基礎技術解説濡れ・気泡・付着・表面処理

接触角をエネルギー的に解析する

濡れを考える場合、液滴の接触角はよく用いられる手法である。この接触角θとはどのような意味を持っているのだろうか?あるいは、どのように使うべきなのか?ここでは、基本原理に立ち返り、本質的な接触角の特性を考える。さて、濡れは面と面との接触における基本概念であり、コーティングや材料合成分野でも重要となる。濡れの概念は液体だけでなく、固体や膜表面においても共通の概念である。材料科学では、濡れと乾燥は、大きいエネルギー変化を伴う現象として理解できる。濡れは熱力学的な平衡状態に基づき基礎理論が構築されている。ここでは、平面での液滴の濡れ挙動を示す基本式として、Youngの式とDupreの式について述べる。

液滴の接触角と中心角
液滴の接触角と中心角

固体基板上での液滴の濡れ性を表す指標に、接触角θがある。接触角法は、測定が簡単であり、汎用性の高い測定法の一つである。液滴の接触角は、接触角計(ゴニオメーター)で測定できる。最近は高精度のマイクロスコープが登場しているため、これを用いた投影測定で十分である。接触角計の誤差は1度以下であり、測定者の差が出にくい長所がある。液滴の接触角は、右図にあるように、液滴を球の一部として仮定した場合、立体球の中心角の半分に相当する。熱力学な定義では、この液滴球の中心角としての定義が本質であり、下図(a)にあるような実験的に得られる接触角は、幾何学的に等価な角度にすぎない。固体平面での濡れ性を表す関係式に、以下のYoungの式がある。

γSV = γLS + γLV cosθ ; cosθ=(γSV - γLS)/ γLV (1)

液滴の接触角とYoungの式
液滴の接触角とYoungの式

上図(b)にあるように、Youngの式は、固相(S)、液相(L)、気相(V)の3重点において、液滴と固体の表面エネルギーγLV、γSVと液滴と固体間の界面エネルギーγLSで表される。これらは物質の表面有する単位表面積あたりのエネルギー(J/m2)として表される。このときのVはvapor(蒸気)を表しており、接触角測定は液滴の飽和蒸気圧下で行うことを意味している。これは、接触角の経時変化において大きく影響することになる。Youngの式を、3重点における力学的な釣り合いの式として説明する著述が見られるが、これは正しくない。Youngの式は、液滴球の中心角を基本とした表面積および界面積の導出と、各エネルギーのバランスに基づいて導出される。ここで、親水性(θ=0度、cosθ=1)と疎水性(θ=90度、cosθ=0)表面を考える。θ=0度とは、γSV=γLV(ただしγLS=0)となり、これは親水性を示している。この式から、親水性表面を得るには、基板と液滴の表面エネルギーを近づけるとともに、界面エネルギーを最小にすることが必要である。いわゆる同じ材質同士であれば良く濡れることを表している。逆に、θ=90度とは、(γSV-γLS)<<γLVとなることであり、これは疎水性の濡れ性を示している。疎水性表面を得るには、液体の表面エネルギーを固体よりもできるだけ大きくし、界面エネルギーも増大することが必要となる。Youngの式から、表面エネルギーが同じ値の表面間の組合せであっても、接触角はゼロにならないことが分かる。これは界面エネルギーがゼロではないからである。界面エネルギーをゼロにするには、各物質の表面エネルギーが等しいだけでは不十分である。このためには、表面エネルギーの成分(分散、極性)を等しくすることが必要となる。これら成分の取り扱いについては後述する。以上のように、Youngの式を用いることで、身近な濡れ性を説明することができる。

界面での液滴の濡れ性を議論する上で重要な関係式として、以下のDupreの式がある。

この続きは、お問い合わせください。

以下のような図表や解説が続きます。

  • [図] 固液界面におけるDupreの式
  • [表] 液滴の接触角と濡れ仕事との相関

お問い合わせフォーム

ページのトップへ戻る