接触角とぬれ性とは

接触角とは、固体の上に落とした液体が形成する角度を指し、ぬれ性を評価する上での一つの指標となります。

ぬれ性は、液体や固体の界面でみられる現象です。ぬれ性の程度を判断する方法は複数ありますが、固体に液体を落として液滴を水平方向から観察することで簡単に判断できます。この場合、液滴が横に広がっていればぬれが良いと判断でき、逆に液滴が丸まっていればぬれが悪いと判断できます。

接触角をつくる表面張力

接触角は、固体と液体の表面張力及び界面張力で決まります。具体的には、液体と固体それぞれの表面張力γL、γSと、液体または固体間の界面張力γSLのバランスで接触角が決まります。これらのバランスは、イギリスの物理学者であるトマス・ヤングが提唱した式である「youngの式」として広く知られています。

γS=γL・ Cosθ+γSL (youngの式)

なお、表面張力とは、液面を縮めようとする力です。身近な力で例を挙げると、コップに縁のギリギリまで水を入れると一定量までであれば水面が浮き上がります。この力が「表面張力」です。
表面張力は力を長さで割ることで求められ、単位はmN/m（ミリニュートン毎メートル）です。

接触角を測る接触角計の基本的な仕組み

接触角を測定する簡単な方法は接触角計を用いる方法です。接触角計を用いる場合は、液滴に照明を当ててその反対側からカメラで捉え、画像解析することで接触角を計測します。

接触角計は、メーカーごとに仕組みが異なりますが、基本的にはカメラで捉えた画像をソフトウェアで解析する仕組みがほとんどです。画像解析した接触角の計算方法も製品ごとに異なりますが、前述したyoungの式を用いる製品が多い傾向にあります。

なお、株式会社マツボーでは手軽に接触角を測れるモバイル接触角計を販売しております。
接触角計をお探しの場合はぜひ弊社の製品をご利用ください。

接触角の主な用途

ここまで接触角の概要を詳しく解説してきましたが、接触角はどのような目的で計算されるのでしょうか。ここからは、静的接触角と動的接触角それぞれの用途について見ていきましょう。

まず、表面層が1〜2nmである静的接触角の主な用途は以下の通りです。
・接着剤や塗料またはフィルムのぬれ性の数値化
・車のフロントガラスの評価
・紙や錠剤の浸透吸収性 など

次に、動的接触角の主な用途は以下の通りです。
・雨具やスポーツウェアなどの液除去性
・屋外に設置された太陽光パネルの評価
・インクやレジスト、塗料などのコーティング性 など

このように、接触角はさまざまな場面で活用されています。

静的接触角測定方法① θ/2法

まずは、静的接触角の測定方法として最も有名な「θ/2法」をご紹介します。
「θ/2法」とは、液滴の端点から頂点を結んだ線が成す角をθ1とし、2倍することで接触角を求める測定方法です。接触角計を用いて計算する測定方法の一つで、昔から現在に至るまで長年使い続けられています。目盛りを用いれば直読でも簡単に計算できますが、コンピュータで解析すれば短時間で処理できます。
そんなθ/2法の計算式は以下の通りです。

θ=2×arctan h/r

なお、θ/2法の計算における「h」とは液体の高さ、「r」とは液滴の接触半径のことです。

静的接触角測定方法② 接線法

静的接触角はθ/2法以外にも「接触法」で計測することも可能です。
接触法とは、液滴端点近辺を円とみなし、その円の接線と固体表面が成す角から接触角を求める測定手法です。

静的接触角の測定に用いられることが多いθ/2法は液滴の幅と高さから測定するため、左右の接触角をそれぞれ測定することはできません。つまり、液滴左右の接触角が異なる場合はθ/2法より接線法の方が正確な接触角が測定できます。

静的接触角測定方法③ カーブフィッティング法

静的接触角の測定方法として最後にご紹介するのは「カーブフィッティング法」です。
カーブフィッティング法とは、液滴の輪郭を真円または楕円の一部とみなし、真円の端点における接触角を求める方法です。真円にも楕円にも使える測定方法で、接線法よりも多くの座標を用いて細かく測定するため、左右の接触角のばらつきを小さくすることができます。

カーブフィッティング法における楕円の方程式は以下の通りです。
(x -x0)^2/Rx^2+(y-y0)^2/Ry^2=1

なお、カーブフィッティング法の楕円の方程式におけるx0とy0は楕円の中心座標を表しており、RxとRyは楕円のX方向半径、Y方向半径のことです。

動的接触角測定方法① 液滴法

まずは、最も端的に測定できる「液滴法」を紹介します。液滴法とは、微小な液滴を滴下し、真横から撮影した画像から接触角を算出する方法です。なお、液適法は、1秒間あたり数十コマの速さで撮影した静止画を用いるため本質は静的接触角測定方法ですが、連続した変化を計測することから今回は動的接触角測定方法として取り扱います。

液滴法において、液量が小さい場合はθ/2法やカーブフィッティング法を用いることができますが、液量が大きくなる場合は楕円フィッティング法を用います。ただし、楕円フィッティング法で測定できる液量には限界があるため、フィッティング区間を狭くして近似精度を上げるなどの工夫が必要不可欠です。

動的接触角測定方法② 拡張・収縮法

次に、「拡張・収縮法」とは液滴の体積を増加または減少させ、経時的に接触角を測定する方法です。動的接触角には前進接触角と後退接触角の2種類がありますが、拡張・収縮法はどちらも測定できます。
ただし、拡張・収縮法を用いるためには、自動制御タイプのディスペンサーを用いなければなりません。なぜなら、測定の再現性を高める上で液体の吐出または吸引速度の条件を統一しなければならないからです。
なお、拡張・収縮法を用いて接触角を数値化する際は、接線法またはカーブフィッティング法を用います。

動的接触角測定方法③ 滑落法

次に「滑落法」とは、固体表面を傾けて転落角や前進角または後退角を評価する方法のことで、「転落法」とも呼ばれる測定方法です。動的接触角は表面を傾斜させますが、傾斜させている間も画像を取得および解析することで前進角と後退角を得られます。

滑落法で測定するためには専用のハードウェアが必要です。しかしその分、液体の固体に対する滑りやすさや付着力といった、平面のみの測定では不可能なデータを得られます。
なお、滑落法を使って接触角を算出する場合は、接線法またはカーブフィッティング法を用います。

動的接触角測定方法④ ウィルヘルミー法

最後に「ウィルヘルミー法」とは、固体サンプルを液中に沈めて上下に移動させ、高さ位置ごとの濡れ荷重から動的接触角を算出する方法のことです。測定には測定子というプレートを用いることから、「プレート法」や「垂直板法」とも呼ばれています。

また、ウィルヘルミー法は吊り下げた固体試料を液体試料に接触させて、固体試料が引き込まれる力を測定することもできます。具体的には、固体試料が引き込まれる力は、その液体が持つ表面張力よりも小さいため、力の衰退と表面張力の関係を基に接触角を算出します。