(57)【要約】【課題】  従来装置で行なわれていた静摩擦下での滑落角測定に加えて、従来装置では不可能であった動摩擦下での滑落角の測定を可能とした撥液特性評価装置を提供する。【解決手段】  試料表面の撥液特性を評価する装置であって、  架台上部に高さ調整可能に保持された液体滴下用のシリンジ、  架台中部の上記シリンジの下方に、上記シリンジからの液体滴下方向と直交する水平な回転軸の周りを回転可能に保持され、該回転軸を試料表面と一致させて試料を保持する試料ステージ、および  上記試料ステージの回転角の計測手段、を備えたことを特徴とする撥液特性評価装置。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料表面の撥液特性を評価する装置であって、
架台上部に高さ調整可能に保持された液体滴下用のシリンジ、
架台中部の上記シリンジの下方に、上記シリンジからの液体滴下方向と直交する水平な回転軸の周りを回転可能に保持され、該回転軸を試料表面と一致させて試料を保持する試料ステージ、および
上記試料ステージの回転角の計測手段、
を備えたことを特徴とする撥液特性評価装置。
【請求項２】
請求項１において、
上記試料ステージの回転により傾斜した試料表面を滑落する液滴の位置を２位置について検知して滑落速度を計測する滑落速度計測手段、
を更に備えたことを特徴とする撥液特性評価装置。
【請求項３】
請求項１または２において、
液滴の滑落後に試料表面の滑落軌跡上の液体の残留を検知する手段、
を更に備えたことを特徴とする撥液特性評価装置。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれか１項において、
試料ステージが、試料を種々の温度に保持するヒータを備えていることを特徴とする撥液特性評価装置。
【請求項５】
請求項１から４までのいずれか１項において、
液体滴下用シリンジが、内部に収容した液体を種々の温度に保持するヒータを備えていることを特徴とする撥液特性評価装置。
【請求項６】
請求項１から５までのいずれか１項において、
上記試料表面上に静止した液滴に種々の流速で気体流を吹き付ける手段、
を更に備えて撥液特性評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料表面の撥水、撥油等の撥液特性を評価する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、試料表面の撥水、撥油等の撥液特性を評価する装置として、例えば非特許文献１に、試料表面に付着した液滴の滑落角を測定する装置が開示されている。この装置は本来、接触角測定器として構成されているが、滑落角測定機能を兼備している。すなわち、水平に保持した試料表面に液滴を付着させた後に、試料を傾斜させた際に液滴の滑落が開始する角度を滑落角として測定できる。液体滴下用のシリンジと試料ステージとが一体のフレームに固定されており、このフレームを回転させることによって試料ステージを傾斜させるため、シリンジも一緒に傾斜する。水平な試料表面に液滴を付着させてから試料表面を傾斜させる試験方法については、この装置で十分に対応できる。
【０００３】
ただし、試料表面の撥液特性として上記の装置で評価し得るのは、水平試料表面に付着した液滴の静摩擦下での滑落角であり、傾斜した試料表面に滴下した液滴の動摩擦下での滑落角は評価できない。
【０００４】
この装置において、試料表面を傾斜させた状態でシリンジから液体を滴下して動摩擦下での滑落角を測定することも考えられる。しかし、このように測定すると下記の点で問題が生ずる。
【０００５】
１）上述のように試料表面とシリンジとが一緒に傾斜する構造であるため、傾斜角によってシリンジ下端と試料表面の距離すなわち滴下高さが変わってしまう。
【０００６】
２）また、シリンジ下端のオリフィス輪郭が水平に対して傾斜するため、そこから下方へ出現する液滴の形状や体積が一定せず、測定精度（再現性）が低下する。
【０００７】
３）更に、傾斜角が大きくなると、シリンジから滴下した液滴が試料表面から外れるので、大きな傾斜角を必要とする測定はできない。
【０００８】
同様に特許文献１にも、水平試料に液滴を載置して低速で連続的に傾斜させ、滑落が開始したら傾斜を停止し、停止後の傾斜角を滑落角として測定する装置が開示されている。この装置もやはり静摩擦下での測定のみを考慮したものであり、動摩擦下での測定はできない。
【０００９】
他に、特許文献２には試料表面上の液滴の接触角をカメラで撮像し、コンピュータ画像処理により測定する装置が開示されている。この装置では滑落角は測定できない。
【００１０】
このように従来の装置では、静摩擦下での滑落角を測定はできるが、動摩擦下での測定はできない。
【００１１】
更に、撥液特性としては滑落角以外にも、滑落速度、試料表面の液体残存有無、気流の影響、試料表面温度や液体温度の影響も重要な評価対象であるが、上記従来の装置にはこれらを評価するための機能が無い。
【００１２】
【特許文献１】実開平７−２６７５１号公報
【特許文献２】特開平５−２３２００９号公報
【非特許文献１】協和界面科学株式会社カタログ（「Drop Masterシリーズ」発行２００４年９月）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、従来装置で行なわれていた静摩擦下での滑落角測定に加えて、従来装置では不可能であった動摩擦下での滑落角の測定を可能とした撥液特性評価装置を提供することを主目的とする。
【００１４】
本発明は更に、滑落角の測定の他に、滑落速度、試料表面の液体残存有無、気流の影響、試料表面温度や液体温度の影響も評価することができる撥液特性評価装置をも提供することを付加的な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、試料表面の撥液特性を評価する装置であって、
架台上部に高さ調整可能に保持された液体滴下用のシリンジ、
架台中部の上記シリンジの下方に、上記シリンジからの液体滴下方向と直交する水平な回転軸の周りを回転可能に保持され、該回転軸を試料表面と一致させて試料を保持する試料ステージ、および
上記試料ステージの回転角の計測手段、
を備えたことを特徴とする撥液特性評価装置が提供される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の装置による主効果として、試料表面と一致した回転軸に対して滴下方向が直交しているので、回転による試料の傾斜角によらず常に試料表面と滴下用シリンジ下端の距離すなわち滴下高さが一定に確保され且つ試料表面上の滴下位置も常に一定に維持されるため、動摩擦下での滑落角を高精度で安定して測定することができる。
【００１７】
もちろん本発明の装置は、静摩擦下での滑落角の測定もできる。水平にした試料表面に液滴を滴下・載置してから試料ステージを連続的に回転させ、滑落開始した時点の回転角を滑落角として測定すればよい。
【００１８】
本発明の付加的な効果は、以下の実施形態において説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１に、本発明の望ましい実施形態による撥液特性評価装置の一例を示す。図１（１）は正面図、図１（２）は側面図である。
【００２０】
図示した撥液特性評価装置１００は、架台１０の上部に液体滴下用のシリンジ１２が高さ調整可能に保持されている。シリンジ１２は、上部のシリンダ１２Ａと下部の細管１２Ｂとから構成されている。架台１０の中部の、シリンジ１２の下方に、シリンジ１２からの液体滴下方向と直交する水平な回転軸Ｒの周りを回転可能に保持され、回転軸Ｒを試料表面Ｚと一致させて試料Ｓを保持する試料ステージ１４を備えている。また、図示はしていないが、試料ステージ１４の回転角の計測手段を備えている。
【００２１】
試料ステージ１４は、駆動モーター１６により回転して任意の角度θまで傾斜し、その位置で停止できる。水平に対するステージ傾斜角θはモーター１６による回転角であり、例えばモーター１６に連動したポテンショメータの出力として測定される。
【００２２】
試料Ｓの表面Ｚ上の液滴の滑落角を測定するには、ステージ１４を種々の傾斜角で停止し、各傾斜角毎にシリンジ１２から液滴を滴下し滑落の有無を判定する。この繰り返しにより動摩擦下での滑落角が求まる。
【００２３】
装置１００は更に、滑落速度Ｖを測定するための機構を備えている。その基本構成を図２に示す。図２（１）は傾斜した試料面Ｚの側部上方から見た斜視図、図２（２）は傾斜試料面Ｚを下から見上げた斜視図である。
【００２４】
滑落速度Ｖの測定対称区間は、予め試料ステージ１４上に２位置Ｐ１、Ｐ２を設定し、レーザビーム発光・受光装置ＬからのレーザビームＸを各位置Ｐ１、Ｐ２に配置したミラーＭ間（図示の例では合計３個のミラー間）で往復させた状態にしておき、傾斜角θの試料面Ｚの上方のシリンジ１２から液滴Ｆを試料面Ｚに滴下し、試料面Ｚを滑落する液滴Ｆが各位置Ｐ１、Ｐ２でレーザビームＸを横切った各時刻と、位置Ｐ１、Ｐ２間の距離ｄとから、液滴Ｆの滑落速度Ｖを求める。なお、位置Ｐ１、Ｐ２で液滴ＦがレーザビームＸを横切った際に計時装置が自動的に始動、停止するようにトリガーを設定することもできる。
【００２５】
図１の装置１００は更に、ＣＣＤカメラ１８を備えていて、試料面Ｚを液滴Ｆが滑落した軌跡上に液体が残留しているか否かを判定することができる。
【００２６】
試料Ｓを傾斜させるための駆動モーター１６による回転軸Ｒは水平で試料面Ｚ内にあり、シリンジ１２からの液滴の滴下方向（鉛直方向）と直交する。したがって、シリンジ１２からの液滴の滴下位置は常に試料面Ｚ上のこの直交点上なので、試料面Ｚを傾斜させてもシリンジ１２の下端（細管１２Ｂの下端）と試料面Ｚ上の直交点との距離すなわち滴下距離は常に一定であり、液滴の落下速度は常に一定に維持される。これにより動摩擦下での滑落角θ、滑落速度Ｖ、液体残留有無Ｙ／Ｎを高精度で再現性良く測定できる。
【００２７】
もちろん本発明の装置１００は、シリンジ１２の先端を試料面Ｚに近接させて滴下距離０すなわち滴下速度０として静摩擦下での測定をすることもできる。
【００２８】
上記で説明した滑落角θ、滑落速度Ｖ、液体残留有無Ｙ／Ｎの観測結果は、演算処理装置ＣＰにより処理された後に、各々表示・記録装置Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３に出力される。
【００２９】
以下に、本発明の撥液特性評価装置１００を用いて種々の測定を行なった実施例を説明する。なお、各実施例においては、それぞれ付加的な改良を行なっている。
【実施例】
【００３０】
〔実施例１〕
図３に、シリンジ１２の下部を構成する細管１２Ｂの下端部分を示す。細管１２Ｂの中心を貫通する導管１２Ｐを通って上部のシリンダ１２Ａ（図１）から液体が滴下される。図示した細管１２Ｂは下端が先細りのテーパ形状Ｔとしてある。
【００３１】
液体の表面張力が細管１２Ｂの本体１２ＢＯの材料よりも小さい場合に、導管１２Ｐの下端開口から出現した液体が、細管１２Ｂの外周に沿って這い上がることがあり、滴下量が安定しない。
【００３２】
図３のテーパ形状Ｔはその防止策である。表面張力による付着力は付着面積が大きくなると増大するので、テーパ形状Ｔとすることにより下端の表面積が小さくなり、這い上がりを起こす付着力を減ずることができる。
【００３３】
図３（１）の例では、テーパ形状Ｔとした上で更に、テーパ部Ｔを含む細管１２Ｂの下端寄り領域１２ＢＳをショットブラスト加工により粗面化して表面張力を小さくした。
【００３４】
図３（２）の例では、ショットブラスト層１２ＢＳの上に更に、低表面張力層１２ＢＸをコートしてある。細管本体１２ＢＯの代表的な材質はステンレス鋼等であり、これに対して低表面張力層１２ＢＸはアルミナ等により形成する。アルミナ層１２ＢＸの形成はプラズマ溶射等により行なうことができる。
【００３５】
このようにして液滴との付着力を小さくして液滴の這い上がりを抑えた細管１２Ｂを用いることにより、微量な液滴をバラツキ無く精密に制御できるので、滑落角および滑落速度を正確に測定することができる。
【００３６】
このように細管先端をテーパ形状Ｔとした場合と、テーパ形状Ｔとし更にアルミナコートによる表面改質を施した場合と、通常のノーマル形状の場合とについて、滴下量を測定した。テーパ角は６度、ショット粒径は１．２ｍｍであった。液体としては軽油を用いた。マイクロシリンジ１２のシリンダ１２Ａの容量は５０μｌであった。測定系を含む環境温度は２５℃であった。
【００３７】
図４に上記の測定結果をまとめて示す。
【００３８】
同図から明らかなように、無処置のノーマル形状の場合は滴下量が８μｌであったのに対して、テーパ形状（表面ショットブラスト処理）とした場合には滴下量が４μｌと半減し、これに表面改質を施した場合は滴下量が３．５μｌまで低下した。この結果から、テーパ形状（表面ショットブラスト処理）により細管外周への軽油の這い上がりはほぼ抑止できており、更にアルミナコートを施すことにより這い上がり抑止はほぼ完全に達成されていると考えられる。
【００３９】
〔実施例２〕
図５に、撥液特性評価装置１００の試料ステージ１４のみを示す。試料ステージ１４は、試料Ｓの測定対象面Ｚを上向きにして保持し、内蔵したヒータ１４Ｈにより試料Ｓを所定温度に加熱保持できるようになっている。
【００４０】
一般に、液体は温度が上昇すると表面張力が低下する。そのため、温度上昇に伴って滑落角は小さくなり、滑落速度は速くなる。液体の温度は付着した試料Ｓの温度に影響され、特に小さい液滴は付着直後にほぼ試料と同じ温度になるため、試料Ｓの撥液特性は温度の影響を強く受ける。
【００４１】
本実施形態によるヒータ内臓ステージ１４を用いることにより、試料Ｓの温度を種々に変えて、試料表面Ｚに付着した液体が対応した温度となった場合について、試料表面Ｚの撥液特性の温度依存性を評価することができる。
【００４２】
図１の撥液特性評価装置１００に図５のヒータ内蔵式試料ステージ１４を装着して、試料温度を種々に変えて滑落速度を測定した。測定条件は下記のとおりであった。
【００４３】
＜滑落速度の測定条件＞
液体：軽油
滴下量：５μｌ
滴下距離（細管下端と試料面Ｚの距離）：１０ｍｍ
滑落速度測定距離（ｄ）：１０ｍｍ
測定時周囲温度：２５℃
試料傾斜角：６０°（一定）
測定位置：試料面Ｚ中心を通る回転軸Ｒに沿って５点（図６参照）。
【００４４】
測定結果を図７に示す。測定位置５点（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ）のいずれも試料表面Ｚの温度上昇に伴い滑落速度は顕著に増加している。
【００４５】
〔実施例３〕
図８に、撥液特性評価装置１００の液体滴下用のシリンジ１２のみを示す。シリンジ１２は、主部が上部のシリンダ１２Ａと下部の細管１２Ｂとから成り、シリンダ１２Ａ内に収容した液体をピストン１２Ｐの摺動により細管１２Ｂの下端から射出する。
【００４６】
図示したシリンジ１２はシリンダ１２Ａから細管１２Ｂを含む外周全体を、膜ヒータ２０で覆い、更にその外側を断熱層２２で覆ってある。膜ヒータ２０は、例えばニクロム薄膜を耐熱フィルム（例えばポリイミドフィルム）でラミネートして膜状にしたものであり、シリンジ１２を全長に渡って加熱することができる。断熱層２２は、例えばアルミナ・シリカを主原料とする成形体である。
【００４７】
なお、図示はしていないが、細管１２Ｂは代表的にはステンレス鋼製であり低熱伝導であるため、外周面に高熱伝導のアルミニウムを蒸着して、膜ヒータ２０による加熱効率を高めてある。
【００４８】
実施例２では試料Ｓの温度が種々に変わった場合の撥液特性を評価するためにヒータ１４Ｈを内蔵した試料ステージ１４を用いたが、本実施例のシリンジ１２を用いれば滴下する液体自体の温度が種々に変わった場合の撥液特性を評価することができる。
【００４９】
図１の撥液特性評価装置１００に図８のヒータ内臓シリンジ１２を装着して、液体温度を種々に変えて滑落角を測定した。
【００５０】
滑落角の測定は下記の条件および手順で行なった。
【００５１】
＜滑落角の測定条件＞
液体：軽油
滴下量：４μｌ
滴下距離（細管下端から試料表面までの距離）：１０ｍｍ
＜滑落角の測定手順＞
用いた撥液特性評価装置１００の最大可能傾斜角６０°まで試料ステージ１４を傾斜させ、シリンジ１２から液滴を滴下し、滑落することを確認した。
【００５２】
次に、ステージ傾斜角θをやや小さくして液体滴下し滑落の有無により傾斜角を漸減または漸増させて同じ操作を繰り返し、丁度滑落の開始する角度を滑落角として確定する。
【００５３】
図９（１）に滑落角の測定結果を示す。液体温度の上昇に伴い滑落角が単調に減少することが分かる。
【００５４】
図９（２）に同じ軽油の種々の温度における動粘度の測定結果を示す。動粘度の測定は落体法により行い、落体させる容器を恒温槽に入れて測定した。液体温度の上昇に伴い動粘度が単調に減少することが分かる。
【００５５】
図９（１）に示した滑落角の温度依存性は図９(２)に示した動粘度の温度依存性と明瞭な相関関係があることが分かる。
【００５６】
〔実施例４〕
図１０に、本発明の他の望ましい実施形態による撥液特性評価装置の一例を示す。
【００５７】
図示した撥液特性評価装置２００は、試料ステージ１４上の試料Ｓの表面に気流Ｗを供給する送風システム２４を備えている。送風系２４は、図中の右端から流量調整弁２６を介して供給された空気、窒素、アルゴン等の安定なガスＧをパイプ２８で風洞３０に導き、風洞３０から気流Ｗとして試料表面Ｚに平行に吹き付ける。気流Ｗの流量の微調整は流量調整弁２６により行なうが、流量調整弁２６の上流に配置した図示しないガス供給系によりある範囲内に予め流量制御しておく。
【００５８】
この送風システム２４を用いて、試料表面Ｚ上にあって滑落しない状態の液滴Ｆに気流Ｗを吹き付けて強制的に滑落を開始させることにより、撥液作用を打ち消す諸因子を評価するための重要なパラメータとして剥離流速を測定することができる。
【００５９】
また、使用環境によっては試料Ｓ上の液滴Ｆに風等の気流が作用する場合もあり、気流による撥液特性への影響を評価することが重要になる。
【００６０】
図１１に示す風洞３０を用いて気流流速を種々に変えたときの液滴が移動開始するときの気流流速を測定した。気流Ｗの流速測定には、試料表面Ｚに対して気流の下流側に熱線を配した測定ユニットを用いることができる。
【００６１】
図１１（１）は用いた風洞３０の諸元であり、偏流を防止するためにコーン角を１５°とし、風洞先端には整流板３２を配してある。
【００６２】
図１１（２）に示したように、風洞３０から吹き出す気流Ｗは均一な流速分布を持つ。
【００６３】
この送風系２４を用いて気流流速を種々に変えたときに静止液滴が移動開始した際の滑落速度を測定した。測定条件は下記のとおりであった。
【００６４】
＜測定条件＞
液体：軽油
測定時周囲温度：２５℃
気流流速：熱線流速計で求めた空気流速
滑落角度：１８０°
図１２（１）に示すように、表面に撥油被膜Ｃを被覆した試料Ｓの表面に液滴Ｆ０を載置し、この静止した液滴Ｆ０に風洞３０（図１１）からの気流Ｗを吹き付けて、液滴Ｆ０が図示したＦ１のように移動したときに移動開始時の気流流速を求めた。
【００６５】
図１２（２）に測定結果を示すように、気流流速が大きくなるとそれにより移動開始した液滴の滑落速度も大きくなることが分かる。このようにして、滑落に関するパラメータとして、撥油被膜および試料表面の表面張力、両者間に生じる分子間引力、滴下液体の粘度を打ち消すためのパラメータとして剥離流速が求まる。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明によれば、従来装置で行なわれていた静摩擦下での滑落角測定に加えて、従来装置では不可能であった動摩擦下での滑落角の測定を可能とした撥液特性評価装置が提供される。本発明によれば更に、滑落角の測定の他に、滑落速度、試料表面の液体残存有無、気流の影響、試料表面温度や液体温度の影響も評価することができる撥液特性評価装置も提供される。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の望ましい一実施形態による撥液特性評価装置の構成を示す（１）正面図および（２）側面図である。
【図２】本発明により滑落速度を測定する機構を示す斜視図である。
【図３】本発明により液体滴下用のシリンジ下部の細管先端をテーパ付きとし、（１）ショットブラスト処理を施した例および（２）ショットブラスト後にアルミナ被膜を施した例を示す断面図である。
【図４】図３に示す細管を用いた際の液体滴下量を通常の場合と比較して示すグラフである。
【図５】本発明により内臓ヒータを備えた試料ステージを示す断面図である。
【図６】本発明により試料面に繰り返し液体滴下する位置を示す平面図である。
【図７】図５のヒータ内臓試料ステージを用いて試料温度を種々に変えたときの滑落速度の測定結果を示すグラフである。
【図８】本発明により内臓ヒータを備えたシリンジを示す断面図である。
【図９】図８のヒータ内臓シリンジを用いて液体温度を種々に変えたときの（１）滑落角および（２）対応する動粘度の測定結果をそれぞれ示すグラフである。
【図１０】本発明により送風システムを備えた撥液特性評価装置を示す正面図である。
【図１１】図１０の送風システムに用いる（１）風洞の斜視図および（２）風洞出口の気流流速分布を示すグラフである。
【図１２】図１０、１１に示す送風システムを用いて試料上の静止液滴を強制滑落させる実験の（１）液滴の移動状況を模式的に示す断面図および（２）測定された気流流速と滑落速度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６８】
１００    撥液特性評価装置
１０    架台
１２    液体滴下用のシリンジ
１２Ａ    シリンダ
１２Ｂ    細管
１２ＢＳ    細管１２のショットブラスト処理層
１２ＢＸ    細管１２のショットブラスト処理層上のアルミナ層
１２Ｐ    シリンジ１２のピストン
１４    ステージ
１４Ｈ    ステージ１４の内臓ヒータ
１６    駆動モーター
１８    ＣＣＤカメラ
２０    膜ヒータ
２２    断熱層
２４    送風システム
２６    流量調整弁
２８    パイプ
３０    風洞
３２    整流版
Ｒ    回転軸
Ｓ    試料
Ｚ    試料面
θ    ステージ傾斜角
Ｖ    滑落速度
Ｐ１、Ｐ２    滑落速度測定用２位置
ｄ    Ｐ１・Ｐ２間の距離
Ｌ    レーザビーム発光・受光装置
Ｘ    レーザビーム
Ｍ    ミラー
Ｆ    液滴
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３    表示・記録装置
【図１】
2007040730.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2007040730.tif 000007
【図６】
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【図７】
2007040730.tif 000009
【図８】
2007040730.tif 000010
【図９】
2007040730.tif 000011
【図１０】
2007040730.tif 000012
【図１１】
2007040730.tif 000013
【図１２】
2007040730.tif 000014