(57)【要約】【課題】簡易的な方法により、容易にかつ迅速に、基板上の液滴除去性能の評価を可能にする。【解決手段】水平に支持した固体表面に液滴を置き、その液滴に更に液体を注入若しくは液体を吸引して液滴を拡張または収縮させ、液滴の端部での前進接触角、後退接触角を測定する際に、単位時間当たりの注入量若しくは吸引量を変え、前進接触角、後退接触角の着液半径に対する変化を調べることを特徴とする液滴除去性能の評価方法、および評価装置。【選択図】図２
2006226835.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平に支持した固体表面に液滴を置き、その液滴に更に液体を注入若しくは液体を吸引して液滴を拡張または収縮させ、液滴の端部での前進接触角、後退接触角を測定する際に、単位時間当たりの注入量若しくは吸引量の条件を変更して、前進接触角、後退接触角の着液半径に対する変化を調べることを特徴とする液滴除去性能の評価方法。
【請求項２】
液体の注入量若しくは吸引量が０．１μｌ／ｓ〜１００μｌ／ｓであることを特徴とする、請求項１に記載の液滴除去性能の評価方法。
【請求項３】
水平および傾斜支持可能で液滴を載置可能な固体表面と、前記液滴に更に液体を注入若しくは液体を吸引して液滴を拡張または収縮させることが可能な手段と、液滴の端部での前進接触角、後退接触角を測定する手段と、単位時間当たりの前記液体の注入量若しくは吸引量を変えた際の、前進接触角、後退接触角の着液半径に対する変化を調べる手段と、を有することを特徴とする液滴除去性能の評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体表面における液滴除去性能の評価方法および評価装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体表面の濡れ制御は物理と化学の境界に位置する技術課題であり、その応用範囲は表面機能や生産プロセス等あらゆる工学分野に及ぶ最も基礎的かつ重要な研究領域である。従来、固体表面の濡れは、ヤングの式を基礎として組成や構造の変化と、接触角の測定等から得られるマクロな濡れとの関係が、理論・実験両面から検討され、この固体表面の濡れには、表面エネルギーやその分布、表面粗さや表面形状、電界などが複雑に関与することが知られている。
【０００３】
加えて従来は、接触角測定による“静的”な濡れ性が主に評価されていたが、近年建築や輸送機械など各種の工学分野では“動的”な濡れの重要性が認識され始めている。この“動的”な濡れとは、親水性表面における濡れ広がりの速度の意味ではなく、主として撥水性表面における“液滴の除去性”のことである。今日、動的な濡れ性として最も一般に評価されているものは、図１に示すように、水滴（液滴）１の転落角（図１におけるα）、接触角ヒステリシス（図１における前進接触角θａと後退接触角θｄの差）である。しかしながら、これらは水平に支持した試料表面２（基板表面）を徐々に傾けていき、水滴が転落を開始した際の転落角度や前進・後退接触角を読むものであり、除去速度に関する情報は全く含まれていない。例えば、水滴１の転落角αが１度であったとしても、超撥水表面上であれば一瞬のうちに転落するが、通常の平滑な高分子表面では極めて遅いことが知られている。
【０００４】
一方、実際の工業材料では、大きさや機能、意匠などから表面の傾斜角度が決まっている場合がほとんどであり、「傾斜角が何度で転落するか」ではなく、「一定の傾斜角でどれくらいの速さで転落するか」という情報がより重要となってきている。例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４等に測定事例が見られる。また、学術雑誌においても、Miwaらは超撥水表面上での水について等加速度運動で転落することを報告しており（非特許文献１）、Quereらは超撥水表面上でグリセロールについて粘性抵抗のために等速度運動で転落することを報告している（非特許文献２）。また、Nakajimaらは平滑撥水表面上での水について転落条件により加速度の傾向が変化する場合があること、また転落しながら液滴が振動する場合があることなどを報告している（非特許文献３、４）。
【０００５】
このように、種々の工学的検討から、固体表面での液滴の転落性は等加速度運動する場合と等速度運動する場合に大きく分けられることが明らかになっている。等速度で液滴が転落するのは、固体との何らかの相互作用や液滴自身の粘性により、傾斜斜面方向の重力成分に対して抵抗力が作用するためであり、液滴除去性能に優れた固体表面では液滴が等加速度で転落する場合が多い。これまで液滴が固体表面を等加速度運動で転落するかどうかについては実際に液滴の運動をビデオカメラ等で撮影し、１コマごとに移動した距離の目盛りを読むことで計測、評価するしかなく、高価な機材が必要な上、解析に手間を要する作業であった。
【特許文献１】特開２００１−２５９５０９号公報
【特許文献２】特開２００２−２９７８３号公報
【特許文献３】特開２００２−９７１９２号公報
【特許文献４】特開平１１−１１６９７３号公報
【非特許文献１】Miwa, M., Nakajima, A., Fujishima, A., Hashimoto, K. and Watanabe, T.,Langmuir, Vol.16, pp.5754-5760 (2000)
【非特許文献２】Richard, D. and Quere, D.,Europhys. Lett., Vol.48, pp.286-291 (1999)
【非特許文献３】Nakajima, A., Suzuki, S., Kameshima, Y., Yoshida, N., Watanabe, T. and Okada, K., Chem. Lett., Vol.32, pp.1148-1149 (2003)
【非特許文献４】Suzuki, S., Kameshima, Y., Nakajima, A. and Okada, K., Surf. Sci., Vol.557/1-3, pp.L163-L168 (2004)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで本発明の課題は、上記のような実情に鑑み、簡易的な方法により、容易にかつ迅速に、基板上の液滴除去性能の評価を可能にすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明に係る液滴除去性能の評価方法は、水平に支持した固体表面に液滴を置き、その液滴に更に液体を注入若しくは液体を吸引して液滴を拡張または収縮させ、液滴の端部での前進接触角、後退接触角を測定する際に、単位時間当たりの注入量若しくは吸引量の条件を変更して、前進接触角、後退接触角の着液半径に対する変化を調べることを特徴とする方法からなる。
【０００８】
この液滴除去性能の評価方法においては、上記液体の注入量若しくは吸引量が０．１μｌ／ｓ〜１００μｌ／ｓであることが好ましい。
【０００９】
また、本発明に係る液滴除去性能の評価装置は、水平および傾斜支持可能で液滴を載置可能な固体表面と、前記液滴に更に液体を注入若しくは液体を吸引して液滴を拡張または収縮させることが可能な手段と、液滴の端部での前進接触角、後退接触角を測定する手段と、単位時間当たりの前記液体の注入量若しくは吸引量を変えた際の、前進接触角、後退接触角の着液半径に対する変化を調べる手段と、を有することを特徴とする装置からなる。
【００１０】
すなわち、本発明者らは、前述のような背景を踏まえ、固体表面での液滴の転落挙動と、液滴の拡張収縮法による前進、後退接触角との関係について鋭意検討を実施した。撥水処理を施した基板を水平に設置し、一定量の液滴を基板上に配置し、例えば図２に示すように、基板３上の液滴４に挿し込んである針５から、液体を注入（図２（ａ））若しくは吸引（図２（ｂ））することで、液滴４の体積を拡張または収縮させ、接触角の計測間隔毎の変化を計測した。このとき、液体の注入・吸引する流量を変化させ（本実験では、注入・吸引時間9400ms、注入・吸引流量２μl/s から15.6μl/sの範囲で実施）、前進接触角（θａ）、後退接触角（θｄ）の注入・吸引速度に対する依存性の有無を検討した結果、この着液半径に対する前進・後退接触角の変化に液滴の転落挙動（等加速度運動、等速度運動、転落しないなど）の評価と一致点があることを見出し、本発明を完成するに至った。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る液滴除去性能の評価方法および評価装置によれば、簡易的な方法により、容易にかつ迅速に液滴除去性能を計測、評価することができる。したがって、液滴除去性能の評価解析方法において、新規な道を拓いた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に、本発明について、実施例とともに、図面を参照しながらより具体的に説明する。
液滴が等加速度運動する基板は、液滴拡張時には、図３（ａ）に示すように、前進接触角θａ（図２（ａ））は実質的に一定のまま、接触面の半径は、大きくなる（図中の数字は単位時間当たりの注入量を示す）。液滴収縮時には、図３（ｂ）に示すように、（１）接触角は減少するが、接触面の半径は一定（接触面は一定）である段階と、（２）変曲点から、後退接触角（図２（ｂ））は一定のまま、接触面の半径が減少する段階と、の２段階の現象が観察される。注入・吸引速度（注入・吸引量）が変化しても、前進・後退接触角ともに略一定である（図３（ａ）、（ｂ））。図３（ｃ）は、この場合の転落挙動、つまり、経過時間（Ｔｉｍｅ／ｓｅｃ．）に対する、初期位置からの距離（Ｄｉｓｔａｎｃｅ／ｃｍ）を示している。
【００１３】
しかし、液滴が転落しにくい基板や等速度運動する基板では、図４に示すように、注入速度が大きい程、前進接触角は増加し（図４（ａ））、後退接触角が減少したり、注入速度が大きくなると、前進接触角は一定だが（図５（ａ））、後退接触角は一定若しくは減少したりした（図５（ｂ））。これらのデータは各種シランで撥水処理した固体表面での結果であるが、汎用的材料である”テフロン”（登録商標）板（転落しにくい）とアクリル板（等速度運動表面）でも同様の評価ができる。”テフロン”（登録商標）板では、注入速度が増加した場合、前進接触角は実質的に一定で（図６（ａ））、後退接触角が減少し（図６（ｂ））、アクリル板では、前進接触角が大きくなり（図７（ａ））、後退接触角が減少した（図７（ｂ））。図５（ｃ）、図６（ｃ）はそれぞれの場合の液滴の転落挙動を示している。
【００１４】
上記のように、液滴の拡張や収縮により、前進・後退接触角を、注入・吸引速度依存性を着液半径に対してプロットして計測し、その特徴から液滴の転落挙動（等加速度運動、等速度運動、転落しない等）の分類が可能である。したがって、本発明では、用いられる液滴の種類や基板の種類は特に限定せずに、液滴除去性能を評価できることになる。
【００１５】
このように、本発明に係る液滴除去性能の評価方法により。拡張収縮法による前進・後退接触角の注入・吸引量（注入・吸引流量）への依存性を計測するような簡易的な方法にて、液滴除去性能に関する容易かつ迅速な評価が可能になった。
【実施例】
【００１６】
以下、実施例を例示して本発明をさらに具体的に説明する。尚、本実施例は単に例示であって本発明を制限するものではない。
【００１７】
実施例１
前述の如く、注入・吸引時間9400ms（この間に 200ms毎に測定）、注入・吸引流量２μl/s から15.6μl/sの範囲で実施した。図３では、撥水処理を施した基板を水平に設置し、一定量の液滴を基板上に配置し、液滴に挿し込んである針から、液体を注入（12μl/s)し、液滴の体積を拡張させ、前進接触角の計時変化を計測した。液滴に挿し込んである針の位置を基板に近づけ、液体を吸引（12μl/s)し、液滴の体積を収縮させ、後退接触角の計時変化を計測した。同様に、注入・吸引流量を15.4μl/s と2.0 μl/s に変更し、前進接触角と後退接触角を計測した。図３に示したように、液滴が「等加速度運動」する基板では、注入・吸引速度が変化しても、前進・後退接触角ともに実質的に一定である。
【００１８】
実施例２
また、図４に示したように、「転落しにくい」基板では、注入・吸引速度が大きい程、前進接触角は増加し、後退接触角が減少した。
【００１９】
実施例３
さらに、図５に示したように、液滴が「等速度運動」する基板では、注入・吸引速度を大きくすると、前進接触角は実質的に一定だが、後退接触角は一定若しくは減少した。
【００２０】
比較例１
汎用的材料である”テフロン”（登録商標）板では、その拡張収縮の例を図６に示したように、注入・吸引速度が増加した場合、前進接触角は実質的に一定で、後退接触角が減少した。
【００２１】
比較例２
また、別の汎用的材料であるアクリル板では、その拡張収縮の例を図７に示したように、注入・吸引速度が増加した場合、前進接触角が大きくなり、後退接触角が減少した。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明に係る液滴除去性能の評価方法および評価装置は、基板表面における液滴の動的挙動の簡易的な評価が要求される、あらゆる産業分野に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明における前進・後退接触角と転落角との関係を示す説明図である。
【図２】本発明に係る液滴除去性能の評価方法における基板上の前進・後退接触角を示す説明図である。
【図３】「等加速度運動」基板上の前進・後退接触角の例（（ａ）：前進接触角、（ｂ）：後退接触角）と転落挙動の例（ｃ）を示すグラフである。
【図４】「転落しにくい」基板上の前進・後退接触角の例（（ａ）：前進接触角、（ｂ）：後退接触角）を示すグラフである。
【図５】「等速度運動」基板上の前進・後退接触角の例（（ａ）：前進接触角、（ｂ）：後退接触角）と転落挙動の例（ｃ）を示すグラフである。
【図６】”テフロン”（登録商標）板の前進・後退接触角の例（（ａ）：前進接触角、（ｂ）：後退接触角）と転落挙動の例（ｃ）を示すグラフである。
【図７】アクリル板の前進・後退接触角の例（（ａ）：前進接触角、（ｂ）：後退接触角）を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２４】
１、４  液滴
２  試料表面
３  基板
５  針
【図１】
2006226835.tif 000003
【図２】
2006226835.tif 000004
【図３】
2006226835.tif 000005
【図４】
2006226835.tif 000006
【図５】
2006226835.tif 000007
【図６】
2006226835.tif 000008
【図７】
2006226835.tif 000009