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Escrito por Dr. Amit Pratap Singh
Reseña escrita por Dr. Alidad Amirfazli
Revisado: 28
This is a practical guide to Surface Science for researchers working in the Consumer Products Industry.
En esta nueva guía aprenderás todo sobre:
Vamos a sumergirnos en ello.
Consumer products leverage diverse surface properties to achieve specific functionalities. Food packaging materials, for example, require water resistance, grease resistance, and antimicrobial properties to extend shelf life and minimize waste. To enhance clothing and textile durability and ease of care, fabrics are often treated for water resistance, stain resistance, and wrinkle resistance.
Non-stick cookware utilizes surface coatings to prevent food from sticking, even when cooked without oil or butter. Anti-scratch glasses are coated with a hard, durable material that resists scratches, extending their lifespan and maintaining their appearance. Windows benefit from a titanium dioxide coating that breaks down dirt and grime under sunlight, simplifying cleaning.
These examples showcase how manipulating surface characteristics allows for achieving desired outcomes across a wide range of consumer products.
We use the important surface properties below to understand the behavior of Consumer Products products and improve their quality.
Joven – Método Laplace
Método polinómico
Ángulo de contacto dinámico
Idealmente, cuando colocamos una gota sobre una superficie sólida, existe un ángulo único entre el líquido y la superficie sólida. Podemos calcular el valor de este ángulo de contacto ideal (el llamado ángulo de contacto de Young) utilizando la ecuación de Young. En la práctica, debido a la geometría de la superficie, la rugosidad, la heterogeneidad, la contaminación y la deformación, el valor del ángulo de contacto en una superficie no es necesariamente único, sino que se encuentra dentro de un rango. Llamamos a los límites superior e inferior de este rango el ángulo de contacto de avance y el ángulo de contacto de retroceso, respectivamente. Los valores de los ángulos de contacto de avance y retroceso para una superficie sólida también son muy sensibles. Pueden verse afectados por muchos parámetros, como la temperatura, la humedad, la homogeneidad y la contaminación diminuta de la superficie y el líquido. Por ejemplo, los ángulos de contacto de avance y retroceso de una superficie pueden diferir en diferentes ubicaciones.
Las superficies y los recubrimientos prácticos muestran naturalmente histéresis de ángulo de contacto, lo que indica un rango de valores de equilibrio. Cuando medimos ángulos de contacto estáticos, obtenemos un solo valor dentro de este rango. Confiar únicamente en mediciones estáticas plantea problemas, como una repetibilidad deficiente y una evaluación incompleta de la superficie con respecto a la adherencia, la limpieza, la rugosidad y la homogeneidad.
En aplicaciones prácticas, necesitamos comprender la facilidad de dispersión del líquido de una superficie (ángulo de avance) y la facilidad de eliminación (ángulo de retroceso), como en la pintura y la limpieza. La medición de los ángulos de avance y retroceso ofrece una visión holística de la interacción líquido-sólido, a diferencia de las mediciones estáticas, que arrojan un valor arbitrario dentro del rango.
Esta información es crucial para las superficies del mundo real con variaciones, rugosidad y dinámica, lo que ayuda a industrias como la cosmética, la ciencia de los materiales y la biotecnología a diseñar superficies efectivas y optimizar los procesos.
Aprenda cómo se realiza la medición del ángulo de contacto en nuestro tensiómetro
Para una comprensión más completa de la medición del ángulo de contacto, lea nuestra medición del ángulo de contacto: la guía definitiva
Esta propiedad mide la fuerza que actúa sobre la superficie de un líquido, con el objetivo de minimizar su superficie.
Tensión superficial dinámica
La tensión superficial dinámica difiere de la tensión superficial estática, que se refiere a la energía superficial por unidad de área (o fuerza que actúa por unidad de longitud a lo largo del borde de una superficie líquida).
La tensión superficial estática caracteriza el estado de equilibrio de la interfaz líquida, mientras que la tensión superficial dinámica explica la cinética de los cambios en la interfaz. Estos cambios podrían implicar la presencia de tensioactivos, aditivos o variaciones en la temperatura, la presión y la composición en la interfaz.
La tensión superficial dinámica es esencial para los procesos que implican cambios rápidos en la interfaz líquido-gas o líquido-líquido, como la formación de gotas y burbujas o la coalescencia (cambio de área superficial), el comportamiento de las espumas y el secado de pinturas (cambio de composición, por ejemplo, evaporación del solvente). Lo medimos analizando la forma de una gota colgante a lo largo del tiempo.
La tensión superficial dinámica se aplica a diversas industrias, incluidas las cosméticas, los recubrimientos, los productos farmacéuticos, la pintura, los alimentos y las bebidas, y los procesos industriales, donde la comprensión y el control del comportamiento de las interfaces líquidas son esenciales para la calidad del producto y la eficiencia del proceso.
Aprenda cómo se realiza la medición de la tensión superficial en nuestro tensiómetro
Para una comprensión más completa de la medición de la energía superficial, lea nuestra medición de la tensión superficial: la guía definitiva
Aprenda cómo se realiza la medición de la energía superficial en nuestro tensiómetro
Para una comprensión más completa de la medición de la energía superficial, lea nuestra medición de la energía superficial: la guía definitiva
El ángulo de deslizamiento mide el ángulo en el que una película líquida se desliza sobre una superficie sólida. Se emplea comúnmente para evaluar la resistencia al deslizamiento de una superficie.
Aprenda cómo se realiza la medición del ángulo de deslizamiento en nuestro tensiómetro
Para una comprensión más completa de la medición del ángulo de deslizamiento, lea nuestra medición del ángulo de deslizamiento: la guía definitiva
Within the Consumer Products industry, several case studies exemplify the advantages of conducting surface property measurements.
Fluctuating oil prices presented a major challenge for manufacturers who relied on oil-based adhesives. This forced them to seek alternative solutions. Researchers identified natural rubber latex (NRL) water-based adhesive as a promising alternative. To ensure its successful implementation, they investigated the peel and holding strengths of various paper backings on stainless steel and glass substrates. Through surface energy and contact angle experiments on different backing papers, they discovered that mahjong paper had the highest surface energy (59.50 mN/m), making it an ideal substrate for optimal adhesive wetting.
Challenge: Food products sticking to their packaging can increase the risk of harmful package compounds migrating into the food or unwanted off-flavors being absorbed.
Solution: Researchers identified that to address this, packaging films need to be both hydrophobic (water-repelling) and have low surface energy. However, the same film also needs to adhere well to the outer layer of the packaging. Therefore, to improve adherence to other plastic layers, they decided to increase the surface energy of the packaging film. They employed the widely used corona discharge treatment (CDT) for this purpose. To assess the level of adhesion achieved, the R&D team measured the contact angle of the treated film, which helps determine how much the surface energy has increased by introducing polar groups to the surface.
An eyewear company faced a fogging problem with their sports goggles, hindering athletes’ visibility during activities. To combat this, they actively developed hydrophobic coatings using contact angle measurements. Their aim was to achieve an optimal angle that minimized water adhesion, the key factor in fog formation. By minimizing adhesion, they successfully created anti-fog eyewear, significantly improving user experience across various sports.
PDMS, despite being hydrophobic, surprisingly absorbs up to ~30 mM of water upon contact. Researchers addressed this challenge by measuring advancing and receding contact angles of water droplets on cross-linked PDMS. They discovered that PDMS adapts to water by enriching the interface with free oligomers, leading to a net decrease in surface tension. This crucial information helps us develop strategies to minimize water affinity and improve the performance of PDMS materials.
To address the challenge of poor adhesion, the screen protector manufacturer’s technical team actively measured the surface energy of different materials. This allowed them to select materials with compatible surface energies, ensuring strong adhesion between the screen and the protector. This proactive approach significantly enhanced the reliability of their screen protectors, directly meeting consumer expectations for durable and long-lasting device protection.
Si está interesado en implementar estas u otras aplicaciones, póngase en contacto con nosotros.
In an industry where precision reigns supreme, where do Consumer Products manufacturers turn to ensure their products can survive scrutiny? The answer lies in standards and guidelines: the compass that guides cosmetics manufacturers through the complex maze of quality and performance.
This standard explains the contact angle measurement on a drop of liquid which is applied to a coated surface, substrate, or preformed disk of pigment. It is notable that this standard is only applicable to advancing contact angles. This standard can be utilized for characterizing the wettability of surfaces.
ASTM D5946-17 Standard Test Method for Corona-Treated Polymer Films Using Water Contact Angle Measurements
This standard is identical to ISO 15989. This test method explains the contact angle measurement of water droplets on corona-treated polymer film surfaces. The electrical discharge treatment, such as corona treatment increases the wetting tension of a polymer film. Therefore it is possible to relate the contact angle of a polymer film surface to its ability to accept and retain inks, coatings, adhesives, etc.
Plastics/rubber (Polymer dispersions and rubber latices (natural and synthetic)) Determination of surface tension: This standard provides the method for surface tension measurements of polymer dispersions and rubber latices (natural and synthetic). The standard offers two methods for surface tension determination named Method A and Method B.
Esperamos que esta guía te haya enseñado cómo aplicar la ciencia de superficies en la industria cosmética.
Ahora nos gustaría entregárselo a usted:
Droplet Lab fue fundado en 2016 por el Dr. Alidad Amirfazli, miembro de la facultad de la Universidad de York, y dos de sus investigadores, el Dr. Huanchen Chen y el Dr. Jesús L. Muros-Cobos.
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