接触角

接触角

要点

• 液滴が表面と成す角度は、濡れ性を直接的かつ定量的に示す指標です。
• 角度が小さいほど濡れが良好です。約30°未満はよく濡れており、90°を超えると表面は実質的に濡れません。
• 複数の試験液を用いると極性成分と分散成分を分離でき、表面がなぜ接着しないのかが分かります。
• ダインペンの結果に異議が出るような場面でも、根拠を示せる方法です。

接触角

接触角とは、液滴が固体表面に接する箇所で形成される角度で、接点において液体を通して測定し、その液体が固体をどれだけよく濡らすかを直接かつ定量的に示します。プラスチックでは、表面エネルギーと前処理の有効性を評価するための基準となる方法です。

この角度は、液滴を球状にまとめる液体の凝集力と、液滴を平らに引き広げる液体と固体の間の付着力とのバランスで決まります。付着力が支配的な場合、液滴は広がり、角度は小さくなります。凝集力が支配的な場合、液滴は玉状になり、角度は大きくなります。

数値の読み方

水は極性を持つため、処理されているはずの部品で水の接触角が高い場合は、前処理の失敗またはシリコーン汚染を最も早く知らせる指標の一つです。

測定方法

標準的な実験室での手法は静滴法（セシルドロップ法）です。一定体積の液滴を表面に置き、側面から撮像し、三相接触線で角度を測定します。結果が意味を持つかどうかを決める要点は次のとおりです。

• 液滴の体積は一定にする必要があり、通常は数マイクロリットルです。大きな液滴は自重で平らになり、低い値として読み取られます。
• 素早く測定してください。表面によっては、蒸発やゆっくりした広がりにより数秒以内に角度が変化するため、測定タイミングの取り決めが重要となり、明記する必要があります。
• 複数の箇所で測定してください。表面処理、テクスチャ、汚染はいずれも部品の中で変動するため、液滴1個だけの測定は逸話にすぎません。
• 表面粗さは効果を増幅します。粗い表面は、下地の化学的性質の作用を増幅し、濡れる表面をより濡れやすく、濡れない表面をより強くはじきます。テクスチャは同じ条件同士で比較してください。
• 前進角と後退角は異なります。両者の差であるヒステリシスはそれ自体が情報となり、不均一性や汚染を示すことが多くあります。

極性成分と分散成分の分離

1種類の液体での測定からは濡れ性が分かります。極性が既知で異なる2種類以上の液体で測定すると、表面エネルギーを極性成分と分散成分に分解でき、ここに診断上の価値があります。

• 分散成分はファンデルワールス力に由来し、あらゆる表面に存在します。
• 極性成分は、前処理によって導入される酸素含有基に由来します。ポリマーを処理すると上昇し、処理効果が減衰するにつれて再び低下する部分です。
• 重要な理由：総表面エネルギーが同じでも、一方はよく接着し、もう一方は接着しない場合があります。極性相互作用に頼る接着剤は、特に極性成分を必要とするためで、総量の数値だけではそれが隠れてしまいます。

水とジヨードメタンの組み合わせが一般的で、水が極性の寄与を、ジヨードメタンが実質的に非極性の寄与を与えます。計算モデルは複数あるため、使用したモデルを結果とともに記録する必要があります。

接触角とダイン試験の比較

両者は競合するものではなく、補完し合うものです。ほとんどの工場で成り立つ運用は、要件の確立や疑問の決着に接触角を用い、日々のそれに対する監視にはASTM D2578に基づく濡れ張力試験液を用いるというものです。

接触角の結果のトラブルシューティング

関連用語と参考情報

• ASTM D3359 テープ試験
• 表面エネルギー
• プラスチックの密着問題を解決する科学
• コーティングとインクの密着性および耐摩耗性の測定
• ポリマー表面前処理の方法

実運用での活用

The Sabreen Groupは、接触角測定、表面の特性評価、密着性の適格性確認について、独立した立場でエンジニアリング支援を提供しています。プロセスの仕様策定、材料の適格性確認、生産上の問題のトラブルシューティングなど、当社のエンジニアリングサービスチームがお手伝いします。お客様の用途について、ぜひお問い合わせください。

よくある質問

表面が接着可能な状態であることを示す接触角はどれくらいですか？

目安として、水の接触角が約60°未満であれば妥当な濡れ性、30°未満であれば十分に処理された表面を示し、90°を超えると表面は実質的に濡れません。ただし、意味のあるしきい値は、使用する特定の接着剤やインクに対して確立された値であり、一般的な角度の目標値は、一般的なダインの目標値と同様に信頼できません。

接触角はダインペン試験とどう違いますか？

接触角は、液滴の画像から装置で測定し、連続的な定量値が得られます。ダインペンは、インクの膜が約2秒間保たれるかどうかを作業者が判断し、範囲で示される合否が得られます。また、接触角は極性成分と分散成分の表面エネルギーを分離でき、ダイン試験にはできません。日常の監視にはダイン試験液を、数値の根拠を示す必要がある場合には接触角を使用してください。

複数の試験液で測定するのはなぜですか？

表面エネルギーの極性成分と分散成分を分離できるためです。総エネルギーが同じでも、よく接着するのは一方だけという場合があり、極性相互作用に頼る接着剤は特に極性成分を必要とします。前処理は特に極性成分を高めるため、これを追跡すれば、本当に処理された表面と、見かけ上許容できる値を示すだけの表面を区別できます。

表面粗さは測定値に影響しますか？

大きく影響します。粗さは下地の化学的性質を増幅し、濡れやすい表面はより濡れやすく、濡れにくい表面はより強くはじくため、化学組成が同一でも、テクスチャのある部品と研磨された部品では異なる角度が得られます。同じ条件同士で比較し、平滑な試験片で導いたしきい値をテクスチャのある生産面に適用する際は注意してください。

処理した部品で角度が予想外に高くなる原因は何ですか？

通常は処理の失敗かシリコーン汚染で、両者はパターンで見分けられます。処理の失敗は部品全体やロット全体に影響する傾向があり、汚染はまだらに現れることが多くあります。水は極性を持つため、その接触角は、処理が付加し、シリコーンが覆い隠す官能基に敏感に反応し、水滴は利用できる最も迅速な診断確認の一つとなります。

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