接触角測定では、液滴を静置して所定時間後の角度を測る静的接触角のほか、 着液後の接触角変化を追跡する経時変化測定や、 三相接触線を前進・後退させながら測定する動的接触角があります。 動的接触角の代表的な測定方法には、液滴体積を増減させる拡張・収縮法や、 試料を傾斜させて液滴を移動させる傾斜法があります。 これらの測定は、表面状態の不均一性や液滴の移動性、 撥水・滑水性能などを評価する際に用いられます。
接触角測定の歴史
静的接触角しか測定できなかった
初期の
接触角計
初期の接触角計は光学的に拡大した液滴を、背後のスクリーンに拡大投影したり写真を撮って現像プリントから直接測ったり、あるいは顕微鏡のような拡大鏡を覗き、分度器で測る方法をとっていました。
液滴が固体表面に着液してから測定するまでに時間がかかるため、必然的に着液してから一定程度経過した状態で測定していました。
液滴が固体表面に着液してから測定するまでに時間がかかるため、必然的に着液してから一定程度経過した状態で測定していました。
電子の目
接触角計の
デジタル化
その後CCDカメラなどの”電子の目”が登場することで、状況が変わります。
ビデオプリンターにより印画して測定することや、ビデオキャプチャーによって画像を記憶し画面上で測定が行えるようになります。
その後、PCで画像を扱えるようになると、カメラが持つフレームレート単位で画像を記録することが容易になり、高度な演算を行えるようになり、液滴の輪郭フィッティングなどが簡単に行えるようになりました。
ビデオプリンターにより印画して測定することや、ビデオキャプチャーによって画像を記憶し画面上で測定が行えるようになります。
その後、PCで画像を扱えるようになると、カメラが持つフレームレート単位で画像を記録することが容易になり、高度な演算を行えるようになり、液滴の輪郭フィッティングなどが簡単に行えるようになりました。
静的と動的の接触角
それぞれの特長
静的
接触角
静的接触角は、液滴を固体表面に着液させた後、
液滴体積や試料に外部から変化を与えず、所定の時間で測定する接触角です。
測定値は滴下後の経過時間によって変化する場合があるため、 比較評価では液滴量、測定時間、温湿度などの条件をそろえることが重要です。
測定値は滴下後の経過時間によって変化する場合があるため、 比較評価では液滴量、測定時間、温湿度などの条件をそろえることが重要です。
静的接触角に特化した装置
接触角の
経時変化
接触角の経時変化測定では、液滴を固体表面に着液させた後、
接触角が時間とともにどのように変化するかを連続的に測定します。
着液直後には液滴のぬれ広がり、浸透、蒸発、液体と表面との相互作用などによって、 接触角が変化する場合があります。
この測定は、静的接触角を滴下後何秒の値として扱うかを検討したり、 ぬれ広がりの速度や時間依存性を評価したりする場合に利用できます。
現在一般に「動的接触角」という場合は、 この経時変化とは区別し、三相接触線を前進・後退させながら測定する 前進接触角・後退接触角を指します。
着液直後には液滴のぬれ広がり、浸透、蒸発、液体と表面との相互作用などによって、 接触角が変化する場合があります。
この測定は、静的接触角を滴下後何秒の値として扱うかを検討したり、 ぬれ広がりの速度や時間依存性を評価したりする場合に利用できます。
現在一般に「動的接触角」という場合は、 この経時変化とは区別し、三相接触線を前進・後退させながら測定する 前進接触角・後退接触角を指します。
静的と
経時変化
着液してからの時間を定めて記録・測定するか、その前後の状態を含めて記録・測定するかという違いです。
経時変化ではデータ量が増えるため、目的と用途に応じて、使い分けます。
経時変化ではデータ量が増えるため、目的と用途に応じて、使い分けます。
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ニックの接触角計LSEシリーズに付属の画像解析ソフトウェアi2win.nでは、経時変化と静的のグラフを切り替えて表示できます。
動的の定義
動的と呼ばれる測定
接触角の
経時変化
着液後の接触角を時系列に記録する測定を、接触角の経時変化測定と呼びます。
（接触角の経時変化を「動的接触角」と表現する場合もありますが、ここでは、前進接触角・後退接触角を指す動的接触角と区別して「接触角の経時変化測定」と表記します）
グラフで評価
「接触角の経時変化測定」では、着液してから接触角が安定するまでに変化します。
そこで、着液してから数秒間の接触角の変化をグラフとして評価します。接触角がある程度安定するまでの時間を把握することができます。
そこで、着液してから数秒間の接触角の変化をグラフとして評価します。接触角がある程度安定するまでの時間を把握することができます。
現在では秒間600フレームでの記録も身近になり、着液直後の挙動も注目されています。
動的接触角①
（拡張・収縮法）
動的接触角の代表的な測定方法の一つが、拡張・収縮法です。
固体表面上の液滴に液体を吐出して体積を増加させ、 三相接触線が前進している状態で前進接触角を測定します。 逆に液体を吸引して体積を減少させ、 三相接触線が後退している状態で後退接触角を測定します。
前進接触角と後退接触角の差は接触角ヒステリシスと呼ばれ、 表面の粗さや化学的不均一性、接触線のピニングなどを評価する指標として利用されます。
固体表面上の液滴に液体を吐出して体積を増加させ、 三相接触線が前進している状態で前進接触角を測定します。 逆に液体を吸引して体積を減少させ、 三相接触線が後退している状態で後退接触角を測定します。
前進接触角と後退接触角の差は接触角ヒステリシスと呼ばれ、 表面の粗さや化学的不均一性、接触線のピニングなどを評価する指標として利用されます。
動的接触角②
（傾斜法）
傾斜法では、液滴を載せた試料を徐々に傾け、
液滴が動き始めるまでの挙動を観察します。
液滴が動き始めるときの試料の傾斜角を滑落角と呼びます。 滑落角そのものは接触角ではありません。
一方、滑落開始時の液滴前方では前進接触角、 後方では後退接触角を測定できます。 これらは三相接触線が移動する状態で測定されるため、 動的接触角として扱われます。
傾斜法では、滑落角と前進・後退接触角を組み合わせることで、 液滴の移動性や表面への付着性、滑水性などを評価できます。
液滴が動き始めるときの試料の傾斜角を滑落角と呼びます。 滑落角そのものは接触角ではありません。
一方、滑落開始時の液滴前方では前進接触角、 後方では後退接触角を測定できます。 これらは三相接触線が移動する状態で測定されるため、 動的接触角として扱われます。
傾斜法では、滑落角と前進・後退接触角を組み合わせることで、 液滴の移動性や表面への付着性、滑水性などを評価できます。
動的とは
現在の扱い
現在、動的接触角は、三相接触線が前進または後退している状態で測定される
前進接触角・後退接触角を指します。代表的な測定方法には、
液滴体積を増減させる拡張・収縮法や、
試料を傾斜させて液滴を移動させる傾斜法などがあります。
一方、液滴を着液させた後の接触角を時間軸に沿って追跡する測定は、 「接触角の経時変化測定」として区別すると分かりやすくなります。
一方、液滴を着液させた後の接触角を時間軸に沿って追跡する測定は、 「接触角の経時変化測定」として区別すると分かりやすくなります。
何で評価すべきか？
目的に応じて
選択
・静的接触角測定
・接触角の経時変化測定
・動的接触角測定
－拡張・収縮法
－傾斜法
どの方法で評価すべきかは、目的や用途に応じて選択します。
・接触角の経時変化測定
・動的接触角測定
－拡張・収縮法
－傾斜法
どの方法で評価すべきかは、目的や用途に応じて選択します。
実際に測定し、有意差が見られるかによって、評価方法を選ぶ必要があります。
静的と動的の用途一覧表
用途比較表
| 項目 | 静的接触角 | 接触角の経時変化 | 動的接触角 | 上面観測 （静的・動的＋α） |
|---|---|---|---|---|
| 測定対象 | 所定時間の液滴 | 着液後の時間変化 | 前進・後退する接触線 | ぬれ面積 ぬれ状態の観測 |
| 主な測定 | 液滴法 | 経時変化測定 | 拡張・収縮法、傾斜法 | ぬれ形状・輪郭検出 |
| 主な指標 | 接触角 | 接触角－時間曲線 | 前進角、後退角 ヒステリシス | 真円度・ぬれ面積・周囲長・接触角 |
| 主な用途 | QC・条件比較 | ぬれ広がり、吸収、測定時間決定 | 表面不均一性、滑水性、付着性 | 接触角値との相関性確認 ぬれ現象の理解 ぬれの方向確認 |