La tensiometria è una tecnica utilizzata per la caratterizzazione delle proprietà fisiche superficiali. Tra gli aspetti che sono principalmente investigati si trovano:
Tensione superficiale e interfacciale
La tensione superficiale è una misura dell’energia coesiva presente in un’interfaccia. In un liquido le molecole si attraggono a vicenda e le interazioni di una molecola nella massa di un liquido sono bilanciate da una forza attrattiva uguale in tutte le direzioni. Le molecole sulla superficie di un liquido invece sperimentano uno squilibrio di forze. L’interfaccia aria/acqua (e altre interfacce gas-liquido) possiede un eccesso di energia libera che deriva dalla differenza di ambiente tra le molecole della superficie e quelle della massa. Questa energia libera interfacciale è responsabile della tensione superficiale.
Mentre la tensione superficiale è una proprietà del liquido e si misura tra l’interfaccia gas-liquido (tipicamente aria-liquido), la tensione interfacciale è simile ma tra liquido-liquido o tra liquido-solido.
La tensione superficiale e quella interfacciale sono di solito presentate con il simbolo σ e si misurano con la forza per unità di lunghezza. La sua unità di misura SI è mN/m, che equivale all’unità di misura cgs spesso utilizzata dynes/cm.
Angolo di contatto
La misura dell’angolo di contatto, θ, è il metodo più comune per quantificare la bagnabilità di un solido da parte di un liquido. L’angolo di contatto è definito come l’angolo formato da una goccia di liquido depositata sulla superficie di interesse, nel punto in cui le tre fasi (solido, liquido e gas) si incontrano, detto anche punto di confine trifasico. La nota equazione di Young descrive l’equilibrio al contatto trifase di solido-liquido e gas.
γsv = γsl + γlv cos θY
In genere, un angolo di contatto misurato inferiore a 90° corrisponde a un’elevata bagnabilità (superfici idrofila nel caso dell’acqua), mentre un angolo di contatto superiore a 90° corrisponde a una bassa bagnabilità (superfici idrofobiche nel caso dell’acqua). Sono utilizzati diversi approcci per misurare questa proprietà, tra cui troviamo angolo di contatto statico (sessile drop), angolo di contatto dinamico e angolo roll-off. Inoltre, con i tensiometri ottici è possibile ottenere il valore dell’angolo di contatto corretto per la rugosità.
La relazione tra rugosità e bagnabilità è stata definita nel 1936 da Wenzel, secondo il quale l’aggiunta di rugosità superficiale aumenta la bagnabilità causata dalla chimica della superficie. Ad esempio, se la superficie è chimicamente idrofobica, diventerà ancora più idrofobica quando viene aggiunta la rugosità superficiale. La rugosità su micro e nanoscala influisce sulla bagnabilità delle superfici.
Energia libera superficiale (SFE)
Un’importante applicazione della misura dell’angolo di contatto è la determinazione dell’energia libera superficiale di una superficie solida, che può essere considerata come la tensione superficiale di un solido. L’unità di misura dell’energia libera superficiale è mN/m, che equivale a dynes/cm. L’energia libera superficiale, o in breve SFE, deriva dalle interazioni molecolari all’interfaccia aria-solido. Le interazioni tra solido e liquido sono importanti in molti processi, poiché determinano l’adesione tra le due fasi. Le interazioni solido-liquido sono determinate dall’energia libera superficiale del solido e dalla tensione superficiale del liquido applicato. Quando l’energia libera superficiale del solido è elevata, di solito è facilmente bagnabile da qualsiasi liquido.
L’energia libera superficiale determina il comportamento del solido a contatto con altri materiali. Da un punto di vista termodinamico, i materiali ad alta energia libera superficiale non sono stabili ed è necessario ridurla al minimo. Ad esempio, molti metalli, come l’alluminio, a contatto con l’aria (o con un’altra atmosfera contenente ossigeno) sviluppano immediatamente un sottile strato di ossido per minimizzare l’energia libera superficiale.
Concentrazione critica micellare (CMC)
In vari ambiti, dall’alimentare al cosmetico, alle formulazioni vengono aggiunti dei tensioattivi per diminuire la tensione superficiale della miscela. I tensioattivi sono molecole anfifiliche, hanno parti idrofobe e idrofile, e presentano determinati orientamenti molecolari alle interfacce aria-acqua. Quando queste molecole vengono introdotte nell’acqua, la “testa” idrofila della molecola rimane nell’acqua mentre le “code” idrofobe sono fuori dall’acqua, nell’aria. Se il tensioattivo viene aggiunto alle formulazioni a concentrazioni sempre più elevate, alla fine la superficie raggiungerà un punto di saturazione e le molecole di tensioattivo inizieranno a formare micelle. Questo punto è chiamato concentrazione critica di micelle (CMC) e viene quantificato mediante la tensiometria a forza, misurando la tensione superficiale in funzione della concentrazione di tensioattivo.
Reologia interfacciale
La reologia interfacciale studia le proprietà reologiche delle interfacce. Quando sono presenti molecole attive in superficie, tendono ad adsorbire nelle interfacce aria-liquido o liquido-liquido formando uno strato interfacciale. La reologia interfacciale studia le proprietà di questo strato interfacciale, come l’elasticità e la viscosità interfacciale. Queste proprietà sono importanti in molti prodotti industriali come le emulsioni.
La tensiometria è una tecnica utilizzata in svariati settori, sia nella ricerca e sviluppo in ambito accademico e industriale sia nel controllo qualità. Le applicazioni comprendono la previsione dell’adesione, i test di bagnabilità, la valutazione dei trattamenti e dei rivestimenti superficiali, l’analisi della pulizia delle superfici, anche seguendo diversi standard industriali (ISO, ASTM, IEC, ecc.) relativi alle proprietà dei liquidi.
Lo strumento utilizzato è il tensiometro e, a seconda del principio di misura utilizzato e del parametro investigato, può essere di due tipologie: tensiometro ottico e tensiometro a forza.
Tensiometro ottico
Il tensiometro ottico è lo strumento più comunemente utilizzato per determinare l’angolo di contatto di una goccia liquida depositata su una superficie di interesse per caratterizzarne le proprietà superficiali. Altri parametri che forniscono dati fondamentali per comprendere le interazioni liquido-solido sono la misura dell’energia libera superficiale, la tensione superficiale e interfacciale, la reologia dilatativa interfacciale.
I componenti principali di un tensiometro ottico sono uno o più dosatori di liquidi, un portacampione, una telecamera e una sorgente di luce/retroilluminazione. L’immagine della goccia del liquido di interesse viene raccolta ed elaborata con opportuni algoritmi al fine di ricavare le diverse proprietà superficiali investigate.
Tensiometro a forza
Il tensiometro di forza permette di misurare la tensione superficiale e la tensione interfacciale dei liquidi che possono essere utilizzate per determinare gli angoli di contatto dinamici, l’energia libera superficiale e la forza di adesione. La tensiometria di forza può anche caratterizzare altre proprietà, tra cui la bagnabilità di polveri, la densità, la concentrazione critica di micelle.
I componenti di un tensiometro di forza sono una (micro-)bilancia, un portacampione e una sonda, come ad esempio il piatto di Wilhelmy o l’anello di Du Noüy.
Un campione solido o una sonda, attaccati alla testa del tensiometro dove è posta la bilancia, vengono poste a contatto con un liquido di interesse. La sonda viene immersa nel recipiente del liquido e successivamente ritirata, formando un menisco. Le proprietà superficiali sono ricavate elaborando i valori di forza esercitata sul campione solido o sulla sonda dal liquido.
