表面処理のご相談

テフロン™フッ素樹脂が撥水性/撥油性に優れる理由とは?撥水角や活用方法まで解説

この記事ではテフロン™フッ素樹脂の特性のひとつである「撥水性・撥油性」についてメカニズムから接触角の確認方法や撥水性/撥油性の活用例までご紹介します。内容をまとめた解説資料を無料でダウンロードいただけます。ぜひご活用ください。

撥水性/撥油性とは?

「撥水性/撥油性」とは素材表面が水や油を弾く性質のことを指します。
この性質をイメージしやすいものとして、ハスの葉が有名です。
吉田SKT 『テフロン™フッ素樹脂加工』のカタログ表紙にもハスの葉がデザインされています。

テフロンコーティングカタログ

ハスの葉はこの撥水性を利用して、葉自体を濡れにくく綺麗に保ち、光合成をスムーズに行えるようになっています。
テフロン™フッ素樹脂もこの「撥水/撥油性」を有しており、例えば、液体が濡れ広がる素材であっても、表面にテフロン™フッ素樹脂コーティング処理をすることで撥水/撥油性をもたせ、液体を弾いて濡れ広がりにくくすることができます。

テフロン™フッ素樹脂が撥水性/撥油性に優れる理由 ~表面自由エネルギー~

テフロン™フッ素樹脂は撥水性/撥油性に優れる樹脂です。これには表面自由エネルギーが大きく関係しています。
続いてテフロン™ PTFEを例に、「撥水性」のメカニズムに注目してご説明します。

表面自由エネルギーとは

物質の表面には、表面自由エネルギー(表面張力)というものが存在しています。表面自由エネルギーとは、物質の中で分子同士が引き合う力のことをいいます。
テフロン™ PTFEはこの表面自由エネルギーが非常に低いという特徴があります。
※一般的に、固体に対しては「表面自由エネルギー」、液体に対しては「表面張力」と表現します。

固体と液体の表面自由エネルギー・表面張力
固体/液体の表面自由エネルギー、表面張力

撥水性と表面自由エネルギーとの関係

上の表から、

 水……………………表面張力が高い
 テフロン™ PTFE……表面自由エネルギーが低い

ということを知っていただけると思います。
では、この表面自由エネルギー(表面張力)と撥水性がどのように関係しているのでしょうか?

『表面張力が高い』液体は、液滴内の分子同士が引き合う力が非常に強いため、内側に強く引っ張られます。このため、液滴はより丸い球体になろうとします。
水とオリーブオイルでは、表面張力が高い水の方が、より丸い液滴になります。

液体の表面張力
液体の表面張力イメージ

さらに、固体表面に液体が付着した状態を考えてみます。次の図をご覧ください。

固体の表面自由エネルギーの差による水滴イメージ
固体の表面自由エネルギーの差による水滴イメージ

固体表面と液体(図の例では水)の界面では、固体の表面自由エネルギーが高いほど液体の分子と引き合う力が大きくなり、液体が濡れ広がることになります。
逆に、固体の表面自由エネルギーが低いほど液体の分子と引き合う力が小さくなり、液体を引き付ける力が弱くなります。この場合、液体は自身の表面張力によって内側に引っ張られ、固体表面上で小さくなり球状になります。

これは接する固体と液体の表面自由エネルギー(表面張力)の大きさの差によるもので、つまり同じ固体でも表面張力が異なる液体を滴下すると、濡れ広がったり弾いたりします。

分かりやすい例として(下図)、ポリエチレンに水を滴下した場合、ポリエチレンの表面自由エネルギーより水の表面張力の方が勝るため、水は内側に引っ張られて球状になります。
ところが同じポリエチレンに表面張力が低いエタノールを滴下すると、ポリエチレンの表面自由エネルギーの方が勝るため、エタノールは濡れ広がります。

液体の表面張力の差による水滴のイメージ
液体の表面張力の差による水滴のイメージ

撥水/撥油性に優れているテフロン™PTFEの場合、表面自由エネルギーは固体の中で最も低いと言われているため、ほとんどの液体を弾くことができます。

撥水性/撥油性の確認方法 ~接触角~

では、撥水とはどのような状態を指すのでしょうか?
ここからは撥水性/撥油性の確認方法についてご説明します。

撥水性/撥油性は、下図のような静止状態での液滴の端での接線の角度「接触角」によって数値化します。

液体の接触角と撥水・撥油性

接触角が0°に近いほど固体表面は濡れており、逆に接触角が180°に近いほどよく弾いています。
一般的に水の場合、接触角が90°以上の場合は撥水性、90°未満で親水性と区分されることが多いです。さらに、接触角が150°〜160°以上になると超撥水と区分されることもあります。
通常、テフロン™PTFEの接触角は100°以上になり、撥水性を示します。

>液体の接触角測定方法の解説

撥水性/撥油性を利用してできること

テフロン™フッ素樹脂は水も油もよく弾くため、さまざまな液体を弾かせたい場面で使用されています。
自動車のフロントガラスや傘などの水弾きはよく目にしますが、工業製品の生産現場やプロの現場でも撥水/ 撥油性は利用されています。例えば、塗料ポットや漏斗の場合、液切れが良くなるため残渣の低減ができ、塗料ロスや清掃時間を少なくすることが可能です。
メッキ治具の場合は防食性能や絶縁性に加え、撥水性によりメッキ液の持ち出し量を低減することができ、コストダウンに貢献します。

【メッキ治具へのコーティング事例】
・電子部品の電気メッキ工程で治具へのメッキ付着を防止

吉田SKTでは、このような撥水/撥油性能に優れたテフロン™フッ素樹脂コーティングをご提供しております。

>テフロン™フッ素樹脂コーティングを解説

また、テフロン™フッ素樹脂コーティングだけでなく、さまざまな機能性コーティングで、ものづくりにおけるコストダウン、競争力の強化、現場に歓迎される環境づくりなど、テストピースもご提供しながらサポートします。ぜひご相談ください。

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