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表面粗さと接触角

固体表面の粗さは接触角に影響する
キーワード 接触角,ぬれ性,濡れ,はっ水,表面改質

1.はじめに

固体表面は、目視では平滑に見えてもミクロの世界では非常に微細な凹凸構造となっていることがある。液滴の径より十分に小さな凹凸では、その構造によって表面積が増え接触角に対して大きな影響を及ぼすことになる。表面の微細な凹凸構造がぬれ性に大きく関わっている例として、蓮の葉のロータス効果が有名である(図1)。これを応用した食品包装容器や塗料などのバイオミメティクス(生物模倣)製品も数多く存在し、表面構造とぬれの関係を定量的に評価することは重要となっている。

図1 ロータス効果と表面構造

2.表面評価における課題

図2 表面粗さ(Ra)と接触角(Contact angle)

一般的に、平坦固体表面に無数の細かい傷をつけると、ぬれやすい表面はさらにぬれやすく、ぬれにくい表面はさらにぬれにくくなることが知られている(Wenzelの式)。しかし、表面の化学的組成のみを制御した撥水処理の限界は120°程度と言われており、接触角150°以上の超撥水表面を得るためには物理的に表面に微細な凹凸をつけることが必要不可欠であるとされる。そこで、表面粗さと接触角の関係を評価した測定事例を紹介する。

3.試験内容と結果

図2は、表面粗さの異なるガラスにはっ水処理(パーフルオロアルキル基含有シラン)をおこない、水の接触角を測定した結果である。表面粗さ(Ra)が増大するにつれて接触角も増加し、表面形状を制御することで撥水性能の制御が可能であることが確認された。

参考文献

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