2024年9月25日

接着とは何か？

「接着」とは異なる物質（異種材料）同士が接触し、分子間力や静電気力、機械的結合（アンカー効果等）、共有結合などを介して、互いに結合する現象のことです。「接着」という言葉を聞くと、接着剤が真っ先に思い浮かぶかと思いますが、接着剤に限らず、塗料やコーティング液の塗布、固体表面への汚れの付着、樹脂接着加工などの現象も2つの異なる物質の界面（液体-固体、固体-固体）をくっつけるという広義の意味で捉えれば、接着現象に該当します。その為、このような広義の意味で接着現象を捉えれば、日常用途から工業用途に至るまで様々な用途で「接着」という現象が利用されていることが分かります。「接着」は上記の通り、様々な因子が複合的に作用する現象ですが、ここでは主に分子間力に由来する「接着仕事」・「界面張力」・「拡張係数」という接着性を評価するためのパラメーターについてご紹介します。これらのパラメーターは、接着の強度や耐久性、信頼性を左右する因子となり、接着剤や素材の選定、接着性能の最適化などにおいて重要な指標となり得ます。そのため、これらのパラメーターを評価・分析することは接着性能を向上させる上で、非常に重要となります。

接着仕事・界面張力・拡張係数とは？

接着仕事（Work of Adhesion）

ある界面張力（界面自由エネルギー）σ₁₂[mN/m = mJ/m²]を持つ物質12を、表面張力（表面自由エネルギー）σ₁[mN/m]を持つ物質1と表面張力（表面自由エネルギー）σ₂[mN/m] を持つ物質2に、W_A[mN/m]の力（エネルギー）を加えることで引き剝がしたとします。この時に加えた力が接着仕事W_A[mN/m]として定義されます。簡単に言えば、接着仕事W_Aとは接着した界面を引き剥がすのに必要な力のことです。そのため、この力（エネルギー）が大きければ大きいほど、接着を剥がすのに必要な力が大きい＝接着強度が高いということになります。また、物質を引き剥がす前後でのエネルギーは等価であるので、以下の式が成り立ちます。

界面張力（Interfacial Tension）

界面張力（界面自由エネルギー）とは2つの異なる（お互いに混ざり合わない）物質の界面に働く力（エネルギー）のことです。界面張力というと、エマルションの評価などに代表される、水-油のように混ざり合わない液体同士の界面に働く力を想像される方が多いかもしれませんが、液-液だけでなく、Youngの式で記述される通り、液-固の界面にも同様に界面張力は働きます。

接着評価において、界面張力は界面の長期的な安定性を示すパラメーターとなります。界面張力（界面自由エネルギー）が小さければ小さいほど、その界面はエネルギー的に安定となり、その界面を維持しやすくなります。つまり、界面張力が小さいほど、接着界面が自発的に剝がれにくくなります。ポスターを壁に両面テープで貼り付けた時に、数日経ってもポスターが付いたままか、あるいは数日経つとポスターが自発的に剥がれ落ちるのか（外部からの力は加えずに）、このような現象にも界面張力が影響している可能性があります。

界面張力σ_12は、物質1の表面張力の分散成分をσ_1^d[mN/m]、極性成分をσ_1^p[mN/m]とし、同様に物質2の表面張力の分散成分σ_2^d[mN/m]、極性成分をσ_2^p[mN/m]とすると、以下のように表されます。

拡張係数（Spreading coefficient）

液体（表面張力σ_2）が固体（表面自由エネルギーσ_1）を濡れ広がる際に、液体が完全に濡れ広がるのか（接触角=0°）あるいは完全には濡れ広がらずに液滴を形成するのか（接触角>0°）は、下記で定義される拡張係数Sにより判断できます。

拡張係数Sは上記のYoungの式で定義される、液滴端の力の関係を表しており、S>0であれば、液滴を濡れ広げる方向の力（表面自由エネルギーσ_1）が液滴を維持しようとする力の和（表面張力σ_2と界面張力σ_12の和）よりも大きいことになり、液体が完全に濡れ広がります。逆にS<0であれば、液体は完全には濡れ広がらず接触角>0°となります。

接触角・表面自由エネルギーとの違いは？

「接触角」や「表面自由エネルギー」は上記で紹介したパラメーターと比較すると、より一般的に接着性評価で使用されるパラメーターであると思います。どちらも接触角計を利用して、より簡単に評価ができ、また例えば、「接着剤が基材に対して濡れ広がるので接着性良好」、「基材表面の極性が高くなったので接着性良好」というように直感的にもより理解しやすいパラメーターです。一方で、これらの評価では実際の接着現象との相関が見られないあるいは評価ができない（接着の長期安定性等）ケースがあることも事実です。そのように、「接触角」・「表面自由エネルギー」だけでは、十分な評価ができないケースにおいて、「接着仕事」などのパラメーターを導入することで、接着現象をより深く、詳細に評価・理解することができるようになります。

KRUSS社の接触角計を利用した接着解析

これらの「接着仕事」「界面張力」「拡張係数」のパラメーターはいずれもKRUSS社の接触角計を利用して評価ができます。専用ソフトウェア「ADVANCE」は誰でも直感的に操作ができ、測定した値だけでなく、手入力の値での評価も可能です。また、評価データを蓄積することで、例えば各基材と各接着剤との相性予測（シミュレーション）が可能となり、実際の接着評価にかかる時間を節約できます。