固体や液体のぬれ性や表面品質の評価に欠かせない接触角計には、測定原理や必要な機能に応じて様々なラインアップがあります。
ここでは測定原理やサンプルに応じた接触角計の選び方とKruss社の製品についてご紹介します。

 

目次(クリックするとその項目へジャンプします)

 

接触角と接触角計でできること

接触角とは液面と固体面のなす角度θのことで、固体や液体のぬれ性を示す指標として用いられています。
接触角計を利用して測定することができ、最も一般的な液滴法では、固体表面に滴下した液滴の形状をカメラで捉えて解析することで算出します。時間をかけてぬれ広がる場合には経時変化を評価したり、固体表面の均質性や付着性を検証したい場合には動的接触角を評価したりすることもあります。

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物性既知の複数の試薬で接触角を測定することにより、固体の表面自由エネルギーを算出することも可能です。

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液滴法の接触角計であればペンダントドロップ法(懸滴法)を用いることによって液体の表面張力や、液/液の界面張力を測定することも可能です。

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アプリケーションに応じた測定項目

LP接触角計選び方
測定項目

説明

アプリケーション例
接触角

接触角は液体と固体それぞれが持つぬれ性に加えて、Youngの式が示すように液体と固体の相性の影響も受けます。そのため、例えばある固体のぬれ性を評価する際、水に対するぬれ性を評価したいのであれば水を使用し、塗料に対するぬれ性を評価したいのであればその塗料を使用して測定を行うべきと考えられます。「水に対するぬれ性が高い≠他の液体に対するぬれ性も高い」ということに注意が必要です。

  • ガラスvs水
  • プラスチックvsコーティング液
  • 紙vsインク
    など
転落角

例えば傘やカーボディのように傾いた固体表面における液体の流れ落ちやすさ(撥液性や付着性)を評価したい場合には、水平状態で測る静的接触角ではなく、固体を傾けて測定を行う転落角による評価の方が実際の現象に近いことから、より相関の高いデータとなることが期待できます。

  • 傘や服用の布vs水
  • ドアミラーvs水
  • 葉vs農薬
    など
表面張力

液体自体のぬれ性を評価したい場合には、表面張力の評価が最適です。
接触角計を使用したペンダントドロップ法で評価する以外にも、ぬれ荷重から算出するプレート法やリング法に対応した表面張力計でも評価することができます。また、インクジェットインクやスプレー用の液体など、動的表面張力による評価が望ましいものもあります。

  • インク
  • 洗剤
  • 化粧品
    など
表面自由エネルギー

固体自体のぬれ性を評価したい場合には、表面自由エネルギーの評価が最適です。
一般的に複数の試薬の接触角の結果から計算によって求めることができ、その固体がどの程度ぬれやすいのか、また、どのような物性の液体に対してぬれやすいのかを評価することができます。

  • プラズマ/コロナ/UV処理
  • 表面洗浄
  • 各種コーティング
    など

 

測定原理と特徴、対象サンプル

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接触角はサンプルや目的に応じていくつかの測定原理があり、さらに同じ測定原理であっても必要な機能によっていくつもの機種が存在します。
下記表では接触角の各種測定原理とその特徴、対象サンプルなどをまとめています。

測定原理 特徴 対象サンプル
液滴法

もっとも一般的な方法で、液滴を固体表面に接液させ、その形状をカメラで画像解析することで接触角を算出する。
卓上タイプなら動的接触角(拡張収縮法や滑落法)の測定により撥液性や付着性などが評価できるほか、液中接触角によってぬれた固体表面の撥液性を評価することもできる。また、液中接触角(キャプティブバブル法)により、コンタクトレンズや生体試料などぬれた固体表面のぬれ性を評価することもできる。

メリット:操作が容易、測定時間が短い、価格が安い。
デメリット:凹面の測定が難しい、あまりに小さかったり細かったりする固体の測定が難しい、粉体の測定が難しい。

広範な固体と液体
固体:樹脂、ガラス、金属、紙、布 など
液体:水、試薬類、界面活性剤溶液 など

トップビュー法

着液させた液滴に2方向から光を当て、液滴表面に映る光の2点間の距離から接触角を算出する。

メリット:液滴法では測定が困難な凹面の接触角も評価できる。
デメリット:接触角が高い系では正しい測定結果が得られない。

特に凹面サンプル
固体:マイクロプレートのウェル、キャップ内側の底面 など
液体:水、試薬類、界面活性剤溶液 など

ウィルヘルミー法

固体を液中へ浸漬または液中から引き上げる際のぬれ荷重から動的前進・後退角を算出する。

メリット:液滴法では測定が困難な直径数µmの繊維などの接触角を評価できる。
デメリット:浸漬させる際のぬれ長さが一定である必要があり、例えば円錐のような形状の固体は測定できない。

単繊維やプレート(浸漬時にぬれ長さが一定となる形状のもの)
固体:カーボンファイバ、グラスファイバ、髪毛など
液体:水、試薬類、界面活性剤溶液 など

ウォッシュバーン法
(浸透速度法)

チューブに詰めた粉体間隙を液体がぬれ上がる際の時間と荷重から接触角を算出する。

メリット:液滴法では測定が困難な粉体や繊維束の接触角を評価できる。
デメリット:接触角が90°を超える場合はぬれ上がらず測定できない、粒度分布や粉体の充填度合いによって結果が影響を受けることがある。

各種粉体、繊維束など
固体:錠剤用の粉、金属粉、顔料 など
液体:液体:水、試薬類、界面活性剤溶液 など
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卓上タイプ or ハンディタイプ?

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卓上タイプは拡張性の高いモデルが多く、静的接触角に加えて、転落角や表面・界面張力、温調などの様々な測定を行うことができます。
また、全自動モデルの場合には、自動軸移動オプションを組み合わせることによって多点測定やマッピング測定を行うこともできます。
デメリットとしては持ち運びができず、大きなサンプルの測定が難しいことなどが挙げられます。

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ハンディタイプはどこにでも持ち運ぶことができ、大判サンプルであっても切り取らずに測定することができます。
また、シンプルな作りなので取り扱いが容易で、全自動モデルなら人為誤差を排除した測定も可能です。
デメリットとしては、基本的に液滴法に対応するモデルしかなく、また、拡張性が低いため転落角や温調には対応していない点などが挙げられます。

 

KRUSS社の代表的な接触角計

【KRUSS社】

本社をドイツに置くKRUSS(クルス)社は、世界トップシェアを誇る接触角計・表面張力計のリーディングカンパニーです。他に泡試験機やインクジェット解析装置も取り扱っており、界面科学分野の発展に貢献しています。

創業200年を超える老舗企業であり、一貫して機能性と操作性の両方を追求したモデルを開発してきました。これまで培ってきた確かな技術力と豊富な知見により、世界各国のあらゆる産業分野で圧倒的な導入実績を誇っています。

日本国内においても、高い測定精度を誇るハードウェアと、日本語対応で操作性抜群のソフトウェアなどが好評で多くのお客様に選ばれています。

 

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【液滴法】 

世界初の空気圧式ダブル滴定機能(リキッドニードル)により、2液の接触角に加えて表面自由エネルギーをもワンクリックのわずか数秒で評価できます。
従来装置では液の切り替えや測定操作に手間と時間が掛かっていましたが、MSAなら誰でも簡単かつ迅速に全自動で測定を行えます。
空気圧式の吐出機能により、従来装置では接液が難しい高撥液表面の他、壁面や天井面の測定も可能です。

機能を絞ったシンプルなハンディ接触角計ながら、全自動で測定を行えます。
MSAは2液同時滴定ですが、MSA Flexは1液ずつ測定を行います。
経時変化の他、オプションで表面自由エネルギーの評価も可能です。

着液が手動ながら、その操作性と拡張性の高さからベストセラーとなっているモデルです。
人為誤差を抑えた着液を可能にする独自のドーズ&プッシュ機能を搭載するほか、転落角や表面・界面張力、温調などの各種オプションにも対応しています。

全自動のコンパクトモデルで、人為誤差を排除した測定が可能です。
自動軸移動オプションとの組み合わせにより、多点測定やマッピング測定も可能です。
もちろん転落角や表面・界面張力、温調などにも対応しています。

KRUSSが誇る全自動のハイエンドモデルです。
DSA30で使用可能なすべてのオプションに対応し、さらに高圧チャンバなどの特別なオプションを使用することもできます。

ピエゾ滴定装置を使用したピコリットル単位の液滴作成が可能なモデルです。毛髪やねじ山のような非常に小さな固体の接触角を測定できます。

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【トップビュー法】 

凹面サンプルを測定できるモデルです。
マイクロピペッターを使い手動で着液させて測定を行います。

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【ウィルヘルミー・ウォッシュバーン法】 

毛髪などのシングルファイバの動的接触角や、粉体の接触角を測定することができます。
表面張力計としても使用でき、液体の表面・界面張力を測定することもできます。

K100シリーズの中で最も高感度な荷重測定システムの搭載により、カーボンファイバなど直径わずか数μmの単繊維の動的接触角をも測定することができます。
表面・界面張力計としても使用可能です。

 

 

比較(価格・機能・仕様)

大まかな目安であり、仕様やオプションによって異なることがあります。
KRUSS LP2
 
型番 MSA MSA Flex DSA25 DSA30 DSA100 DSA30M/100M TVA100 K100 K100SF
測定原理 液滴法

トップビュー法 ウィルヘルミー法
ウォッシュバーン法

測定項目
黒字:標準装備
青字:オプション

  • 接触角
  • 表面自由エネルギー
  • 接着仕事・液体極性比率
  • 接触角
  • 表面自由エネルギー
  • 接着仕事・液体極性比率
  • 接触角
  • 転落角
  • 拡張収縮法
  • 表面自由エネルギー
  • 表面・界面張力
  • 接着仕事・液体極性比率
  • 接触角
  • 表面自由エネルギー
  • 接着仕事・液体極性比率
  • 接触角
  • 表面自由エネルギー
  • 接触角
  • 表面自由エネルギー
  • 表面・界面張力
  • 接着仕事・液体極性比率
測定操作 全自動 着液のみ手動 全自動 全自動  手動液滴作成
手動着液
全自動
接触角測定範囲 0~180°
 
3.5~75° ウィルヘルミー:0~180°
 ウォッシュバーン:0~90°
接触角分解能 0.01°
接触角正確度 0.8° 0.1° 0.3°  -
最大サンプルサイズ(mm)
W∞
D∞
H∞
W320
D∞
H165
W320
D∞
H275 
W300
D∞
H50
-
カメラ倍率 固定 6.5倍連続ズーム 7倍連続ズーム 6.5倍連続ズーム
/7倍連続ズーム
6.5倍連続ズーム -
カメラ最大フレームレート 10fps 2,300fps
-
温調 - 可能
(要オプション)
- 可能
(液側のみ、要オプション) 
ソフトウェア
「ADVANCE」
・日本語を含むマルチ言語切り替え
・人間工学に基づく分かりやすい固定式レイアウト
・エクセルやPDFへのデータ出力
・130種類を超える豊富な物質データベース
「LabDesk」
・軽快な操作性
・エクセルへのデータ出力
・130種類を超える豊富な物質データベース
本体サイズ(㎜)
W84
D32
H112
W610
D250
H430
W610
D250
H610
W555
D375
H490
W610
D250
H610
/
W555
D375
H490
W610
D250
H430
W300
D390
H585

本体重量 0.85kg 10kg 24kg 10kg/24kg 10kg 23kg 24kg
電源 USBバスパワー(5V、4.5W) 100V、100W 100V、40W
使用環境 10~40℃(結露なきこと) 15~30℃(結露なきこと)
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