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Tensione superficiale ed energia superficiale

La tensione e l’energia superficiale sono due valori di fondamentale importanza per la risoluzione dei problemi di adesione.

Tensione superficiale

Effettuare una corretta analisi della tensione superficiale è risolutivo in numerosi ambiti di applicazione: elettronica, stampaggio, verniciatura, industria farmaceutica, petrolchimica, chimica, tessile, cosmetica, alimentare, ottica, automobilistica e packaging.

Per comprendere il concetto di tensione superficiale, è utile l’esempio di un bicchiere mezzo pieno di acqua.

  • Al di sotto della superficie del fluido, ciascuna molecola è completamente circondata dalle altre molecole di acqua che tendono ad attrarla. La molecola risente di forze attrattive in tutte le direzioni e la forza risultante esercitata su tale molecola è pari a zero.
  • La molecola di acqua in superficie, invece, è attratta dalle altre molecole di acqua solo nella parte sottostante del fluido e allo stesso livello, mentre al di sopra è circondata da molecole di aria. In questo caso la forza esercitata sulla molecola è diversa da zero in quanto è naturalmente attratta verso l’interno.

Se versiamo una goccia d’acqua molto piccola su un piano, tende ad assumere una forma sferica: questa forma è la conseguenza dell’azione della forza di coesione fra molecole. Come già specificato, mentre le molecole all’interno del liquido sono attratte in tutte le direzioni da altre molecole, quelle poste sulla superficie sono attratte solo dalle molecole sottostanti, venendo quindi richiamate verso il centro, ed ecco spiegata la forma sferica.

L’esempio aiuta a capire che, per portare una molecola dall’interno verso la superficie, è necessario contrastare la forza che la attrae verso l’interno fornendo energia.

Energia di superficie

A differenza dei liquidi, i solidi non sono in grado di mutare la propria forma, ma possono influenzare il modo in cui i liquidi interagiscono con la loro superficie. Per energia superficiale si intende la misura in cui un solido permette a una sostanza liquida di aderire alla propria superficie.

I materiali possono avere energia libera superficiale alta, bassa o bassissima. Materiali come metalli, ossidi metallici o vetro hanno energie superficiali alte; invece, la maggior parte dei polimeri e dei materiali plastici in generale ha un valore di energia libera superficiale più basso.

Molecole disperse e molecole polari

Mettere a contatto un liquido con una superficie solida significa osservare l’interazione fra molecole disperse e molecole polari. Una diversa proporzione tra il numero di molecole disperse e quello di molecole polari modifica completamente il risultato del contatto di un solido con liquidi diversi.

Ad esempio, se versiamo olio su una padella antiaderente di teflon (il nome commerciale del politetrafluoroetilene), questo si cosparge sulla superficie della padella rapidamente e in modo uniforme, perché la composizione dei due elementi favorisce la formazione di un legame chimico. Al contrario, se versiamo acqua sulla stessa padella, notiamo che il liquido si contrae, formando delle goccioline. Questo fenomeno è prodotto dalla difficoltà che teflon e acqua incontrano nell’interagire, essendo due elementi dalla composizione diversa (uno caratterizzato da molecole disperse, l’altro da molecole polari).

Tensione superficiale ed energia superficiale sono correlati fra di loro dalla Regola di Dupré, che stabilisce che:

  • se la tensione superficiale di un liquido è più bassa dell’energia superficiale del solido su cui va applicato, la sostanza liquida aderisce al solido
  • se l’energia superficiale è più bassa della tensione superficiale, il liquido non riesce ad aderire alla superficie solida.

È in questo contesto che si inseriscono il trattamento Corona e il trattamento Plasma che permettono di aumentare l’energia superficiale delle superfici favorendo la capacità di un liquido di stendersi completamente su una superficie piana e orizzontale, allo scopo di migliorarne l’adesione.