接触角計とは
接触角計とは、ある固体の表面に滴下された液滴の、固体表面との接触角を評価する装置のことです。
ぬれ性の評価における接触角とは、固体の表面と液滴が成す角度のことで、材料のぬれ性を表す数値として使われます。ぬれ性とは、固体表面と液体との接触に関する相性を数値で表現したものです。
私たちの日常生活においては、例えば防水性に優れたレインコートや雨傘の表面などは、水をよく弾きます。逆に塗装作業においては、塗料が塗装面で弾かれることなく広がることが、塗装作業を効率的に行う上で欠かせません。
また、建物の外壁塗装においては、乾燥後の塗料表面が雨水を流れやすい状態にすることによって、外壁の汚れを落としやすくする効果を狙った製品もあります。
接触角計の使用用途
接触角計は、さまざまな工業製品の撥水や防水性能、逆に親水性能を表すために用いられます。なお、液体が固体表面で弾かれる状態をぬれ性が低い、逆に液体が固体表面上に広がりやすい状態をぬれ性が高いと言います。
ぬれ性が低いと接触角は大きく、ぬれ性が低いと接触角は小さくなります。
1. 接触角洗浄評価
清浄度が製品の特性や品質に大きな影響を与えるような場合には、接触角によって比較的容易で安価に清浄度を評価できます。具体的には、シリコンウェハ、半導体、ガラス基板、電子部品、液晶ガラスなどの製造において用いられます。
2. 接触角ぬれ性評価
塗装などにおいては、塗料と塗装する材料との密着性が重要になります。接触角によって、塗料ののりの良さを評価します。インク、塗料、塗布工程などが評価対象です。
建物の外壁塗料でも、建物の汚れにくさを評価する指標として使われ、ぬれ性が良いと汚れは雨と一緒に流れ落とされます。
3. 接触角疎水性評価
防水性が必要な製品においては、接触角によって水をどれだけ弾くことができるかを評価します。例えば、撥水剤、ワックス、防水コーティング、レインウェアなどが挙げられます。
4. 接触角接着性評価
接着や隙間を埋めるシール部材において、母材との相性を評価します。封し、密着性、シール性、塗布工程の評価として行われます。
5. 接触角洗浄度コンタミネーション評価
クリーンルームなどの清浄度の評価として、接触角の測定が行われます。
6. 接触角表面改質評価
UVO3、プラズマ、コロナ放電などの表面改質における工程の評価として、接触角が用いられます。
接触角計の原理
接触角計では実際に対象となる基板表面上に液体を滴下して、滴下した液滴を真横からカメラで撮影し、液滴の形状から接触角を判断します。接触角の定義をそのまま実験し、画像から判断する比較的原始的な方法です。
評価する試料のぬれ性が大きい場合、基板上の液滴はつぶれて広がった形状になり、接触角は小さくなります。一方で、ぬれ性が小さい場合、基板上の液滴は球状を維持し、接触角は大きくなります。
なお、ぬれ性には液体の表面張力、固体の表面張力、液体と固体間の界面張力が関わっており、その関係性を示すのがヤングの式です。
γs = γlcosθ + γsl
γs: 固体の表面張力、γl: 液体の表面張力、γsl: 固体液体間の界面張力、θ: 接触角
接触角計の構造
接触角計は液滴を作製するディスペンサー、界面を観察するための光源とCCDカメラ、基板を設置する試料ステージなどから構成されています。また、後述する動的接触角を測るためには、装置全体や試料ステージを傾ける滑落ユニットを装着します。
接触角計のその他情報
1. 接触角の種類
接触角には「静的接触角」と「動的接触角」があります。撥水性のある材料に滴下された液滴は、高さや接触半径などの形状は緩仲に変化していき、安定しているわけではありません。着滴してから1~数秒後における接触角が、「静的接触角」と見なされることが一般的です。
また、評価材の表面に液滴が滴下された後、評価材を傾けていくと液滴は表面を滑り始めます。液滴が滑り始めた瞬間の角度を滑落角、または転落角といい、液滴が落下していく方向の接触角を前進接触角、反対側を後退接触角と呼び、いずれも動的接触角といいます。
2. 接触角の測定方法
接触角計は、試料表面上に実際に滴下された液体の形状から接触角度を読み取りますが、いくつかの測定方法があります。
液滴法
液滴法は静的接触角を評価するための基本となる方法です。試験表面に対してディスペンサーで液体を滴下し、真横から液滴の形状を画像として取得して液滴の接触角度を算出します。
拡張収縮法
拡張収縮法は、液体を吐出したり吸引を繰り返しながら画像を撮影します。接触角は動的接触角として、前進接触角、後退接触角が求められます。
滑落法
滑落法はまず水平な固体の試料表面に液体を滴下し、その後試料ステージを傾斜させ、滑落角と動的接触角を求める試験方法です。
参考文献
https://www.iri-tokyo.jp/uploaded/attachment/1922.pdf
http://www.aichi-inst.jp/other/up_docs/no122_04.pdf
https://www.jstage.jst.go.jp/article/sfj/60/1/60_1_21/_pdf
https://www.face-kyowa.co.jp/science/theory/what_contact_angle.html