia, se dispersa como una capa delgada. Esto se debe a que la cantidad de moléculas en el agua es menor que la cantidad de moléculas de grasa en la superficie. El aceite eleva la energía de la superficie y ejerce una fuerza contra la gota de agua. Hay esencialmente una atracción eléctrica entre las moléculas. En este caso, la fuerza que actúa sobre la superficie se denomina tensión superficial. La tensión superficial aumenta a medida que aumenta la densidad de los líquidos. Por ejemplo, cuando se agrega algo de sal al agua, la sal se dispersa en el agua y aumenta la densidad del agua. En este caso, la fuerza entre las moléculas de agua aumenta y la tensión superficial del agua aumenta. Los detergentes y jabones reducen la tensión superficial. Del mismo modo, la tensión superficial disminuye al aumentar la temperatura. Por lo tanto, la limpieza deseada se logra cuando la temperatura y los detergentes se combinan. La tensión superficial puede variar según la temperatura y las propiedades de los productos químicos en contacto con el líquido. Una superficie cargada eléctricamente y la solución circundante se mueven una contra otra y causan eventos electrocinéticos. Si las partículas cargadas eléctricamente se suspenden en el líquido y se aplica corriente eléctrica al sistema, las partículas comienzan a moverse en el líquido inmóvil. Esto se llama electroforesis. Si se mide la velocidad de las partículas, se obtiene información sobre la cantidad de electricidad que se carga o el potencial de superficie de esa partícula.

Definicion de tensión superficial, propiedad de un líquido que hace que se comporte como si su superficie estuviera encerrada en una lámina elástica. Las fuerzas atractivas entre las moléculas de un líquido, se pueden considerar como fuerzas electrostáticas residuales y algunas veces son llamadas fuerzas de van der Waals o adherencia van der Waals.

Tensión superficial o energía superficial

Es una cantidad termodinámica definida como trabajo necesario para aumentar isotérmicamente el área superficial de un líquido. La tensión superficial es una medida directa de las fuerzas intermoleculares en el nivel de la superficie. Debido a la tensión superficial la tendencia de líquidos es reducir su energía tanto como sea posible, luego a para formar gotas. La tensión superficial varía con la temperatura, la composición del flujo y las interacciones entre la aleación de los sustratos. Por estas razones, la tensión superficial de las aleaciones de soldadura fuerte no se conoce con precisión. En general, la tensión superficial tiende a ser menor en el aire que en una atmósfera inerte, La acción del medio ambiente está generalmente determinada por la absorción de vapor en la superficie polimérica, y es lo que lo reduce la tensión superﬁcial. Si la tensión superficial de un líquido, colocada sobre una superficie, es mayor de la del sólido, forma un ángulo de contacto entre la fase sólida y la fase líquida. Cuando el mismo líquido se coloca en super? Ci Con el aumento de la tensión superficial, el ángulo de contacto disminuye.

Bagnabilità

Una característica clave para obtener un buen enlace entre dos polímeros es la humectabilidad, es decir, la capacidad del polímero fundido en la fase líquida para fluir y difundir durante el proceso de sobreinyección. Una medida de la humectabilidad es el ángulo de contacto formado en la unión de un sólido y un líquido en un entorno particular. En términos termodinámicos, la buena humectabilidad ocurre si hay una disminución neta en la energía libre total cuando se forma la nueva interfaz entre los dos polimeros.

Tintas de prueba

Para hacer posible la impresión, pintura y pegado de materiales plásticos particularmente "difíciles" (como poliolefinas y / o ciertos tecnopolímeros), es necesario un tratamiento previo adecuado (por ejemplo, con presión atmosférica o plasma de vacío) para que la tensión superficial alcance un cierto valor. La medición de la tensión superficial se realiza midiendo el ángulo de contacto de un fluido en la superficie del producto o, más rápida y fácilmente, con el uso de tintas de medición de humectación.

La medida es necesaria:

- antes de pintar: las pinturas a base de agua requieren una humectabilidad de al menos 45 mN / m (dina)

- Antes de imprimir: la adhesión de las tintas de impresión requiere una humectabilidad de aprox. 38 mN / m

- Antes de pegar: al menos 42 mN / m

- Después del tratamiento para verificar que se han alcanzado los parámetros anteriores

Pruebas de dina

Tensión superficial crítica en dinas/cm a 20° a 25°C, generalmente determinada por el método de Zisman (regresión del coseno del ángulo de contacto), o por el método de tensión de humectación, utilizando soluciones de 2-etoxietanol y formamida según ASTM Std. D-2578. Recomendamos realizar pruebas a aproximadamente 20° a 25° Celsius, con una humedad en el rango de 40% a 60% de HR. Es poco probable que algunas variaciones de estas condiciones afecten los resultados de manera significativa, ya que la tensión superficial de los líquidos y la energía superficial de los sólidos se ve afectada de manera similar por los cambios de temperatura, como se muestra en la siguiente tabla. Pero con temperaturas más elevadas, se debe tener precaución. Tenga en cuenta que este análisis asume que tanto la solución de prueba como el sustrato se han estabilizado a la temperatura ambiente elevada. Si esto no se asegura, entonces un componente u otro obviamente se verá más afectado por el cambio de temperatura, y los resultados de la prueba podrían desviarse de los que se obtendrían en condiciones de laboratorio de una manera menos predecible. Sin embargo, las temperaturas elevadas plantean sus propios problemas. Los fluidos de prueba de tensión superficial tenderán a degradarse más rápidamente a temperaturas elevadas.En cuanto a la HR, es mejor evitar la humedad excesiva, ya que puede causar una mayor variabilidad en los resultados de la prueba. Además, si hay algo de humedad en la superficie, se absorberá en la solución de prueba, cambiando su tensión superficial e invalidando la prueba. Especialmente los nylons pueden ser propensos a esto, ya que absorben el vapor de agua más fácilmente que la mayoría de los otros polímeros.

Pruebas eléctricas

Las pruebas de tensión superficial también son realizadas por laboratorios autorizados dentro del alcance de las pruebas eléctricas. En las pruebas de tensión superficial, los alambres de cobre se envuelven alrededor de tres muestras que se medirán 15 centímetros y se acondicionarán en el horno. Luego, utilizando conductores de cobre, se aplica tensión a la muestra y la resistencia de la superficie se mide después de un minuto.

La tensión superficial, se mide normalmente en dinas/cm

La fuerza que se requiere (en dinas) para romper una película de 1 cm. de longitud. Se puede establecer de forma equivalente la energía superficial en ergios por centímetro cuadrado. La tensión superficial depende de la naturaleza de cada líquido. A la tensión superficial se la define en física como la cantidad de energía necesaria para aumentar la superficie de un líquido y contrarrestar esa fuerza de atracción hacia el interior. El agua a 20°C tiene una tensión superficial de 72.8 dinas/cm comparada con 22.3 para el alcohol etílico y 465 para el mercurio.

Otros métodos

Medida de una fuerza

Método del anillo. El método del tensiómetro de Du Nouy consiste en medir la tensión superficial a partir de la fuerza necesaria para separar un anillo de la superficie del líquido. El anillo puede estar suspendido por medio de un brazo o una balanza, y suele utilizarse platino como material. Además debe estar completamente limpio para asegurar que repose plano sobre el líquido y presente una mínima rugosidad en él, es decir, que posea una superficie lo más perfecta posible. En el momento de ruptura de la superficie de contacto creada, la cual posee dos lados, el peso del líquido desprendido será igual al producto de la tensión superficial por dos veces el perímetro del círculo (superficie externa e interna). La mayoría de los últimos equipos diseñados para este método vienen ya calibrados y nos ofrecen los valores de tensión superficial de forma directa. Algunos más sofisticados llevan integrados también un sistema de control de temperatura.

Método de la placa (Whihelmy). Este método utiliza una placa geométrica rectangular geométricamente conocida y suspendida en una balanza de precisión. El lado inferior de la placa se pone en contacto (horizontalmente) con la superficie del líquido para que se moje. Posteriormente una fuerza vertical es ejercida sobre la placa para levantarla. Esta se levanta poco a poco creando una interfase curva a cada lado. Finalmente la placa se levanta hasta que se produce el arranque. Justo en el momento del arranque es cuando se puede realizar la medición de la tensión superficial mediante el equilibro de fuerzas entre las fuerzas de tensión que se aplican en una parte y en otra de la placa y el levantamiento. La placa, suele ser de platino y sus dimensiones son aproximadamente de 30 mm de largo (L) y 0,1 mm de espesor (e). La balanza en los casos manuales suele ser de torsión y provista de una palanca, en cambio, en los casos automáticos funciona a partir de un motor y un sistema registrador de fuerza. La limitación en este método reside en que en la práctica no podemos encontrar una precisión mejor que ± 0.2 dina/cm a no ser que se trabaje en una atmósfera inerte con precauciones extremas. Por ello, las balanzas utilizadas son por lo general balanzas económicas que dan el centigramo.

Otros métodos. Existen numerosos variantes a estos métodos explicados como los métodos del anillo y de la placa. Uno de ellos es el método del estribo que consiste en medir la fuerza de contacto trifásico de un segmento de alambre de platino ubicado horizontalmente. Puede considerarse una variante del método del anillo pero incluyendo la característica de prescindir de un ángulo de contacto 0. Otro método es el de la barra vertical de diámetro relativamente grande, la cual levanta un menisco al despegarse de la superficie. Es muy similar al método del anillo pero con las desventajas de tener una línea de contacto trifásico dos veces menor y un ángulo de contacto mucho más difícil de determinar.

Medida de una presión

Método de la elevación capilar. Esto métodos está basado en la ecuación de la capilaridad de Laplace, la cual nos indica que existe una diferencia de presión de parte y otra de una interfase. Este método consiste en introducir en el interior de un líquido un tubo capilar cuyas paredes sean mojables por él. El líquido asciende por el tubo formando un menisco cóncavo en la superficie líquido-aire debido a la diferencia de presión entre el líquido contenido en el recipiente y el que se encuentra en el interior del capilar. Esta diferencia de presión es la que provoca el ascenso del líquido en el interior del capilar que se detiene en el momento en que las presiones se igualan. La tensión superficial será mayor a medida que mayor sea la diferencia de presiones, es decir, a medida que más se eleve el líquido por el capilar.

Método de la presión de burbuja. Este método es una variante del anterior ya explicado, que consiste en meter un tubo dentro de un líquido inyectando un gas en su interior y generar así una burbuja. Se puede demostrar, que la presión pasa por un máximo cuando el diámetro de la burbuja iguala al diámetro del tubo capilar, de hecho si la burbuja sigue creciendo se despegará. Se podría afirmar que el gas tiene que vencer la presión capilar y la hidrostática. Es un buen método para la medición en línea en una planta industrial pero no se considera un método muy efectivo si nos referimos a entornos de ensayos en laboratorio. Además, nos encontramos un importante problema en cuanto a la determinación del radio exacto de mojabilidad debido al espesor no nulo de la pared del capilar, así como el radio de burbuja.

Deformación o medidas geométricas

Método de la gota giratoria. Este método consiste en colocar una gota de fluido menos denso dentro de un tubo lleno de líquido más denso y hacer girar el tubo sobre su eje, generando que la gravedad centrípeta exceda a la natural. Se obtiene un sistema en el cual el vector gravedad apunta del eje hacia la pared del tubo y en el cual, el sistema de gravedad hace que el fluido menos denso se reúna lo más cerca del eje posible resultando un alargamiento de la gota, mientras que a su vez la fuerza de tensión va a reducir el área interfacial de la gota produciendo un encogimiento. Se debe introducir un coeficiente de corrección derivado del efecto lupa producido por la pared del tubo, y estos deben presentar u espesor de pared rigurosamente constante para evitar cualquier tipo de deformación. Los grandes avances llevados a cabo en este método han hecho posible alcanzar propiedades de interés como la adsorción realizando una electroforesis de una burbuja atrapada en un tubo.

Método de la gota pendiente o colgante. Este método consiste en alojar una gota en un gotero produciéndose una geometría de equilibrio entre la fuerza de gravedad, la cual va a tender a estirar la gota y la fuerza de tensión, la cual tenderá a reducirla. Se considera un método bastante sencillo desde el punto de vista de que únicamente se necesita dos medidas geométricas de la gota. La mayor dificultad que presenta este análisis reside en conseguir una gota estable.

Método de la gota colocada o gota sésil. No en todos los casos es posible utilizar el método de la gota pendiente, ya que cuando la tensión es demasiado baja, la deformación gravitacional va a ser mucho más fuerte. En estos casos se utiliza este método que consiste en colocar una gota contra una superficie

sólida. Si la gota es suficientemente aplastada, entonces la curvatura de la extremidad superior o inferior (polo) es aproximadamente cero y la distancia h del polo al ecuador es independiente del diámetro de la gota. Para que la gota esté totalmente aplastada, la tensión debe de ser baja y la gota lo más pequeña posible o por el contrario la tensión alta y la gota relativamente grande. Por lo tanto el método es bastante apropiado para un rango amplio de tensiones. El requisito indispensable en este método es conseguir una superficie no mojada por el fluido de la gota. El aparato usualmente utilizado para llevar a cabo este método recibe el nombre de goniómetro. Este método será el que se utilice en el presente proyecto para la determinación de la tensión superficial en los adhesivos, por ellos más adelante se desarrollará su proceso experimental así como los distintos modelos o métodos matemáticos desarrollados a partir de él.