JP2011191277A - 液体付着力測定装置、液体付着力測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】定量的且つ高精度に液体の付着力を測定できるようにする。
【解決手段】対象物８０における面状の評価面９０Ａに対する液体の付着力を測定する液体付着力測定装置であって、基台２０に対象物８０を載置し、測定治具５０を用いて、この対象物８０の評価面８０Ａと略平行となり、且つ評価面８０Ａよりも濡れ性の大きい面状の親液面５２Ａのの間に液体を保持させ、この状態で基台２０と測定治具５０を相対移動させることで、力測定機構４０によって、評価面８０Ａと親液面５２Ａの間に作用する引っ張り力を測定するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、対象物の評価面に対する液体の付着力を測定する液体付着力装置、および当該付着力を測定する液体付着力測定方法に関する。

様々な材料の表面特性の評価項目の１つとして液体の付着力が挙げられる。この付着力の評価方法としては、評価対象物の表面に液体を滴下させ、その接触角を測定することで、間接的に評価することが一般的である。

一方、特許文献１のように、液体を担持させた球状の担持体を、対象物の評価面に接近させて、この評価面と球状担持体の間に液体架橋を形成し、両者を引き離す際に必要となる外力を測定することで、直接的に付着力を測定する手法も提案されている。この測定手法は、液体の架橋内に生じる応力を、上記担持体を用いて疑似的に計測して付着力とするものである。

特開２００４−１４４５７３号公報

しかし、特許文献１の評価手法では、液体架橋を分断する際に担持体に作用する外力が、液体架橋内の生じる応力と近似することを前提としているため、液体架橋が正しく形成されていない場合には、測定誤差が生じ得るという問題があった。例えば、評価対象物の表面に凹凸が存在する場合は、液体架橋が安定して形成されないため、測定誤差が生じやすいことになる。

従って、この特許文献１の段落「００１６」には、担持体の種類として立方体形状、円錐形状、角錐形状なども挙げているが、液体を担持させたり、液体架橋形状にばらつきが生じないようにするためにも、立方体形状、円錐形状、角錐形状などは、現実的には好ましくない旨が述べられている。従って、これらの形状の担持体では、具体的な計測方法についての提案がなされいない。

結果として、担持体として球体を利用することで、球体の下端と対象物の間に小さな液体架橋を形成し、その液体架橋を優先的に破断させて応力を測定するので、外乱を受けやすく、測定結果自体に誤差が生じやすいという問題があった。

また、従来の評価手法では、担持体と評価対象物との濡れ性の関係が不明確であることから、液体と担持体間の引っ張り力の影響も、測定結果に影響を与えてしまっていることが懸念された。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、測定誤差が生じにくく、信頼性の高い液体付着力測定装置、及び測定方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成する本発明は、対象物における面状の評価面に対する液体の付着力を測定する液体付着力測定装置であって、対象物が載置される基台と、前記対象物の前記評価面と略平行且つ該評価面よりも濡れ性の大きい面状の親液面を有する測定治具と、前記評価面と前記親液面の間に前記液体を保持させた状態で、前記基台と前記測定治具を相対移動させる移動機構と、前記移動機構による相対移動中に、前記評価面と前記親液面の間に作用する抵抗力を測定する力測定機構と、を備えることを特徴とする液体付着力測定装置である。

上記目的を達成する液体付着力測定装置は、上記手段において、前記評価面及び前記親液面が平面であることを特徴とする。

上記目的を達成する液体付着力測定装置は、上記手段において、前記評価面と比較して前記親液面の面積が小さく設定され、前記評価面と前記親液面の間に前記液体を保持させる際、前記親液面の全域を前記液体で濡れさせることを特徴とする。

上記目的を達成する液体付着力測定装置は、上記手段において、前記親液面を、白金を主として含む材料で構成することを特徴とする。

上記目的を達成する液体付着力測定装置の前記移動機構は、上記手段において、前記評価面と前記親液面を面直角方向に離反させることを特徴とする。

上記目的を達成する液体付着力測定装置は、上記手段において、前記評価面と前記親液面の面方向が水平となるように配置されることを特徴とする。

上記目的を達成する液体付着力測定装置の前記移動機構は、上記手段において、前記評価面と前記親液面を面方向に相対移動させることを特徴とする。

上記目的を達成する液体付着力測定装置は、上記手段において、前記評価面と前記親液面の面方向が非水平に配置されることを特徴とする。

上記目的を達成する液体付着力測定装置は、上記手段において、前記評価面と前記親液面の面方向が略垂直に配置されることを特徴とする。

上記目的を達成する本発明は、対象物における面状の評価面に対する液体の付着力を測定する液体付着力測定方法であって、前記評価面よりも濡れ性の大きい親液面を有する測定治具を、前記対象物の前記評価面に対して略平行に配置し、前記評価面と前記親液面の間に前記液体を保持させ、前記評価面と前記親液面を相対移動させることで、前記評価面と前記親液面の間に作用する抵抗力を測定することを特徴とする液体付着力測定方法である。

上記目的を達成する液体付着力測定方法は、上記手段において、前記評価面と比較して前記親液面の面積を小さく設定し、前記評価面と前記親液面の間に前記液体を保持させる際、前記親液面の全域を前記液体で濡れさせることを特徴とする。

上記目的を達成する液体付着力測定方法は、上記手段において、前記評価面と前記親液面が水平となるように配置し、前記評価面と前記親液面を面直角方向に離反させながら、前記抵抗力を測定することを特徴とする。

上記目的を達成する液体付着力測定方法は、上記手段において、前記評価面と前記親液面の面方向が略垂直となるように配置し、前記評価面と前記親液面を面方向に相対移動させながら、前記抵抗力を測定することを特徴とする。

本発明によれば、評価面に対する液体の付着力を定量的且つ高精度で測定できるという優れた効果を奏し得る。

本発明の第１実施形態に係る液体付着力測定装置の全体構成を示す斜視図である。 同液体付着力測定装置の測定治具を拡大して示す正面図である。 同液体付着力測定装置を用いた測定方法を示す拡大正面図である。 同液体付着力測定装置の他の構成例を拡大して示す正面図である。 本発明の第２実施形態に係る液体付着力測定装置の全体構成を示す斜視図である。 同液体付着力測定装置を用いた測定方法を示す拡大正面図である。 同液体付着力測定装置の他の構成例を拡大して示す正面図である。 同液体付着力測定装置の他の構成例を拡大して示す正面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態に係る液体付着力測定装置を詳細に説明する。

図１には、第１実施形態に係る液体付着力測定装置１（以下、測定装置１という）の全体構成が示されている。この測定装置１は、筐体１０、基台（ステージ）２０、スライダ３０、電子天秤４０、測定治具５０を備えて構成される。筐体１０は、測定装置１の外枠及びメインフレームとなる部材であり、測定に必要な装置全体の強度・剛性を確保する。基台２０は、円形テーブルで構成されている。この円形テーブルの上面に、プレート状の対象物８０が固定される。この対象物８０の上面が、液体に対する付着力を測定する評価面８０Ａとなっている。

スライダ３０は、筐体１０側に固定されて基台２０を鉛直方向に上下動させる部材である。このスライダ３０は、筐体１０内に収容されるため特に図示しない鉛直方向のリニアガイドによって前記基台２０を案内する。また、この案内は、筐体１０内に収容されるため特に図示しないボールねじ及び駆動モータによって行うようになっている。

電子天秤４０は、筐体１０側の上方に固定されており、基台２０の上方にフック４２を垂れ下げる。電子天秤４０は、このフック４２に対して作用する下側の付勢力を検出して電子情報として外部に出力する。

図２に、フック４２に引っかけられた測定治具５０を拡大して示す。この測定治具５０は、水平方向に配置される長方形の白金プレート５２と、この白金プレート５２に対して、上方の面垂直方向に突出する被フック部５４を備える。この被フック部５４を、電子天秤４０のフック４２に引っかけることで測定治具５０が空中に保持される。白金プレート５２の下面は、対象物８０の評価面８０Ａよりも濡れ性の大きい面状の親液面５２Ａとなる。

この測定治具５０は、フック４２に引っかけられた状態で親液面５２Ａが水平となるように重心が設定される。従って、評価面８０Ａが水平となるように基台２０に対象物８０をセットすれば、評価面８０Ａと親液面５２Ａが互いに平行状態で対向する。

白金プレート５２は、長手方向が２ｃｍ、幅方向が１ｃｍ、厚みが０．５ｍｍとなっており、従って、親液面５２Ａのサイズもこれに一致している。即ち、親液面５２Ａのサイズは長手方向が２ｃｍ、幅方向が１ｃｍとなる。一方、評価面８０Ａのサイズは、親液面５２Ａのサイズよりも大きく設定される。

次に、図３を参照して、この測定装置１を利用した液体付着力の測定方法について説明する。

まず、基台２０を下方に移動させた状態で、プレート状の対象物８０をセットする。次いで、評価面８０Ａを水平にした状態で、この評価面８０Ａに評価対象とする液体を滴下する。例えば、水の付着力を測定する場合は水を滴下し、油分の付着力を測定する場合は油を滴下する。液体を滴下すると、図３（Ａ）に示されるように、評価面８０Ａ上に液滴９０が形成される。

その後、スライダ３０によって基台２０を上昇させて、フック４２に引っかけられている測定治具５０の親液面５２Ａに対して、液滴９０を接触させる。親液面５２Ａも水平に保持されていることから、基台２０を更に上昇させると、評価面８０Ａと親液面５２Ａによって液滴９０を押しつぶされる。親液面５２Ａは、その面積が小さく設定されているので、図３（Ｂ）に示されるように、親液面５２Ａの外周に液滴９０が漏れ出す。この状態で基台２０の上昇を停止させる。この結果、親液面５２Ａの全域が液体で濡れた状態となり、且つ親液面５２Ａと評価面８０Ａの間には隙間Ｐが確保される。なお、この隙間Ｐは、０ｍｍより大きく且つ１ｍｍ以下となる範囲に制御することが好ましい。望ましくは０．５ｍｍ以下で停止させる。

次いで、基台２０を下方に移動させることで、評価面８０Ａと親液面５２Ａを面直角方向に離反させていくと、図３（Ｃ）に示されるように、液体の付着力によって測定治具５０が下側に引っ張られる。既に述べたように、評価面８０Ａと比較して親液面５２Ａの方が評価対象の液体に対する濡れ性が強い（接触角が小さい）ことから、親液面５２Ａと液体の境界は相互に強く結合している。一方、評価面８０Ａと液体の境界は相互に弱く結合している。従って、隙間Ｐが広がっていくと、評価面８０Ａと液体の境界の結合状態が優先的に剥がれようとする。電子天秤４０によって、測定治具５０が下側に引っ張られる抵抗力を測定すれば、液体と評価面８０Ａ側の結合力のみが測定されることになる。しかも、親液面５２Ａと液体は全面的に濡れて付着していることから、液体と評価面８０Ａの結合力（抵抗力）が生じている領域（面積）は、親液面５２の全体と殆ど一致する。従って、電子天秤４０で測定された抵抗力を、親液面５２の面積で割れば、評価面８０Ａ側における単位面積当たりの結合力、即ち定量的な付着力を測定することが可能となる。

以上、本第１実施形態の測定装置１によれば、濡れ性の強い面状の親液面５２Ａと、濡れ性の弱い評価面８０Ａを平行に対向させることで、評価面８０Ａに広がる液体を面状態で引っ張ることで、評価面８０Ａと液体の結合力（離れる際の抵抗力）を測定することが可能になる。この結果、例えば、親液面５２Ａの面積に基づいて、その結合力を評価すれば、単位面積当たりの付着力を算出することが可能になり、客観性の高い評価指標が得られる。即ち、従来の液滴の架橋を利用して測定する手法では、その結合力が液滴の架橋状態に依存するため、付着力を単位面積の観点から評価することが困難であるが、本第１実施形態では、親液面５２Ａの濡れ性を強くすることで、引っ張り面積を親液面５２Ａ全体で定量化できる利点がある。なお、ここでは評価面８０Ａと比較して親液面５２Ａの面積が小さくすることで、親液面５２Ａの面積によって単位面積当たりの付着力を算出しているが、勿論これとは逆に、評価面８０Ａ側の面積を小さくすることで、評価面８０Ａの全域を濡らすようにし、評価面８０Ａの面積によって単位面積当たりの付着力を算出しても良い。

特に本測定装置１によれば、親液面５２Ａを、白金を主として含む材料で構成しており、濡れ性が非常に強いことから、殆どの材料の対象物８０についての測定を行うことが出来る。勿論、評価面８０Ａよりも濡れ性が強い材料であれば、他の材料を用いることもできる。

なお、本第１実施形態では、親液面５２Ａと評価面８０Ａが平面である場合を示したが、例えば図４（Ａ）に示されるように、評価面８０Ａが湾曲面である場合や、図４（Ｂ）に示されるように屈曲面である場合は、その形状に合わせて親液面５２Ａを湾曲、屈曲させて評価面８０Ａと平行となるようにすることが好ましい。

また、本第１実施形態では、評価面８０Ａ側に液滴を滴下して予め濡らしておき、この評価面８０Ａに親液面５２Ａを接近させる場合を示したが、親液面５２Ａ側を液体で予め濡らしておき、この親液面５２Ａに評価面８０Ａを接近させることも好ましい。

次に、第２実施形態に係る液体付着力測定装置１０１（以下、測定装置１０１という）について図５以降を参照して説明する。この測定装置１０１は、評価面と液体の面方向の付着力（滑り性）を測定するものである。なお、基台に対する対象物の固定方法と測定治具の形状を除けば、第１実施形態の測定装置１と同じ構成であるので、ここでは相違点を中心に説明する。また、測定装置１０１の図及び説明中における符号の下二桁を、第１実施形態の測定装置１と一致させることで、個々の部材の説明は第１実施形態の説明を援用する。

この測定装置１０１は、基台２０の上面に、評価面１８０Ａの面方向が鉛直方向となるように対象物１８０を載置する。測定治具１５０は、鉛直方向に配置される長方形の白金プレート１５２と、この白金プレート１５２の上側端縁において面方向且つ上方に突出する被フック部１５４を備える。この被フック部１５４を、電子天秤１４０のフック１４２に引っかけることで、測定治具１５０が保持される。白金プレート１５２の一方の面は、対象物１８０の評価面１８０Ａよりも濡れ性の大きい面状の親液面１５２Ａとなっている。特にこの測定治具１５０は、フック１４２に引っかけた状態で、親液面１５２Ａの面方向が鉛直となるように重心が設定されている。従って、評価面１８０Ａと親液面１５２Ａは共に面方向が鉛直となり、互いに平行状態で対向させることができる。なお、測定治具１５０の親液面１５２Ａのサイズは、評価面１８０Ａのサイズよりも小さく設定される。

次に、図６を参照してこの測定装置１０１を利用した面方向の付着力の測定方法を説明する。

この測定装置１０１では、まず、対象物１８０を基台１２０にセットしておき、基台１２０を予め上昇させておく。一方、測定治具１５０を評価対象となる液体に浸漬して、親液面１５２Ａを液体で濡らした後、測定治具１５０をフック１４２に引っかけて、図６（Ａ）に示されるように、親液面１５２Ａと評価面１８０Ａの間に液体１９０を挟持させる。この結果、親液面１５２Ａの全体が液体１９０で濡れた状態となる。

次いで、基台１２０を下方に移動させることで、評価面１８０Ａと親液面１５２Ａを面方向に相対移動させていくと、図６（Ｂ）に示されるように、液体１９０の付着力（抵抗力）によって測定治具１５０が下側に引っ張られる。既に述べたように、評価面１８０Ａと比較して、親液面１５２Ａの方が液体１９０に対する濡れ性が強い（接触角が小さい）。従って、親液面１５２Ａと液体１９０の境界は相互に強く結合しており、評価面１８０Ａと液体１９０の境界は相互に弱く結合している。従って、この両者の面方向の相対移動中は、評価面１８０Ａと液体１９０の境界の面方向の結合が優先的にずれていく。電子天秤１４０によって、測定治具１５０が下側に引っ張られる力、即ち、ずれによる抵抗力を測定すれば、液体１９０と評価面１８０Ａ側の面方向の結合力のみが測定される。しかも、親液面１５２Ａと液体１９０は全面的に濡れて付着していることから、液体１９０と評価面１８０Ａの間の結合力（抵抗力）が生じている領域（面積）は、親液面１５２の全面積と殆ど一致する。従って、電子天秤１４０で測定された抵抗力を、親液面１５２の面積で割れば、評価面１８０Ａ側における単位面積当たりの面方向の結合力、即ち面方向の定量的な付着力を測定することが可能となる。

この第２実施形態の測定装置１０１によれば、液体と評価面１８０Ａの面方向の付着力を算出することが可能になる。例えば、ガラス表面に対して、液体がどの程度、面方向に滑って移動し易いか否かについて、定量的に評価することが可能となる。特に、評価面１８０Ａと親液面１５２Ａを鉛直方向に保持しているため、液体に対して面垂直方向の重力が作用しないことから、面方向の液体の付着力のみを正確に抽出できる。一方、図７（Ａ）に示されるように、目的に応じて、評価面１８０Ａと親液面１５２Ａを水平にしたり、図７（Ｂ）に示されるように傾斜させたりして、液滴に対して、測定治具１５０の自重を含めた挟持力を印加しながら、両者を面方向に相対移動させても良い。また、本第２実施形態では、鉛直方向に相対移動させる場合を示したが、図８に示されるように、水平方向に相対移動させることも可能である。

以上、本第１、第２実施形態では、液体の付着力を検出する為に電子天秤を用いたが、本発明における力測定機構はこれに限定されず、バネばかり、その他の各種手段を用いることが出来る。また、移動機構となるスライダは、ボールねじで駆動するタイプを示したが、本発明はこれに限定されず、ラック・ピニオンやリニアモータ等の他の手段を用いることもできる。また、本実施形態では、移動機構が基台２０側を移動させる場合に限って例示したが、本発明はこれに限定されず、測定治具側を移動させても良い。

尚、本発明の液体付着力測定装置は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明は、様々な対象物に対する、様々な液体の付着力を簡便、且つ高精度に測定することが可能になる。

１、１０１ 液体付着力測定装置
１０、１１０ 筐体
２０、１２０ 基台
３０、１３０ スライダ
４０、１４０ 電子天秤
５０、１５０ 測定治具
５２Ａ、１５２Ａ 親液面
８０、１８０ 対象物
８０Ａ、１８０Ａ 評価面

Claims (13)

1. 対象物における面状の評価面に対する液体の付着力を測定する液体付着力測定装置であって、
   対象物が載置される基台と、
   前記対象物の前記評価面と略平行且つ該評価面よりも濡れ性の大きい面状の親液面を有する測定治具と、
   前記評価面と前記親液面の間に前記液体を保持させた状態で、前記基台と前記測定治具を相対移動させる移動機構と、
   前記移動機構による相対移動中に、前記評価面と前記親液面の間に作用する抵抗力を測定する力測定機構と、
   を備えることを特徴とする液体付着力測定装置。
2. 前記評価面及び前記親液面が平面であることを特徴とする請求項１に記載の液体付着力測定装置。
3. 前記評価面と比較して前記親液面の面積が小さく設定され、前記評価面と前記親液面の間に前記液体を保持させる際、前記親液面の全域を前記液体で濡れさせることを特徴とする請求項１又は２に記載の液体付着力測定装置。
4. 前記親液面を、白金を主として含む材料で構成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の液体付着力測定装置。
5. 前記移動機構は、前記評価面と前記親液面を面直角方向に離反させることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の液体付着力測定装置。
6. 前記評価面と前記親液面の面方向が水平となるように配置されることを特徴とする請求項５に記載の液体付着力測定装置。
7. 前記移動機構は、前記評価面と前記親液面を面方向に相対移動させることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の液体付着力測定装置。
8. 前記評価面と前記親液面の面方向が非水平に配置されることを特徴とする請求項７に記載の液体付着力測定装置。
9. 前記評価面と前記親液面の面方向が略垂直に配置されることを特徴とする請求項８に記載の液体付着力測定装置。
10. 対象物における面状の評価面に対する液体の付着力を測定する液体付着力測定方法であって、
    前記評価面よりも濡れ性の大きい親液面を有する測定治具を、前記対象物の前記評価面に対して略平行に配置し、
    前記評価面と前記親液面の間に前記液体を保持させ、
    前記評価面と前記親液面を相対移動させることで、前記評価面と前記親液面の間に作用する抵抗力を測定する
    ことを特徴とする液体付着力測定方法。
11. 前記評価面と比較して前記親液面の面積を小さく設定し、前記評価面と前記親液面の間に前記液体を保持させる際、前記親液面の全域を前記液体で濡れさせることを特徴とする請求項１０に記載の液体付着力測定方法。
12. 前記評価面と前記親液面が水平となるように配置し、前記評価面と前記親液面を面直角方向に離反させながら、前記抵抗力を測定することを特徴とする請求項１０又は１１に記載の液体付着力測定方法。
13. 前記評価面と前記親液面の面方向が略垂直となるように配置し、前記評価面と前記親液面を面方向に相対移動させながら、前記抵抗力を測定することを特徴とする請求項１０又は１１に記載の液体付着力測定方法。

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