JP2005337781A - Measuring method of surface free energy of solid and measuring instrument therefor - Google Patents

Measuring method of surface free energy of solid and measuring instrument therefor Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a measuring method of the surface free energy of a solid so constituted as to reduce the irregularity of a measuring result and capable of easily judging the reliability of the measuring result. <P>SOLUTION: The contact angle of the solid to be measured with a liquid known in the respective components of surface free energy is measured and surface free energy of the solid is measured using the numerical formula 7 due to an extended Fowkes theory. The surface free energy is calculated from the contact angle data due to at least four liquids. In the formula, γL is the surface free energy of the liquid represented by γ<SP>a</SP>L+γ<SP>b</SP>L+γ<SP>c</SP>L, γ<SP>a</SP>L is the dispersion component of the surface free energy of the liquid, γ<SP>b</SP>L is a dipole component of the surface free energy of the liquid, γ<SP>c</SP>L is a hydrogen bond component of the surface free energy of the liquid, γ<SP>a</SP>S is the dispersion component of the surface free energy of the solid, γ<SP>b</SP>S is the dipole component of the surface free energy of the solid, γ<SP>c</SP>S is the hydrogen bond component of the surface free energy of the solid and θ is a contact angle. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、信頼性の高い固体の表面自由エネルギー測定方法及び固体の表面自由エネルギーの測定装置に関する。   The present invention relates to a highly reliable solid surface free energy measuring method and a solid surface free energy measuring apparatus.

北崎寧昭、畑敏雄らは、非特許文献1において、表面自由エネルギー(表面張力と同義)に関し、非極性な分子間力についてのFowkesの理論が、更に極性又は水素結合性の分子間力による成分にまで拡張することができ、この拡張Fowkes理論によれば、各物質の表面自由エネルギーを3成分から求められることを報告している。   Ninoaki Kitasaki, Toshio Hata et al., In Non-Patent Document 1, regarding the surface free energy (synonymous with surface tension), Fowkes's theory of nonpolar intermolecular forces is further based on polar or hydrogen-bonded intermolecular forces. It is reported that the surface free energy of each substance can be obtained from three components according to this extended Fowkes theory.

この理論は下記の3つの仮定から成立している。
−仮定1−
固体(有機物質)の表面自由エネルギーは、下記数式1に示すように3種の異なった成分の和として表される。
<数式1>
γ=γa+γ+γ
ただし、前記数式1中、γaは分散成分(非極性のぬれ)、γは双極子成分(極性によるぬれ)、γは水素結合成分(水素結合によるぬれ)を表す。
This theory is based on the following three assumptions.
-Assumption 1
The surface free energy of a solid (organic substance) is expressed as the sum of three different components as shown in Equation 1 below.
<Formula 1>
γ = γ a + γ b + γ c
In Formula 1, γ a represents a dispersion component (nonpolar wetting), γ b represents a dipole component (wetting by polarity), and γ c represents a hydrogen bonding component (wetting by hydrogen bonding).

−仮定2−
2つの物質が接触する結果、減少するそれぞれの表面自由エネルギーは、下記数式2で表されるように、対応する表面自由エネルギーの幾何平均の和として表すことができる。一方、対応する成分がない場合は、その成分の相互作用はないと考える。
-Assumption 2-
Each surface free energy that decreases as a result of contact between two substances can be expressed as the sum of the geometric mean of the corresponding surface free energies, as shown in Equation 2 below. On the other hand, when there is no corresponding component, it is considered that there is no interaction between the components.

Figure 2005337781
Figure 2005337781

−仮定3−
標準物質は、以下の3種類に分類される。
TypeA γ=γa型:飽和炭化水素の液体及び固体である。
TypeB γ=γa+γ型:TypeA及びTypeC以外の液体及び固体である。
TypeC γ=γa+γ+γ型:水に可溶又は水との界面張力が小さく(γ12<30mN/m)、水素結合を持つような液体及び固体である。
-Assumption 3-
Standard substances are classified into the following three types.
TypeA γ = γ a type: a liquid and solid saturated hydrocarbons.
Type B γ = γ a + γ b type: liquids and solids other than Type A and Type C.
Type C γ = γ a + γ b + γ c type: Liquids and solids that are soluble in water or have low interfacial tension with water (γ 12 <30 mN / m) and have hydrogen bonds.

また、非特許文献1には、以下に示すように、TypeA〜Cの標準物質についての表面自由エネルギーのデータが記載されている。
〔TypeAの表面自由エネルギー〕

Figure 2005337781
Non-Patent Document 1 describes surface free energy data for standard materials of Type A to C as shown below.
[Surface free energy of Type A]
Figure 2005337781

〔TypeBの表面自由エネルギー〕

Figure 2005337781
( ):標準偏差 [Surface free energy of Type B]
Figure 2005337781
( ):standard deviation

〔TypeCの表面自由エネルギー〕

Figure 2005337781
( ):標準偏差 [Surface free energy of Type C]
Figure 2005337781
( ):standard deviation

これらの仮定1〜3に基づいて、固体の表面自由エネルギーは、以下のようにして求めることができる。
まず、物質1と物質2の接着エネルギーW12は、下記数式3で表される。
<数式3>
12=γ+γ−γ12
次に、上記数式2より、前記数式3は下記数式4となる。

Figure 2005337781
また、物質が固体と液体である場合、図1に示すように、液滴が固体表面上で接触角θを保って平衡に達しているとすると、下記数式5で表されるヤングの式が成立する。
<数式5>
γ=γSL+γLcosθ Based on these assumptions 1 to 3, the surface free energy of the solid can be obtained as follows.
First, adhesion energy W 12 of material 1 and material 2 is represented by the following Equation 3.
<Formula 3>
W 12 = γ 1 + γ 2 −γ 12
Next, from Equation 2 above, Equation 3 becomes Equation 4 below.
Figure 2005337781
Further, when the substance is a solid and a liquid, as shown in FIG. 1, assuming that the droplet has reached the equilibrium while maintaining the contact angle θ on the solid surface, the Young's formula expressed by the following formula 5 is obtained. To establish.
<Formula 5>
γ s = γ SL + γ L cos θ

したがって、前記数式3、及び前記数式5から接触角と接着エネルギーWsLの間には、下記数式6で示される関係が成立する。
<数式6>
SL=γ(1+cosθ)
Therefore, the relationship shown by the following formula 6 is established between the contact angle and the adhesive energy W sL based on the formula 3 and the formula 5.
<Formula 6>
W SL = γ L (1 + cos θ)

そして、前記数式4、及び前記数式6から、拡張Fowkes理論を表す下記数式7が求められる。   Then, the following formula 7 representing the extended Fowkes theory is obtained from the formula 4 and the formula 6.

Figure 2005337781
Figure 2005337781

まず、TypeAの液体で接触角を測定し、前記数式7からγS aを求める。次に、TypeBの液体で接触角を測定し、前記数式7からγS bを求める。この際、TypeBの液体2種類のデータから連立方程式によりγS a、γS bを求めてもよい。最後に、TypeCの液体で接触角を測定し、前記数式7からγS cを求める。以上により固体の表面自由エネルギーの各成分を求めることができる。また、γL b又はγL cがすべての液体で0とならない3種の液体のデータから、3元連立方程式によっても固体の表面自由エネルギーの各成分を求めることができる。 First, the contact angle is measured with a Type A liquid, and γ S a is obtained from Equation 7. Next, the contact angle is measured with a Type B liquid, and γ S b is obtained from Equation 7. At this time, γ S a and γ S b may be obtained from simultaneous data of two types of Type B liquid. Finally, the contact angle is measured with a Type C liquid, and γ S c is obtained from Equation 7. Thus, each component of the solid surface free energy can be obtained. Further, each component of the surface free energy of the solid can also be obtained from the data of three kinds of liquids in which γ L b or γ L c is not 0 in all liquids, using a ternary simultaneous equation.

しかしながら、上記方法により固体の表面自由エネルギーの各成分を求めようとした際、計算により表面自由エネルギーの各成分の平方根(√γS bなど)が負になってしまう場合があり、例えば、√γS bが負になった場合には強いて自乗してγS bを求めず、γS b=0としている。 However, when each component of the surface free energy of the solid is determined by the above method, the square root of each component of the surface free energy (such as √γ S b ) may become negative due to the calculation. For example, √ When γ S b becomes negative, it is forced to square and γ S b is not obtained, and γ S b = 0.

このように3種の液体の接触角データから固体の表面自由エネルギーを測定する方法は、測定に用いる液体の組み合わせにより求まる固体の表面自由エネルギーが大きく異なってしまい、どの液体の組み合わせを用いた測定結果を信頼してよいのかわからないという問題がある。また、接触角はサンプルの表面形状などの影響を受けてその値が変化するため、場合により正確な表面自由エネルギーが測れていないことがあるが、従来の方法では正確な表面自由エネルギーが測定できていない場合でも、このことを判断するのは困難であるのが現状である。   As described above, the method for measuring the surface free energy of a solid from the contact angle data of three types of liquids greatly differs depending on the combination of the liquids used for the measurement, and the measurement using which combination of liquids. There is a problem of not knowing whether to trust the result. In addition, since the value of the contact angle changes due to the influence of the surface shape of the sample, the accurate surface free energy may not be measured in some cases. However, the conventional method cannot measure the accurate surface free energy. Even if not, it is difficult to judge this.

日本接着協会紙8(3)、131−141(1972)Japan Adhesion Association Paper 8 (3), 131-141 (1972)

本発明は、従来における問題を解決し、以下の目的を達成することを課題とする。即ち、本発明は、接触角の測定誤差の影響が少なく、また、測定に用いる液体の組み合わせによる測定結果のばらつきが少なく、更に、測定結果の信頼性を容易に判断できる固体の表面自由エネルギー測定方法及び固体の表面自由エネルギーの測定装置を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to solve the conventional problems and achieve the following objects. That is, the present invention is less affected by contact angle measurement errors, has little variation in measurement results due to the combination of liquids used for measurement, and further, can measure the surface free energy of a solid that can easily determine the reliability of the measurement results. It is an object to provide a method and an apparatus for measuring the surface free energy of a solid.

前記課題を解決するための手段としては、以下の通りである。即ち、
<1> 測定対象である固体と、表面自由エネルギーの各成分が既知の液体との接触角を測定し、拡張Fowkes理論による下記数式7を用いて固体の表面自由エネルギーを測定する方法であって、4種以上の液体による接触角データから線形回帰により表面自由エネルギーを求めることを特徴とする固体の表面自由エネルギー測定方法である。

Figure 2005337781
ただし、前記数式中、γは、γ +γ +γ で表される液体の表面自由エネルギーを表す。γ は、液体の表面自由エネルギーの分散成分を表す。γ は、液体の表面自由エネルギーの双極子成分を表す。γ は、液体の表面自由エネルギーの水素結合成分を表す。γ は、固体の表面自由エネルギーの分散成分を表す。γ は、固体の表面自由エネルギーの双極子成分を表す。γ は、固体の表面自由エネルギーの水素結合成分を表す。θは、接触角を表す。
<2> 接触角データから表面自由エネルギーを算出する際に、R-2乗値(重相関係数)を求める前記<1>に記載の固体の表面自由エネルギー測定方法である。
<3>
Figure 2005337781
R−2乗値が一番大きくなる場合の結果を固体の表面自由エネルギーとする前記<1>から<2>のいずれかに記載の固体の表面自由エネルギー測定方法である。
<4> R−2乗値が0.8以上であるとき、測定結果の信頼性があると判断する前記<1>から<3>のいずれかに記載の固体の表面自由エネルギー測定方法である。
<5> 拡張Fowkes理論におけるTypeBの液体とTypeCの液体のみを用いる前記<1>から<4>のいずれかに記載の固体の表面自由エネルギー測定方法である。
<6> 拡張Fowkes理論におけるTypeBの液体2種以上、TypeCの液体2種以上を用いる前記<1>から<5>のいずれかに記載の固体の表面自由エネルギー測定方法である。
<7> 測定対象である固体の表面が平滑である前記<1>から<6>のいずれかに記載の固体の表面自由エネルギー測定方法である。
<8> 前記<1>から<7>のいずれかに記載の固体の表面自由エネルギー測定方法を用い、固体の表面自由エネルギーの解析を行うプログラムを記録したことを特徴とする記録媒体である。
<9> 前記<8>に記載の記録媒体を具備することを特徴とする固体の表面自由エネルギー測定装置である。 Means for solving the problems are as follows. That is,
<1> A method of measuring the contact angle between a solid to be measured and a liquid whose surface free energy components are known, and measuring the surface free energy of the solid using the following formula 7 based on the extended Fowkes theory. A surface free energy measuring method for a solid, characterized in that surface free energy is obtained by linear regression from contact angle data of four or more liquids.
Figure 2005337781
However, in the formula, gamma L represents the surface free energy of the liquid represented by γ a L + γ b L + γ C L. γ a L represents a dispersion component of the surface free energy of the liquid. γ b L represents a dipole component of the surface free energy of the liquid. γ C L represents the hydrogen bond component of the surface free energy of the liquid. γ a S represents a dispersion component of the surface free energy of the solid. γ b S represents the dipole component of the surface free energy of the solid. γ C S represents a hydrogen bond component of the surface free energy of the solid. θ represents the contact angle.
<2> The solid surface free energy measurement method according to <1>, wherein an R-square value (multiple correlation coefficient) is obtained when calculating the surface free energy from contact angle data.
<3>
Figure 2005337781
The solid surface free energy measurement method according to any one of <1> to <2>, wherein the result when the R-square value is the largest is the surface free energy of the solid.
<4> The solid surface free energy measurement method according to any one of <1> to <3>, wherein the measurement result is determined to be reliable when the R-square value is 0.8 or more. .
<5> The solid surface free energy measurement method according to any one of <1> to <4>, wherein only the Type B liquid and the Type C liquid in the extended Fowkes theory are used.
<6> The solid surface free energy measurement method according to any one of <1> to <5>, wherein two or more Type B liquids and two or more Type C liquids in the extended Fowkes theory are used.
<7> The solid surface free energy measuring method according to any one of <1> to <6>, wherein the surface of the solid to be measured is smooth.
<8> A recording medium on which a program for analyzing the surface free energy of a solid is recorded using the method for measuring the surface free energy of a solid according to any one of <1> to <7>.
<9> A solid surface free energy measuring apparatus comprising the recording medium according to <8>.

本発明の固体の表面自由エネルギー測定方法においては、4種以上の液体による接触角データから線形回帰により表面自由エネルギーを求めることにより、この接触角の真値からのずれの影響を平均化し、表面自由エネルギーの測定結果における接触角の測定誤差の影響を少なくすることができる。   In the solid surface free energy measuring method of the present invention, the surface free energy is obtained by linear regression from the contact angle data of four or more liquids, thereby averaging the influence of deviation from the true value of the contact angle. The influence of the measurement error of the contact angle on the measurement result of free energy can be reduced.

本発明によると、従来における諸問題を解決でき、固体の表面自由エネルギーを4種上の液体による接触角データからの線形回帰により求めることにより、接触角の測定誤差の影響を少なくすることができ、測定結果の信頼性を容易に判断することができる。   According to the present invention, conventional problems can be solved, and the influence of contact angle measurement error can be reduced by obtaining the surface free energy of a solid by linear regression from the contact angle data of four types of liquids. The reliability of the measurement result can be easily determined.

(固体の表面自由エネルギーの測定方法)
本発明の固体の表面自由エネルギーの測定方法は、測定対象である固体と、表面自由エネルギーの各成分が既知の液体との接触角を測定し、拡張Fowkes理論による下記数式7を用いて固体の表面自由エネルギーを測定する方法において、4種以上の液体による接触角データから線形回帰により表面自由エネルギーを求める。
(Measurement method of surface free energy of solid)
In the method for measuring the surface free energy of a solid according to the present invention, the contact angle between the solid to be measured and a liquid whose components of the surface free energy are known is measured using the following formula 7 based on the extended Fowkes theory. In the method of measuring surface free energy, surface free energy is obtained by linear regression from contact angle data of four or more liquids.

Figure 2005337781
ただし、前記数式7中、γは、γ +γ +γ で表される液体の表面自由エネルギーを表す。γ は、液体の表面自由エネルギーの分散成分を表す。γ は、液体の表面自由エネルギーの双極子成分を表す。γ は、液体の表面自由エネルギーの水素結合成分を表す。γ は、固体の表面自由エネルギーの分散成分を表す。γ は、固体の表面自由エネルギーの双極子成分を表す。γ は、固体の表面自由エネルギーの水素結合成分を表す。θは、接触角を表す。
Figure 2005337781
However, in Equation 7, gamma L represents the surface free energy of the liquid represented by γ a L + γ b L + γ C L. γ a L represents a dispersion component of the surface free energy of the liquid. γ b L represents a dipole component of the surface free energy of the liquid. γ C L represents the hydrogen bond component of the surface free energy of the liquid. γ a S represents a dispersion component of the surface free energy of the solid. γ b S represents the dipole component of the surface free energy of the solid. γ C S represents a hydrogen bond component of the surface free energy of the solid. θ represents the contact angle.

ここで、前記拡張Fowkes理論の数式7は、   Here, the formula 7 of the extended Fowkes theory is

Figure 2005337781
とおくと、下記数式8に示すようになる。
<数式8>
y=ax+bx+cx
Figure 2005337781
Then, the following formula 8 is obtained.
<Formula 8>
y = ax 1 + bx 2 + cx 3

固体の表面自由エネルギーの各成分(a,b,c)は標準物質による接触角データ(y;x1,x2,x3)からの線形回帰により求めることができる。従来の3種類の液体の接触角データから求める方法は3つの未知数を3つの式から求めている。そのため何らかの影響で1つの液体の接触角が真値から大きくずれると、求まる固体の表面自由エネルギーもその影響を大きく受けてしまう。
本発明の4種以上の液体との接触角データから固体の表面自由エネルギーを測定する方法では、この接触角の真値からのずれの影響を平均化し、表面自由エネルギーの測定結果における接触角の測定誤差の影響を少なくすることができる。
ここで、前記接触角の測定は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、一般的な液滴法、メニスカス法等により測定することができる。なお、測定方法の詳しい説明については、「ぬれ技術ハンドブック〜基礎・測定評価・データ〜」(監修:石井淑夫、小石眞純、角田光雄 発行所:株式会社テクノシステム)に記載されている。
Each component (a, b, c) of the surface free energy of the solid can be obtained by linear regression from contact angle data (y; x1, x2, x3) by the standard substance. The conventional method of obtaining from three types of liquid contact angle data obtains three unknowns from three equations. Therefore, if the contact angle of one liquid greatly deviates from the true value due to some influence, the obtained surface free energy of the solid is greatly affected.
In the method for measuring the surface free energy of a solid from the contact angle data with four or more liquids according to the present invention, the influence of deviation from the true value of the contact angle is averaged, and the contact angle of the measurement result of the surface free energy is calculated. The influence of measurement error can be reduced.
Here, the measurement of the contact angle is not particularly limited and can be appropriately selected according to the purpose. For example, the contact angle can be measured by a general droplet method, a meniscus method, or the like. A detailed description of the measurement method is described in “Wet Technology Handbook: Basics, Measurement Evaluation, Data” (supervised by Ikuo Ishii, Junji Koishi, Mitsuo Tsunoda, Publisher: Techno System Co., Ltd.)

−線形回帰による計算方法−
線形回帰による計算方法は以下の通りである。即ち、
n種類(n≧3)の液体による接触角データがあるとすると、下記数式9で表される。
<数式9>
yi=axi1+bxi2+cxi3
ただし、iは1〜nを表す。
-Calculation method by linear regression-
The calculation method by linear regression is as follows. That is,
Assuming that there is contact angle data for n types (n ≧ 3) of liquid, it is expressed by the following mathematical formula 9.
<Formula 9>
yi = ax i1 + bx i2 + cx i3
However, i represents 1 to n.

誤差をεは、下記数式10で表される。
<数式10>
εi=yi−(axi1+bxi2+cxi3
ただし、iは1〜nを表す。
The error ε is expressed by Equation 10 below.
<Formula 10>
εi = yi− (ax i1 + bx i2 + cx i3 )
However, i represents 1 to n.

この誤差の二乗和は、下記数式11で表される。

Figure 2005337781
前記数式11が最小になるように(a,b,c)を決める。最小の条件は、下記数式12〜14に示す通りである。 The sum of squares of this error is expressed by Equation 11 below.
Figure 2005337781
(A, b, c) is determined so that the formula 11 is minimized. The minimum conditions are as shown in the following formulas 12-14.

Figure 2005337781
Figure 2005337781

前記数式12より、下記数式15が求まる。

Figure 2005337781
前記数式13より、下記数式16が求まる。
Figure 2005337781
前記数式14より、下記数式17が求まる。
Figure 2005337781
From the equation 12, the following equation 15 is obtained.
Figure 2005337781
From Equation 13, the following Equation 16 is obtained.
Figure 2005337781
From the equation 14, the following equation 17 is obtained.
Figure 2005337781

次に、前記数式15、前記数式16、及び前記数式17で表される3元連立方程式を解けば、(a,b,c)が求まる。この(a,b,c)をそれぞれ二乗することにより、固体の表面自由エネルギーが求まる。しかし、この場合、a,b,cのいずれかが負になる場合がある。a,b,cは固体の表面自由エネルギーの平方根であるので、これが負というのは物理的におかしなことである。したがって、上記計算はa≧0,b≧0,c≧0の条件の下で解かなければならない。   Next, (a, b, c) is obtained by solving the ternary simultaneous equations expressed by the mathematical formula 15, the mathematical formula 16, and the mathematical formula 17. The surface free energy of the solid can be obtained by squaring each of (a, b, c). However, in this case, any of a, b, and c may be negative. Since a, b, and c are the square roots of the surface free energy of the solid, it is physically strange that this is negative. Therefore, the above calculation must be solved under the conditions of a ≧ 0, b ≧ 0, and c ≧ 0.

S(a,b,c)は、a,b,及びcに対して2次であるから、a,b,及びcのいずれかが負になった場合、例えば、cが負になった場合は、c=0とおき、S(a,b,0)が最小になるように(a,b)を求める。ここで、bが負になった場合は、更にb=0とおき、S(a,0,0)が最小になるようにaを求める。しかし、cが負になった場合は、b=0とおき、S(a,0,c)が最小になるように(a,c)を求めた方がSが小さくなる場合もある。したがって、実際には、a,b,cのいずれかが負になった場合には、a=0、b=0、c=0、a=b=0、a=c=0、b=c=0としてそれぞれ計算し、a≧0,b≧0,c≧0であり、かつSが最小となるものがa≧0,b≧0,c≧0の範囲で接触角データに最もよく合致する解となる。   Since S (a, b, c) is quadratic with respect to a, b, and c, when any of a, b, and c becomes negative, for example, when c becomes negative Obtains (a, b) such that c = 0 and S (a, b, 0) is minimized. Here, when b becomes negative, b is further set to 0, and a is obtained so that S (a, 0, 0) is minimized. However, when c becomes negative, there are cases where S becomes smaller when b = 0 and when (a, c) is calculated so that S (a, 0, c) is minimized. Therefore, actually, when any of a, b, and c becomes negative, a = 0, b = 0, c = 0, a = b = 0, a = c = 0, b = c = 0, a ≧ 0, b ≧ 0, c ≧ 0, and those with the smallest S best match the contact angle data in the range of a ≧ 0, b ≧ 0, c ≧ 0 The solution to

また、R−2乗値は、下記数式18から求めることができる。

Figure 2005337781
前記数式11及び前記数式18からSが最小の場合、R−2乗値は最大となる。
なお、a,b,及びcのいずれかが負になった場合、従来のように、負になったものを0とすることが考えられるが、これは上記のことからわかるように、接触角データに最もよく合致する解ではない。 Further, the R-2 power value can be obtained from Equation 18 below.
Figure 2005337781
When S is the minimum from Equation 11 and Equation 18, the R-squared value is the maximum.
When any of a, b, and c becomes negative, it is conceivable that the negative value becomes 0 as in the prior art, but as can be seen from the above, the contact angle It is not the solution that best fits the data.

上述したように、線形回帰から固体の表面自由エネルギーを求める場合には、R−2乗値(重相関係数)を計算する。前記R−2乗値が1に近ければ、接触角データがすべて前記拡張Fowkes理論の数式7にのっており、求められた固体の表面自由エネルギーは信頼性が高いと判断できる。つまり、前記R−2乗値により測定の信頼性を容易に判断することができる。この場合、前記R−2乗値が0.8以上であると、測定結果は信頼できると判断できる。前記R−2乗値が小さく、信頼性が低いと判断された場合は接触角が正確に測定できていないと考えられる。この原因としては、多くの場合、サンプルの表面形状が影響し、表面粗さや空隙を少なくするようなサンプル形態の工夫が必要である。表面粗さや空隙の少ないサンプルの作製方法としては、例えば、樹脂等であればキャスト法、その他では、圧縮成型や熱溶融することなどが挙げられる。   As described above, when the surface free energy of a solid is obtained from linear regression, an R-2 power value (multiple correlation coefficient) is calculated. If the R-square value is close to 1, all the contact angle data is in Equation 7 of the extended Fowkes theory, and it can be determined that the obtained surface free energy of the solid is highly reliable. That is, the measurement reliability can be easily determined from the R-2 power value. In this case, if the R-2 power value is 0.8 or more, it can be determined that the measurement result is reliable. If it is determined that the R-square value is small and the reliability is low, it is considered that the contact angle cannot be measured accurately. As a cause of this, in many cases, the surface shape of the sample has an effect, and it is necessary to devise a sample form that reduces the surface roughness and voids. Examples of a method for producing a sample with less surface roughness and voids include a casting method for resins and the like, and compression molding and heat melting for others.

本発明の固体の表面自由エネルギー測定方法に用いる標準物質としては、表面自由エネルギーの各成分が既知の4種以上の液体であって、すべての液体でγL b又はγL cが0とならない組み合わせであれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記表面自由エネルギーの各成分が既知の液体としては、例えば、上記表1〜表3に示すものがある。ただし、前記標準物質としては、拡張濡れを起こさないことが必要である。拡張濡れは固体上に液滴を乗せたとき、自発的に濡れが広がってしまう現象であり、この場合、接触角を測定することができない。多くの固体(有機物)に対して表1に記載のTypeAの液体は拡張濡れを起こすので好ましくない。
As a standard substance used in the method for measuring the surface free energy of a solid according to the present invention, each component of the surface free energy is four or more known liquids, and γ L b or γ L c does not become zero in all liquids. If it is a combination, there will be no restriction | limiting in particular, According to the objective, it can select suitably.
Examples of liquids having known components of the surface free energy include those shown in Tables 1 to 3 above. However, it is necessary that the reference material does not cause extended wetting. Extended wetting is a phenomenon in which wetting spreads spontaneously when a droplet is placed on a solid, and in this case, the contact angle cannot be measured. The Type A liquids listed in Table 1 for many solids (organic substances) are not preferred because they cause extended wetting.

したがって、前記固体(有機物)の表面自由エネルギーを測定する際の標準物質の組み合わせとしてはTypeAの液体を用いず、TypeBの液体を2種類以上、TypeCの液体を2種類以上含む組み合わせが好ましい。例えば、TypeBの液体として、ジヨードメタン、α−ブロモナフタレン、TypeCの液体として、グリセリン、ジエチレングリコール、ホルムアミドをなどが挙げられる。
前記固体の表面自由エネルギー測定では、測定に用いる液体の組み合わせにより求まる値が変わってしまうが、TypeBの液体を2種類以上、TypeCの液体を2種類以上含む組み合わせではほぼ同じ値を示すので測定が安定する。
Therefore, the combination of standard substances for measuring the surface free energy of the solid (organic substance) is preferably a combination containing two or more types of Type B liquids and two or more types of Type C liquids without using Type A liquids. Examples of the Type B liquid include diiodomethane, α-bromonaphthalene, and Type C liquids such as glycerin, diethylene glycol, and formamide.
In the measurement of the surface free energy of the solid, the value obtained depends on the combination of the liquids used for the measurement. However, the combination of two or more Type B liquids and two or more Type C liquids shows almost the same value. Stabilize.

本発明の固体の表面自由エネルギー測定方法における測定対象である固体は、表面が平滑であるものが好ましい。表面が平滑なサンプル作製方法としては、例えば、樹脂であればキャスト法によりフィルム上に成型、粉末状のものであれば圧縮成型や熱溶融することが挙げられる。   The solid to be measured in the solid surface free energy measuring method of the present invention preferably has a smooth surface. Examples of the method for preparing a sample having a smooth surface include molding on a film by a casting method if it is a resin, and compression molding or heat melting if it is a powder.

以上のように、本発明の固体の表面自由エネルギー測定方法は、接触角の測定誤差の影響が少なく、また、測定に用いる液体の組み合わせによる測定結果のばらつきが少なく、更に、測定結果の信頼性を容易に判断できる固体の表面自由エネルギー測定方法が提供でき、表面処理、表面改質、接着剤、塗装、コーティングなどの分野に幅広く適用できる。   As described above, the solid surface free energy measurement method of the present invention is less affected by the measurement error of the contact angle, there is little variation in measurement results due to the combination of liquids used for measurement, and the reliability of the measurement results It is possible to provide a method for measuring the surface free energy of a solid that can be easily determined, and can be widely applied to fields such as surface treatment, surface modification, adhesive, painting, and coating.

(記録媒体)
本発明の固体の表面自由エネルギー測定方法における計算過程をプログラムした記録媒体を用いることで、コンピュータにより固体の表面自由エネルギーを容易に求めることができる。
前記記録媒体としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、FD、CD、MO、MD、DVDなどが挙げられる。
(recoding media)
By using the recording medium programmed with the calculation process in the solid surface free energy measuring method of the present invention, the surface free energy of the solid can be easily obtained by a computer.
There is no restriction | limiting in particular as said recording medium, According to the objective, it can select suitably, For example, FD, CD, MO, MD, DVD etc. are mentioned.

(固体の表面自由エネルギーの測定装置)
本発明の固体の表面自由エネルギー測定装置は、前記本発明の記録媒体を具備してなり、更に必要に応じて記録手段、制御手段などのその他の手段を有してなる。
前記記録手段としては、例えば、プリンター、液晶画面、CRT等の表示装置、などが挙げられる。
前記制御手段としては、前記各手段の動きを制御することができる限り特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、シークエンサー、コンピュータ等の機器が挙げられる。
(Measurement device for solid surface free energy)
The solid surface free energy measuring apparatus of the present invention comprises the recording medium of the present invention, and further includes other means such as a recording means and a control means as required.
Examples of the recording means include a printer, a liquid crystal screen, a display device such as a CRT, and the like.
The control means is not particularly limited as long as the movement of each means can be controlled, and can be appropriately selected according to the purpose. Examples thereof include devices such as a sequencer and a computer.

以下、本発明の実施例について説明するが、本発明はこれら実施例に何ら限定されるものではない。   Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to these examples.

(実施例1)
測定対象としてのポリスチレンについて、TypeBの液体であるジヨードメタン、α−ブロモナフタレン、TypeCの液体であるグリセリン、ジエチレングリコールの合計4種の液体を用いて接触角を測定した。
具体的には、ポリスチレンはテトラヒドロフラン(THF)に溶かし、該溶液をキャスト法にてポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム上に成膜させて、表面が平滑なサンプルを作製した。前記接触角は、自動接触角計(協和界面科学株式会社製、CA−W)を用いて測定した。結果を表4に示す。
(Example 1)
About polystyrene as a measuring object, the contact angle was measured using a total of four kinds of liquids, i.e., diiodomethane, α-bromonaphthalene, which is a liquid of Type B, glycerin, which is a liquid of Type C, and diethylene glycol.
Specifically, polystyrene was dissolved in tetrahydrofuran (THF), and the solution was deposited on a polyethylene terephthalate (PET) film by a casting method to prepare a sample having a smooth surface. The contact angle was measured using an automatic contact angle meter (Kyowa Interface Science Co., Ltd., CA-W). The results are shown in Table 4.

Figure 2005337781
表4の接触角の測定結果と各液体の表面自由エネルギーを上記数式15〜数式17に代入し、3元連立方程式を解いた。その結果、下記表5に示すようにb及びcが負となった。
Figure 2005337781
The measurement results of the contact angles and the surface free energy of each liquid in Table 4 were substituted into the above formulas 15 to 17 to solve the ternary simultaneous equations. As a result, b and c were negative as shown in Table 5 below.

Figure 2005337781
Figure 2005337781

次に、a=0、b=0、c=0、a=b=0、a=c=0、b=c=0とし、それぞれの場合について計算した。結果を表6に示す。   Next, a = 0, b = 0, c = 0, a = b = 0, a = c = 0, b = c = 0, and calculation was performed for each case. The results are shown in Table 6.

Figure 2005337781
表6の結果から、a≧0,b≧0,c≧0であり、かつR−2乗値が一番大きくなるのはc=0の場合である。したがってポリスチレンの表面自由エネルギーはc=0の場合のa,b,及びcを自乗することにより、下記表7に示すように求めることができる。
Figure 2005337781
From the results of Table 6, a ≧ 0, b ≧ 0, c ≧ 0, and the R-2 power value is largest when c = 0. Therefore, the surface free energy of polystyrene can be obtained as shown in Table 7 below by squaring a, b, and c when c = 0.

Figure 2005337781
Figure 2005337781

(実施例2)
測定対象としてのポリメタクリル酸メチル(PMMA)、ポリスチレン、及びポリエチレンテレフタレート(PET)について、表面自由エネルギーを測定した。
ポリメタクリル酸メチル(PMMA)、及びポリスチレンはテトラヒドロフラン(THF)に溶かし、該溶液をキャスト法にてポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム上に成膜させて、表面が平滑なサンプルを作製した。ポリエチレンテレフタレート(PET)については、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルムを用いた。
標準物質としてTypeBの液体であるジヨードメタン、α−ブロモナフタレン、TypeCの液体であるグリセリン、ジエチレングリコール、ホルムアミドの合計5種類を用いた。前記接触角は、自動接触角計(協和界面科学株式会社製、CA−W)を用いて測定した。
測定した接触角のデータから本発明の方法を用いて表面自由エネルギーを算出した。その際、液体の組み合わせを変えて表面自由エネルギーを算出した。結果を表8に示す。
(Example 2)
The surface free energy was measured for polymethyl methacrylate (PMMA), polystyrene, and polyethylene terephthalate (PET) as measurement objects.
Polymethyl methacrylate (PMMA) and polystyrene were dissolved in tetrahydrofuran (THF), and the solution was deposited on a polyethylene terephthalate (PET) film by a casting method to prepare a sample having a smooth surface. For polyethylene terephthalate (PET), a polyethylene terephthalate (PET) film was used.
A total of 5 types of diiodomethane, α-bromonaphthalene, which is a liquid of Type B, and glycerin, diethylene glycol, and formamide, which are liquids of Type C, were used as standard substances. The contact angle was measured using an automatic contact angle meter (Kyowa Interface Science Co., Ltd., CA-W).
The surface free energy was calculated from the measured contact angle data using the method of the present invention. At that time, the surface free energy was calculated by changing the combination of liquids. The results are shown in Table 8.

Figure 2005337781
Figure 2005337781

(比較例1)
実施例2において、3種類の液体(ジヨードメタン、α−ブロモナフタレン、ジエチレングリコール)の接触角のデータから実施例2と同様にして、表面自由エネルギーを算出した。結果を表9に示す。
(Comparative Example 1)
In Example 2, the surface free energy was calculated in the same manner as in Example 2 from the contact angle data of three types of liquids (diiodomethane, α-bromonaphthalene, diethylene glycol). The results are shown in Table 9.

Figure 2005337781
Figure 2005337781

表8の結果から、実施例2は、R−2乗値を見るとすべて0.9を超えており測定結果は信頼性があると判断できる。また、実施例2における液体の組み合わせでは、算出される固体の表面自由エネルギーはほぼ同じ値となっていることが求められる。
これに対し、表9の結果から、比較例1では、液体の組み合わせにより求まる表面自由エネルギーがばらついていることがわかる。特にポリメタクリル酸メチル(PMMA)、ポリエチレンテレフタレート(PET)において、極性成分γbは液体の組み合わせにより大きく異なっている。
From the results shown in Table 8, it can be determined that Example 2 is more than 0.9 in all of R-2 power values, and the measurement results are reliable. Moreover, in the combination of the liquid in Example 2, it is calculated | required that the calculated surface free energy of the solid becomes substantially the same value.
On the other hand, from the results in Table 9, it can be seen that in Comparative Example 1, the surface free energy obtained by the combination of liquids varies. In particular, in polymethyl methacrylate (PMMA) and polyethylene terephthalate (PET), the polar component γb varies greatly depending on the combination of liquids.

(実施例3)
測定対象としてのステアリン酸亜鉛の表面自由エネルギーを測定した。ステアリン酸亜鉛は粉体であるため、圧縮成型により表面が平滑になるようにサンプルを作製した。
標準物質としては、ジヨードメタン、α−ブロモナフタレン、グリセリン、及びジエチレングリコールの4種の液体を用いた。前記接触角は、自動接触角計(協和界面科学株式会社製、CA−W)を用いて測定した。結果を表10に示す。
(Example 3)
The surface free energy of zinc stearate as a measurement object was measured. Since zinc stearate is a powder, a sample was prepared so as to have a smooth surface by compression molding.
As standard substances, four liquids of diiodomethane, α-bromonaphthalene, glycerin, and diethylene glycol were used. The contact angle was measured using an automatic contact angle meter (Kyowa Interface Science Co., Ltd., CA-W). The results are shown in Table 10.

Figure 2005337781
表10の結果から、R−2乗値が0.473と小さく信頼性が低い結果となった。これはサンプルが十分に平滑でなく、また、測定中に液体がサンプルにわずかながら染み込んでいることが観察され、正確な接触角が測定できなかったためであると考えられる。
Figure 2005337781
From the results of Table 10, the R-2 power value was as small as 0.473, and the reliability was low. This is considered to be because the sample was not sufficiently smooth, and it was observed that the liquid slightly permeated the sample during the measurement, and an accurate contact angle could not be measured.

(実施例4)
実施例3において、ステアリン酸亜鉛を熱溶融した後、ゆっくりと冷却して固めることにより、サンプルの表面が十分に平滑であるものを作製した以外は、実施例3と同様に測定を行った。結果を表11に示す。
Example 4
In Example 3, the measurement was performed in the same manner as in Example 3 except that after the zinc stearate was melted by heat and then slowly cooled and solidified, a sample having a sufficiently smooth surface was produced. The results are shown in Table 11.

Figure 2005337781
表11の結果から、R−2乗値が0.897と大きくなり信頼性のある結果が得られた。これはサンプルの表面が十分に平滑であり、液体の染み込みもなかったためと考えられる。
実施例3及び4の結果から、R−2乗値により測定がうまくいったかどうかを容易に判断することができる。
Figure 2005337781
From the results in Table 11, the R-2 power value was increased to 0.897, and a reliable result was obtained. This is presumably because the surface of the sample was sufficiently smooth and liquid did not penetrate.
From the results of Examples 3 and 4, it can be easily determined whether or not the measurement is successful by the R-2 power value.

本発明の固体の表面自由エネルギー測定方法は、固体の表面自由エネルギーを4種以上の液体による接触角データからの線形回帰により求めることによって、接触角の測定誤差の影響が少なく、また、測定に用いる液体の組み合わせによる測定結果のばらつきを少なくすることができ、表面処理、表面改質、接着剤、塗装、コーティングなどの分野に幅広く適用できる。   In the solid surface free energy measuring method of the present invention, the surface free energy of the solid is obtained by linear regression from the contact angle data of four or more liquids, so that the influence of the measurement error of the contact angle is small, and the measurement can be performed. Variations in measurement results due to the combination of liquids used can be reduced and can be widely applied to fields such as surface treatment, surface modification, adhesives, painting, and coating.

図1は、物質が固体と液体の場合、液滴が固体表面上で接触角θを保って平衡に達した状態を示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a state in which when a substance is a solid and a liquid, a droplet has reached equilibrium on the surface of the solid while maintaining a contact angle θ.

Claims (9)

測定対象である固体と、表面自由エネルギーの各成分が既知の液体との接触角を測定し、拡張Fowkes理論による下記数式7を用いて固体の表面自由エネルギーを測定する方法であって、4種以上の液体との接触角データから線形回帰により表面自由エネルギーを求めることを特徴とする固体の表面自由エネルギー測定方法。
Figure 2005337781
ただし、前記数式中、γは、γ +γ +γ で表される液体の表面自由エネルギーを表す。γ は、液体の表面自由エネルギーの分散成分を表す。γ は、液体の表面自由エネルギーの双極子成分を表す。γ は、液体の表面自由エネルギーの水素結合成分を表す。γ は、固体の表面自由エネルギーの分散成分を表す。γ は、固体の表面自由エネルギーの双極子成分を表す。γ は、固体の表面自由エネルギーの水素結合成分を表す。θは、接触角を表す。
A method of measuring the contact angle between a solid to be measured and a liquid whose surface free energy components are known, and measuring the surface free energy of the solid using the following formula 7 based on the extended Fowkes theory. A method for measuring the surface free energy of a solid, characterized in that the surface free energy is obtained by linear regression from the above contact angle data with a liquid.
Figure 2005337781
However, in the formula, gamma L represents the surface free energy of the liquid represented by γ a L + γ b L + γ C L. γ a L represents a dispersion component of the surface free energy of the liquid. γ b L represents a dipole component of the surface free energy of the liquid. γ C L represents the hydrogen bond component of the surface free energy of the liquid. γ a S represents a dispersion component of the surface free energy of the solid. γ b S represents the dipole component of the surface free energy of the solid. γ C S represents a hydrogen bond component of the surface free energy of the solid. θ represents the contact angle.
接触角データから表面自由エネルギーを算出する際に、R-2乗値(重相関係数)を求める請求項1に記載の固体の表面自由エネルギー測定方法。   The method for measuring the surface free energy of a solid according to claim 1, wherein an R-square value (multiple correlation coefficient) is obtained when calculating the surface free energy from the contact angle data.
Figure 2005337781
R−2乗値が一番大きくなる場合の結果を固体の表面自由エネルギーとする請求項1から2のいずれかに記載の固体の表面自由エネルギー測定方法。
Figure 2005337781
The method for measuring the surface free energy of a solid according to claim 1, wherein the result when the R-square value is the largest is the surface free energy of the solid.
R−2乗値が0.8以上であるとき、測定結果の信頼性があると判断する請求項1から3のいずれかに記載の固体の表面自由エネルギー測定方法。   The solid surface free energy measuring method according to any one of claims 1 to 3, wherein when the R-square value is 0.8 or more, it is determined that the measurement result is reliable. 拡張Fowkes理論におけるTypeBの液体及びTypeCの液体を用いる請求項1から4のいずれかに記載の固体の表面自由エネルギー測定方法。   The method for measuring the surface free energy of a solid according to claim 1, wherein a Type B liquid and a Type C liquid in the extended Fowkes theory are used. 拡張Fowkes理論におけるTypeBの液体2種以上、及びTypeCの液体2種以上を用いる請求項1から5のいずれかに記載の固体の表面自由エネルギー測定方法。   6. The solid surface free energy measuring method according to claim 1, wherein two or more Type B liquids and two or more Type C liquids in the extended Fowkes theory are used. 測定対象である固体の表面が平滑である請求項1から6のいずれかに記載の固体の表面自由エネルギー測定方法。   The solid surface free energy measuring method according to claim 1, wherein the surface of the solid to be measured is smooth. 請求項1から7のいずれかに記載の固体の表面自由エネルギー測定方法を用い、固体の表面自由エネルギーの解析を行うプログラムを記録したことを特徴とする記録媒体。   A recording medium on which a program for analyzing the surface free energy of a solid is recorded using the method for measuring the surface free energy of a solid according to claim 1. 請求項8に記載の記録媒体を具備することを特徴とする固体の表面自由エネルギー測定装置。
A solid surface free energy measuring apparatus comprising the recording medium according to claim 8.
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