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UNLu-Dto. De Ciencias Básicas-Química Industrial (Cod.18192)-TP 01-hoja 1 de 5

Universidad Nacional de Luján, Dto. de Ciencias Básicas

QUÍMICA INDUSTRIAL (Cod. 10892)CURSO 2012

TP N° 1: TENSIÓN SUPERFICIAL.

1. Objetivo.

Determinar tensión de humedecimiento en distintos materiales poliméricos aplicando la normaASTM D 2578 – 04

2. Introducción.

Al buscar una explicación a nivel sub-microscópico del fenómeno de la tensión superficial,aceptamos en primer lugar que a que a causa de las fuerzas de van der Waals las moléculas queestán en contacto con sus vecinas están en un estado menor de energía que las que estánaisladas: para evaporar un líquido es necesario entregarle energía al sistema.

Porque mientras que en un líquido las moléculas interiores tienentodas las moléculas vecinas que podrían tener, las partículas delcontorno (su interfase), tienen menos partículas vecinas y enconsecuencia un estado más alto de energía. Energéticamente, lasmoléculas situadas en la superficie tienen una mayor energía

promedio que las situadas en el interior.Puesto que todo sistema tiende a disminuir la energía total, tenderá espontáneamente adisminuir el número de moléculas situadas en la superficie, de ahí la reducción de área hasta elmínimo posible. Como resultado, asumirá la forma más suave.Observamos como propiedad macroscópica que los el líquidos ofrecen resistencia paraaumentar el valor del área de su superficie. Llamamos tensión superficial de un líquido a lacantidad de energía necesaria para aumentar la extensión de su superficie en una unidad deárea. La tensión superficial suele representarse mediante la letra γ (gamma), y sus unidadesson N·m-1=J·m-2.

La tensión superficial permite a algunos insectos,

como el “zapatero” (Gerris lacustris), desplazarsepor la superficie del agua sin hundirse ó puedeafectar a objetos de mayor tamaño impidiendo,por ejemplo, el hundimiento de una flor.Estos fenómenos se deben a que el líquido seresiste a aumentar la extensión de la superficiede la interfase líquido-vapor, que se comportacomo una membrana.




3. Algunas propiedades de la tensión superficial (γ γγ γ ).

-Essiempreγ > 0, ya que para aumentar el área superficial hace falta llevar más moléculas a lasuperficie, con lo cual aumenta la energía del sistema.

- El valor de γ depende de la magnitud de las fuerzas intermoleculares en el seno del líquido.De esta forma, cuanto mayor sean las fuerzas de cohesión del líquido, mayor será su tensiónsuperficial. Podemos ilustrar este ejemplo considerando tres líquidos: hexano, agua y mercurio.En el caso del hexano, las fuerzas intermoleculares son de tipo fuerzas de Van der Waals dedispersión o de London; el agua tiene interacciones de puente de hidrógeno, de mayorintensidad; y el mercurio está sometido al enlace metálico, la más intensa de las tres. Así, la γ crece del hexano al mercurio.

- Para un líquido dado, el valor de γ disminuye con la temperatura, debido al aumento de laagitación térmica, lo que redunda en una menor intensidad efectiva de las fuerzasintermoleculares. El valor de γ tiende a cero conforme la temperatura se aproxima a latemperatura crítica Tc del compuesto. En este punto, el líquido es indistinguible del vapor,formándose una fase continua donde no existe una superficie definida entre ambos.

- Se llama ángulo de humectancia al que forma la superficie de un líquido al entrar en contactocon un sólido. El valor de este ángulo de contacto depende principalmente de la relación queexiste entre las fuerzas cohesivas del líquido y las fuerzas adhesivas entre el líquido y elsólido. Cuando las fuerzas adhesivas con la superficie del sólido son muy grandes en relación alas fuerzas cohesivas, el ángulo de humectancia es reducido, teniendo como resultado que ellíquido moja la superficie.

Consideremos un líquido que ha caído sobre una superficie sólida: si es atraído fuertemente porla superficie sólida (por ejemplo agua sobre un sólido hidrófilo) la gota se extenderá

completamente por el sólido y el ángulo de contacta será aproximadamente 0º. Para los sólidosque no atraigan tan fuertemente al líquido, el ángulo de contacto puede variar entre 0º y 30º.Si la superficie del sólido no interactúa con el líquido el ángulo de contacto será mayor (90º-150º) e incluso cercano a 180º. En estos casos el líquido reposa sobre la superficie, sinextenderse sobre ella. Ejemplo: el agua cuando no moja, cuando se observa el denominado“efecto Lotus” debido a que esa planta tiene hojas que desarrollan esta habilidad mediantepequeñas protuberancias. Al disminuir el área de contacto y ofrecer sólo interacciones dedispersión, se comportan como superhidrófobas

- La descripción teórica del ángulo de humectancia (θ) apareció como la consideración del

equilibrio termodinámico de tres fases: la fase líquida de la gota (L), la fase sólida de lasuperficie (S) y la fase gas del aire del ambiente (V), que es una mezcla de la atmósfera




ambiente y una concentración equilibrada de vapor del líquido o incluso ser otro líquidoinmiscible.En equilibrio, el potencial químico en las tres fases deberá ser igual. Sin embargo esconveniente enmarcar la discusión en términos de energías intersuperficiales (interfaciales) .Si definimos la energía intersuperficial sólido-vapor como γ SV, la energía sólido-líquido como

γ SL y la energía líquido-vapor (véase tensión superficial) como γ LV, podemos escribir unaecuación que pueda satisfacer el equilibrio (conocida como la ecuación de Young):

γ SV = γ SL + γ LV cos θ

Tabla 1: Tensiones superficiales de varios líquidos a 20 °C:

Material Tensión Superficial(10-3 N/m)

Éter etílico 17.01

Hexano 18.43

Metanol 22.61

Alcohol etílico 22.75Acetona 23.70

Acetato de etilo 23.90

Tetracloruro de Carbono 26.95

Tolueno 28.50Benceno 28.85

Etilenglicol-mono-etil éter 30.00

Formamida 56.00

Agua 72.75

4. Soluciones para medir la tensión superficial de superficies de plásticos poliméricos.

Para que los materiales plásticos posean una cierta adherencia o pueda imprimirse sobre ellos,deben ser tratados de tal forma que la tensión superficial del área a imprimir alcance undeterminado nivel mínimo.Los plásticos poliméricos con una tensión superficial de 37 dinas/cm tienen dificultades deunión. Los polímeros de etileno o polipropileno sin tratar poseen una tensión superficialaproximada de 30 dinas/cm, deben ser tratados de modo de alcanzar un valor aproximado de38-40 dinas/cm para poder ser impresos con tinta a base de solvente, o de 42-44 dinas/cmpara poder ser impresos con tinta a base de agua. Sin embargo, para muchas aplicaciones decubrimiento o adhesión se requieren superficies con una tensión superficial de 48 a 56

dinas/cm.




El procedimiento de la norma ASTM D2578 cubre la medición de la tensión superficial devarios sustratos poliméricos usando en presencia de aire diferentes soluciones que abarcan unrango de valores de tensión superficial de 30 a 56 dinas/cm.El ensayo es sencillo: se debe pintar la superficie a testear con unasolución de tensión superficial conocida.

Si la solución moja la superficie sin abrirse en gotas durante los dosprimeros segundos posteriores a la aplicación, el nivel de tensiónalcanzado por el tratamiento es mayor o igual al de la solución de ensayo.

5. Reactivos y materiales.

FormamidaEtilcellosolveHisopos de algodón

2 buretas de 10 ó 25 mLMateriales plásticos: polietileno, prolipropileno, botellas de diferentes materiales plásticos,etc.

Recipientes herméticos para almacenar las soluciones de testeo.

6. Procedimiento.

- Seleccionar y/ó recortar las áreas de las superficies a testear (6 a 9 cm2).

- Preparar soluciones con las proporciones en volumen de formamida y etilcellosolvecorrespondientes para obtener un rango variable de tensiones superficiales entre 30 y 56

dinas/cm2

(ver tabla 2, donde se describe la proporción de cada sustancia y la tensiónsuperficial resultante de cada mezcla).

Tabla 2 : Tensión superficial en dinas/cm2 @ 23+2°C y 50+5 % humedad relativa

N° Formamida(mL)

Etilcellosolve(mL)

Tensión superficial(dinas/cm2)

1 0 100 302 2,5 97.5 313 19 81 334 35 65 355 54 46 386 71.5 28.5 427 78 22 448 83 17 469 87 13 4810 96.5 3.5 5411 99 1 56

- Preparar hisopos de algodón limpios en cantidad suficiente como para testear cuatrosoluciones por cada material elegido. Es muy importante tener en cuenta que cada vez que se

testea, el hisopo y la superficie deben estar limpios para asegurar que los resultados obtenidosse deben a la interacción entre la solución y el material testeado y no a posibles interferencias




producidas por impurezas.- Sumergir un hisopo de algodón limpio en la solución de testeo cuya tensión superficial seconoce, y trazar sobre el plástico una línea gruesa de varios (3-5) centímetros de largo paradejar un área mojada.- Esperar dos segundos, observar el comportamiento del líquido e interpretar los resultados

como sigue:i. Si el líquido forma gotas o retículos con rapidez, la energía de superficie del plástico esmenor a la del líquido usado para la prueba. El plástico no ha sido tratado paraalcanzar el nivel de energía de superficie.

ii. Si el líquido continúa disperso en una película continua, formando, sin embargo, algunosretículos o fuerza repelente en los bordes, el plástico ha sido tratado a un nivelligeramente por debajo del nivel del líquido.

iii. Si el líquido moja uniformemente y conserva una consistencia de película continua sinformar retículos, la energía de superficie del plástico es igual o mayor que la dellíquido.

-Anotar los resultados obtenidos para cada material y cada solución clasificando según elcomportamiento descrito en el punto anterior (categoría i, ii ó iii)

- Anotar en la tabla 3 la descripción del material testeado y las soluciones usadas en cadamaterial según la tabla 1 con tensión superficial conocida. En el cuadro que queda comointersección del para material/solución anotar los resultados según el comportamientoobservado. De acuerdo a los resultados obtenidos decidir la tensión superficial correspondientea cada material ensayado.

Observaciones a tener en cuenta:

No repetir el ensayo en una superficie ya probada.No mojar demasiado el aplicador ya que se puede obtener un resultado erróneo.Para mayor precisión, se debe comenzar aplicando una solución que esté en el medio delrango de ensayo (es decir, 38 dinas/cm).

Tabla 3: Resultados de cada alumno ó grupo de alumnos.

Fecha:Apellido y Nombre/s:

Materialtesteadoγ de la solución

de testeoi ii iii

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