wetting

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濡れ

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2023/10/30 01:17 UTC 版)

ぬれの例。木の葉が水を撥くため、接触角が大きい。

ぬれ（英語: wetting）は、固体表面に接触している気体が液体に置き換えられる現象である。産業上は接合・接着（ろう接など）や防水加工に利用されるため、ぬれ現象の解明、制御の方法などが研究されている。

現象

液体や固体の物質が、気体のように散逸せずにまとまりを維持するのは、それらの内部の原子や分子同士が互いに引き付け合っているためであるが、表面ではその力が物質の面方向に強くはたらき表面張力となって現れる。容器に収められ重力以外の外力を受けていない液体では、自重と表面張力のつり合いによって外形が定まるが、固体では固有の外形を維持する力が強いため表面張力が観察されにくい。ただし、固体と液体が接触する時は液体だけでなく固体の表面張力も顕在化する。液体の表面張力に比べて固体の表面張力が大きいと、固体に接触した液体は自ら球形になろうとするよりも固体の表面に広がろうとして良くぬれる。固体と液体が接触した場合の両者の表面張力の違いによってぬれの度合いが異なってくる。

接触角

接触角の定義

固体表面が液体及び気体と接触しているとき、この3相の接触する境界線において液体面が固体面と成す角度を接触角 (contact angle) といい、接触角が90°以下の状態をぬれると呼ぶ。また、接触角が小さい性質を親水性、大きい性質を撥水性という。特に撥水性、親水性が強い性質を超撥水、超親水という。

A:接触角が大きい：ぬれにくい
B:接触角が中程度
C:接触角が小さい：ぬれやすい

表面のぬれやすさは接触角によって定量的に測ることができる。表面張力が小さい固体はぬれにくく、液体が付着したときの接触角は大きくなる。反対に、表面張力が大きい固体はぬれやすく、液体が付着したときの接触角は小さくなる。テフロンなど撥水性のある物質の表面では接触角は180°に近くなり、液滴はほぼ球形になる。一般に原子結合が強く安定した物質は表面エネルギーが小さく、活性が低いため酸化などの反応も起きにくい。また、表面に光沢のある固体は、そうでないものに比べ接触角が大きくなる傾向がある。

ヤングの式

接触角と表面張力の関係を表す、トマス・ヤングによる次の式をヤングの式という。

$\gamma _{\mathrm {LG} }\cos \theta +\gamma _{\mathrm {SL} }=\gamma _{\mathrm {SG} }$

付着ぬれ　　拡張ぬれ　　浸漬ぬれ

付着仕事の導出

拡張仕事の導出

浸漬仕事の導出

ぬれの形態は次の3つに分類される：

付着ぬれ

大きな固体に少量の液体が接することを付着ぬれという。液体が一定の形を保っている状態から、固体と液体を引き離すのに必要な仕事は、

$W_{a}=\gamma _{\mathrm {SG} }+\gamma _{\mathrm {LG} }-\gamma _{\mathrm {SL} }$

Cassieモデル

Cassieは、2種類の表面で構成されている複合面の接触角について、以下の考えを提示した。ある液体に対して接触角がθ₁ になる素材1とθ₂ になる素材2で複合面をつくる場合を考える。液滴の大きさに比べて、素材一つ一つの十分に小さくよく混ざっている複合面ならば、界面張力は両素材の界面張力をその面積比で平均したものになると考えてよい。素材1単体での表面張力を γ_SG,1 、素材2単体での表面張力を γ_SG,2 、素材1と液体の界面にはたらく界面張力を γ_SL,1、素材2と液体の界面にはたらく界面張力を γ_SL,2 とし、複合面における両素材の表面積比を f₁ : f₂ (f₁ + f₂ = 1) とする。このとき、複合面としての表面張力 γ_SG 、液体との界面張力 γ_SL は、

${\begin{aligned}\gamma _{\mathrm {SG} }&=f_{1}\gamma _{\mathrm {SG,1} }+f_{2}\gamma _{\mathrm {SG,2} }\\\gamma _{\mathrm {SL} }&=f_{1}\gamma _{\mathrm {SL,1} }+f_{2}\gamma _{\mathrm {SL,2} }\end{aligned}}$

Cassie-Baxterモデル

素材2が空気の場合、θ₂ = 180° なので、f₂ = 1 - f₁ を考慮して、

${\begin{aligned}\cos \phi &=f_{1}\cos \theta _{1}+f_{2}\cos(180^{\circ })\\&=f_{1}\cos \theta _{1}+f_{1}-1\end{aligned}}$

Wenzelモデル

以下にWenzelの式の導出を示す。ある液体に対して接触角がθになる平滑固体表面に凹凸をつけて粗面にする場合を考える。液滴の大きさに比べて、凹凸は十分に細かいとする。平らな表面と液滴の全界面自由エネルギーを、

$F=\gamma _{\mathrm {SL} }A_{\mathrm {SL} }+\gamma _{\mathrm {SG} }A_{\mathrm {S} }+\gamma _{\mathrm {LG} }A_{\mathrm {L} }$

出典は列挙するだけでなく、脚注などを用いてどの記述の情報源であるかを明記してください。記事の信頼性向上にご協力をお願いいたします。（2020年2月）

• 丸井智敬; 村田逞詮; 井上雅雄; 桜田司『表面と界面の不思議』工業調査会、1995年。 ISBN 4-7693-4096-6。 

関連項目

• 界面
• 界面化学
• 表面物理学
• 表面張力
• 洗浄
• ゴニオメーター
• メニスカス
• ポロシメトリー（多孔度測定）