接触角の温度依存性に関する研究 : 過熱面上の接 触角測定の試み

接触角の温度依存性に関する研究 : 過熱面上の接 触角測定の試み

著者 永井 二郎, 竹内 正紀, 木村 照夫, 金島 長規

雑誌名 福井大学工学部研究報告

巻 45

号 2

発行年 1997‑09

URL http://hdl.handle.net/10098/3561

福 井 大 学

工 学 部 研 究 報 告 第45巻 第2号 1997年 9月

接触角の温度依存性に関する研究

一過熱面上の接触角測定の試み一

永 井 二 郎 * 竹 内 正 紀 * 木 村 照 夫 * 金島長規**

Study on the Temperature Dependence of Contact 

An

gles 

‑Attempts for Measuring Contact Angles on Superheated Walls ‑

Niroh NAGAI， Ma泊noriTAKEUCm， Teruo KIMURA  and  Takenori KANASHTh証A

(Received Aug. 29， 199η 

In this  report， we仕iedto  m伺sure白etemperature dependence of

∞

ntact  ang1es， es肝ciallyfocusing onωn包.ctangles on superheated walls， by two kinds of  e耳児riments. One  is  liquid  drop1et  method 也 which 也e temperature  of  surrounding Ar gas atmosph町ewas 

∞

n仕'Ol1edequal句 superh伺.tedwalls， and白e

∞

n旬.ctang1es of liquid drop1et were m伺sured. The oth町 oneis highly‑subc

∞

1ed  semi‑two‑dimensiona1  boiling  expぽ 加en恰， and  也e ωn隊 t ang1es  of  semi‑two‑dimensiona1  bubb1es  were measured.  The obtained  res叫tsindiαte 

出at伺凶librium，advancing and receding

∞

ntact ang1es slight1y d町 'easeswi白 血e temperature泊 ぽ 伺ses und町 出e sa知rationtemperatur~. We ∞ 叫d measure 

∞

n包.ctang1es on supぽh伺.tedwalls by白esubcoo1ed bo泊ngmethod， showing li仕1e temperature dependence. 

Key Wor由 :Contact Angle.  Wett:ing.  Bo副ng，Sur色偲Chemis位y

1 . 研 究 の 背 景 と 目 的

367 

本 報 告 は 、 接 触 角 の 温 度 依 存 性 、 特 に 沸 点 以 上 の 接 触 角 を 測 定 し た 結 果 お よ び 考 察 を 報 告 し た も の で あ る 。

ま ず 、 沸 点 以 上 の 接 触 角 を 測 定 す る 意 義 に つ い て 述 べ る 。

* 機 械 工 学 科 料 大 学 院 工 学 研 究 科 機 械 工 学 専 攻

沸 騰 熱 伝 達 は 工 業 的 に 広 〈 用 い ら れ て お り 、 そ の 伝 熱 特 性 ( 沸 騰 曲 線 ) の 予 測 及 ぴ 制 御 方 法 の 確 立 が 重 要 で あ る が 、 未 解 決 点 の lつ に 国 体 面 濡 れ 性 の 評 価 方 法 の 問 題 が あ る 。 沸 騰 曲 線 に 強 く 影 響 を 及 ぼ す 濡 れ 性 は 、 今 の と こ ろ 常 温 で 測 定 さ れ た 平 衡 接 触 角 に よ っ て 表 さ れ る 場 合 が 多 い (1)が 、 沸 騰 現 象 は 沸 点 以 上 に 過 熱 さ れ た 固 体 面 上 で お こ る 動 的 な 現 象 で あ り 、 常 温 で の 平 衡 接 触 角 に よ り 固 体 面 濡 れ 性 を 評 価 す る こ と は 本 来 は 妥 当 で は な いo 従 っ て 、 沸 点 以 上 の ( 動 的 な ) 接 触 角 を 常 温 で の 平 衡 接 触 角 か ら 推 算 す る 方 法 を 確 立 す る こ と が 重 要 と な るo

ま た 、 ヒ ー ト パ イ プ 、 熱 交 換 器 、 電 子 部 品 の 冷 却 機 器 な ど に 広 く 用 い ら れ る 液 膜 蒸 発 伝 熱 に 関 し て は 、 液 膜 が 破 断 し ド ラ イ パ ッ チ が 生 じ る と 伝 熱 性 能 が 著 し く 低 下 す る 事 が 知 ら れ て い る 。 こ れ ま で の 液 膜 蒸 発 伝 熱 に 関 す る 研 究(2)に よ り 、 そ の 破 断 機 構 解 明 の た め 沸 点 以 上 の 動 的 な 接 触 角 お よ び そ の 温 度 依 存 性 を 知 る 事 が 重 要 で あ

る こ と が 知 ら れ て い る 。

こ の よ う に 、 静 的 ・ 動 的 な 接 触 角 の 温 度 依 存 性 、 特 に 沸 点 以 上 の 接 触 角 を 知 る こ と は 重 要 で あ る こ と が 分 か る が 、 沸 点 以 上 で は 不 可 避 的 に 液 体 の 蒸 発 ・ 液 体 中 の 発 泡 が 発 生 す る た め 測 定 が 困 難 と さ れ て き た 。

T a b l e . l

は こ れ ま で の 接 触 角 温 度 依 存 性の測定例(3)‑(A)で あ る 。 表 は 左 列 か ら 測 定 者 、 固 体 面 材 料 、 液 体 の 種 類 、 そ し て 平 衡 ・ 前 進 ・ 後 退 接 . 触 角 を 縦 軸 に 温 度 を 横 軸 に と っ た と き の グ ラ フ の 傾 き 、 お よ び 沸 点 以 上 の 接 触 角 測 定 の 有 無 を 示 し て い るo 表 か ら も 分 か る よ う に 、 沸 点 以 上 の 接 触 角 測 定 例 は 1つ あ る の み で あ り 、 沸 騰 熱 伝 達 や 液 膜 蒸 発 伝 熱 で 重 要 な 金 属 国 体 面

T a b l e . l   M e a s u r e d  v a l u e s   o f   t e m p e r a t u r e   d e p e n d e n c e   o f  

conta~t

a n g l e s  

国体 漉体 d 8e/dT  d 8ad/dT  d 8 rd/dT  沸点以上の接触角

Petke and Ray  ポリエチレン 水 ‑0.  11  +0.  02  G 

(3)  ポリスチレン ‑0.  04  ‑0.  01  G 

ポリアセタル ‑0.  14  士o. 00  G 

ポリカーポナイト ‑0.  06  +0.  06  G 

ポリエステル ‑0.  14  +0. 06  G 

フルオポリマー ‑0.  05  ‑O.  04  G 

l

T

^adros et a .l(4)  銅 水 +0. 408  (Stearic acid 

のコーティング}

Ponter et a. l(5)  鋼 水 ‑0.  1 35  Neumann et a .l PTF.E(=テフ nーデカン ‑0.  106  ロン) nーアンデカン ‑0.057  n ‑ドデカン ‑0. 012  n ‑トリデカン 土o nーテトラデカン 土o n ‑ぺンタデカン 土o n ‑ヘキサデカン 土o IWhaler可andlai(7) ソーダガラス#1水 +0. 257 

ソーダガラス#2 +0.  170  ソーダガラス#3 +0.006  ソーダガラス#4 +0.003 

ソーダガラス#5 土o

ソーダガラス#6 +0.458  ソーダガラス#7 + o.  306 

陣司・慣例 銅 水 ‑0. 619  ‑0.563  ‑1.  2.0 

369 

上 で の 測 定 例 は 見 あ た ら な い 。 ま た 、 沸 点 以 下 で の 接 触 角 温 度 依 存 性 は 固 体 面 と 液 体 の 組 み 合 わ せ や 測 定 者 に よ り 異 な っ て お り 、 こ れ ら の 結 果 を 合 理 的 に 説 明 し う る 解 析 は な さ れ て い な いo

以 上 を 背 景 と し て 筆 者 ら は 、 種 々 の 固 体 面 上 で の 水 滴 の 平 衡 ・ 前 進 ・ 後 退 接 触 角 を 測 定 し 、 そ の 温 度 依 存 性 、 特 に 沸 点 以 上 の 接 触 角 測 定 を 試 み た け } 。 そ こ で は 、 沸 点 以 上 の 接 触 角 を 可 能 に す る た め 発 泡 開 始 温 度 を 高 く さ せ る こ と を 目 指 し て 、 表 面 を 鏡 面 仕 上 げ

( R

_{U 1}

‑‑O.03μm)

し た 面 を 数 種 用 意 し た 。 そ の 結 果 、 鏡 面 仕 上 げ さ れ た テ フ ロ ン 、 石 英 ガ ラ ス 、 単 結 晶 サ フ ァ イ ア 面 上 で 沸 点 以 上 の 接 触 角 を 測 定 で き たo

し か し こ の 実 験 は 実 験 室 雰 囲 気 中 で 行 っ た た め 、 (A)液 滴 や 雰 囲 気 温 度 を 固 体 面 温 度 と 等 し く な る よ う に コ ン ト ロ ー ル で き て い な い こ と や 、 (B) 雰 囲 気 の 成 分 が 日 に よ っ て 異 な り 、 固 体 面 表 面 の 化 学 的 性 質 を コ ン ト ロ ー ル で き て い な い な ど の 問 題がある。

そ こ で 本 報 告 で は 、 前 報 の 実 験 を 改 良 し 、 雰 囲 気 を ア ル ゴ ン ガ ス で 満 た し 、 か っ 液 滴 と 雰 囲 気 温 度 を 固 体 面 温 度 と 等 し く な る 様 に コ ン ト ロ ー ル し 、 液 滴 の 動 的 ・ 静 的 な 平 衡 ・ 前 進 ・ 後 退 接 触 角 を 種 々 の 固 体 面 上 で 温 度 を 変 え な が ら 測 定 し た 。 さ ら に 、 特 に 沸 点 以 上 の 固 体 面 上 で の 接 触 角 を 測 定 す る た め に 、 高 サ プ ク ー ル 疑 似 二 次 元 沸 騰 中 の 気 泡 形 状 か ら 接 触 角 を 測 定 す る 事 を 試 み た 。

2.液 滴 の 接 触 角 の 測 定 2.  1 実 験 装 置 及 び 方 法

Fig.lに 示 す よ う に 実 験 装 置 は 加 熱 装 置 、 液 滴 供 給 装 置 か ら 構 成 さ れ て い る 。 加

① syringe 

② Kicrogauge 

③ Rectangular Enclosure  made of Acrylic  Plate 

④ Test Surface 

⑤ Enclosure made of  Bakeli七e Plate 

⑥ A xis 

⑦ Nickel‑Chrominum Hea七er

⑧ Stopper 

⑨ Volt Slider 

⑩ Thermocouples 

⑪ 工ceBox 

⑫ Digital Multimeter 

⑮ CCD Camera 

⑭ Video Recorder 

⑮ Koni七or

⑮ Light 

Fig.l  Experimental  apparatus of  liquid droplet method 

g 

8 e = 2 t a n ‑l(→~)

F i g . 2  M e t h o d  o f  m e a s u r i n g  e q u i l i b r i u m ，  a d v a n c i n g  a n d  r e c e d i n g  c o n t a c t  a n g l e s  

熱 装 置 は ヒ ー タ を 組 み 込 ん だ 銅 ブ ロ ッ ク 、 固 体 面 及 び ベ ー ク ラ イ ト 樹 脂 製 容 器 で 構 成され、

6

種 類 の 固 体 面 ( 銅 、 ア ル ミ ニ ウ ム 、 ス テ ン レ ス 鋼

[ S U S 3 0 4 ]

、石英ガラス、

単 結 晶 サ フ ァ イ ア 、 テ フ ロ ン ) は シ リ コ ン 接 着 剤 で 銅 ブ ロ ッ ク に 接 着 し たo ま た 銅 ブ ロ ッ ク 内 部 と 固 体 面 表 面 に 熱 電 対 を 設 置 し 固 体 面 表 面 温 度 を 測 定 し たo ベ ー ク ラ イ ト 樹 脂 製 容 器 上 部 に は 軸 が 挿 入 し て あ り 傾 け る こ と が 出 来 るo こ れ に よ り 、 容 器 が 水 平 で あ る と き の 平 衡 接 触 角 、 お よ び 容 器 を 傾 け る に よ り 液 滴 が 動 き 始 め る 前 の 静 的 な 前 進 ・ 後 退 接 触 角 、 そ ら に 液 滴 が 動 き 始 め た 時 の 動 的 な 前 進 ・ 後 退 接 触 角 を 測 定 し たo 液 滴 供 給 装 置 は マ イ ク ロ ゲ ー ジ に よ り 固 体 面 上 に 少 量 の イ オ ン 交 換 ・ 蒸 留 水 滴 を 供 給 す る こ と が で き るo 固 体 面 は 一 辺

4 0 m m

厚 さ

2 m m

の 正 方 形 板 で あ り 、 テ フ ロ ン に つ い て は 熱 伝 導 性 が 非 常 に 低 い た め 、 銅 板 の 上 に 厚 さ

o . 1 m m

の テ フ ロ ン シ ー ト を 接 着 し た 物 を 使 用 し た 。 ま た 、 装 置 周 辺 を ア ク リ ル 板 で 囲 み 内 部 を ア ル ゴ ン ガ ス で 満 た し て ヒ ー タ を 設 置 し て 雰 囲 気 温 度 と 国 体 面 温 度 を 等 し く な る よ う に コ ン ト ロ ー ル し たo 実 験 は 固 体 面 温 度 を 常 温 か ら

2 0

⁰

C

の 間 隔 で 上 昇 さ せ て 、 発 泡 ・ 蒸 発 の た め 接 触 角 の 測 定 が 出 来 な く な る ま で 測 定 を 行 っ たo 銅 、 ア ル ミ 、 ス テ ン レ ス の 金 属 面 に つ い て は 、 温 度 を 常 温 か ら 上 昇 さ せ る 前 に 、 エ メ リ ー 紙

# 1 2 0 0

に よ り 研 磨 し て 表 面 を 仕 上 げ た 。 ま た 、 各 温 度 に お い て 測 定 を 行 う 前 に ア セ ト ン で 表 面 を 洗 浄 し た 。 測 定 方 法 に つ い て は 、

F i g . 2

に 示 す よ う に ビ デ オ カ メ ラ で 液 滴 形 状 を 横 か ら 記 録 し た も の を テ レ ビ モ ニ タ 上 に 再 生 し 、 方 眼 紙 を コ ピ ー し たOHPシ ー ト を 当 て て 液 滴 形 状 が 球 の 一 部 で あ る と 仮 定 し 液 滴 の 高 さ hと 液 滴 の 直 径 部 分

x

を 測 定 し 次 式 に よ り 平 衡 接 触 角 ()eを求めた。

( ) e = 2 t a n ‑1 ( 2 h / x )   ( 1 )  

こ の 式 (1 ) に よ る 測 定 方 法 は 、 同 一 条 件 下 で は ば ら つ き が ほ と ん ど 見 ら れ ず (:t 1 0 

以 内 ) 、 ま た 測 定 者 の 違 い に よ る 差 異 も 無 く 、 良 好 な 測 定 方 法 で あ る 。 一 方 、 静 的 お よ び 動 的 前 進 後 退 接 触 角 の 測 定 は 接 線 を 予 測 しOHPシ ー ト に 分 度 器 を 拡 大 コ ピ ー し た 計 測 用 紙 で 測 定 し た 。 こ の 方 法 は 、 同 一 条 件 下 に お い て ば ら つ き が 見 ら れ 、 測 定 者 の 違 い に よ る 誤 差 も 含 め る と : t

5 0

程 度 の 誤 差 を 有 し て い る 。

371 

2.  2 

実 験 結 果 及 び 検 討

Fig.3は 各 温 度 に お け る6種 類 の 国 体 面 に お け る 平 均 平 衡 接 触 角 の 測 定 結 果 で あ る 。 こ の 図 よ り 、 国 体 面 に よ り 平 衡 接 触 角 の 値 に 違 い は あ る も の の 、 温 度 に 対 す る 接 触 角 の 依 存 性 に つ い て は 、 固 体 面 に よ ら ず 温 度 の 上 昇 に 伴 い わ ず か に 減 少 す る 傾 向 を 有 す る こ と が 分 か る o こ の 結 果 とTable.lを 比 較 す る と 、 金 属 面 ( 銅 ) に つ い て は 同 様 の 傾 向 を 示 し て い る が 、 ガ ラ ス に つ い て は 温 度 依 存 性 が 異 な っ て い るo そ の 理 由 と し て は 、 本 実 験 とTable.lの ガ ラ ス の 実 験 と を 比 較 す る と 、 雰 囲 気 温 度 を 固 体 面 温 度 と 等 し く な る よ う コ ン ト ロ ー ル し て い る 点 で は 同 じ で あ る も の の 、 雰 囲 気 気 体 が 異 な る こ と が 考 え ら れ るo ま た 、 こ の 液 滴 法 に よ る 測 定 で は 、 液 滴 と 国 体 面 の 界 面 で 発 泡 す る た め 液 滴 形 状 が 一 定 に な ら ず 、 沸 点 以 上 で は 妓 触 角 を 測 定 で き な か

った。

参 考 の た め に 雰 囲 気 を 制 御 し な か っ た 場 合 、 す な わ ち 前 報(1)と 同 様 に 雰 囲 気 が 実 験 室 雰 囲 気 の 場 合 の 結 果 をFig.4に 示 すo こ の 図 を 見 る と 明 ち か に 雰 囲 気 を 制 御 し たFig.3の 結 果 と 温 度 依 存 性 が 異 な る こ と が わ か る 。 こ の こ と は 研 究 の 背 景 と 目 的 で 述 べ た(A)液 滴 や 雰 囲 気 温 度 を 固 体 面 温 度 と 等 し く な る よ う に コ ン ト ロ ー ル で き て い な い た め に 液 滴 表 面 の 表 面 張 力 に 大 き な 分 布 が 見 ら れ る こ と や 、 (B)雰 囲 気 の 成 分 が 日 に よ っ て 異 な り 、 固 体 面 表 面 の 化 学 的 性 質 を コ ン ト ロ ー ル で き て い な い な

ど の 問 題 が あ っ た こ と が 考 え ら れ るo

Fig.3の 結 果 か ら 界 面 張 力 の 平 衡 接 触 角 に 対 す る 影 響 を 考 え る 。 実 験 で は 国 体 面 を 取 り 換 え る 事 に よ っ て 囲 気 界 面 張 力 Ysv、 固 液 界 面 張 力yslが変化している。また、

系 の 温 度 を 上 昇 さ せ る と 気 液 界 面 張 力γlvは 減 少 す る 。 こ こ で 以 下 の ヤ ン グ の 式 Y即 ‑Y..l

COSt1_e =← 

yル

QJ   (叫

ω司 )

3 Z  6  

3 

。

Fig.3 Equilibrium contact  angles  (surrounding temperature controlled) 

(2 ) 

AY 

(凶 O唱 )

3 

。

凶

s 

t且

雲6

0 o 

。

Fig.4 Equilibrium contact angles  (surrounding temperature uncontrolled) 

が 成 り 立 つ も の と 仮 定 す る と 、 温 度 上 昇 に 伴 い 平 衡 接 触 角 θeが 減 少 す る に は 、 温 度 上 昇 と と も に 式(2)の 右 辺 の 分 子 が 一 定 あ る い は 増 加 し な け れ ば な ら な い 。 ま た y ^svが 本 実 験 の よ う な 温 度 範 囲 で は あ ま り 変 化 し な い と 考 え ら れ る (10)た め 、 国 液 界 面 張 力 γslが 温 度 上 界 と と も に 一 定 も し く は 減 少 す る と 考 え ら れ る 。 固 液 界 面 張 力 が 温 度 上 昇 と と も に 増 大 す る か あ る い は 減 少 す る か は 、 沸 騰 現 象 に お け る 濡 れ 限 界 を 決 定 す る 際 に 重 要 な 点 で あ るo 今 後 、 沸 点 以 下 の 温 度 範 囲 に お け る 接 触 角 の 測 定 に よ り 、 沸 点 以 上 に お け る 濡 れ 限 界 温 度 を 推 定 で き る よ う な 物 理 モ デ ル の 検 討 を 行

う予定である。

次 に 、 サ フ ァ イ ア の 場 合 を 例 に と り 、 平 衡 接 触 角 、 動 的 ・ 静 的 な 前 進 ・ 後 退 接 触 角 の 測 定 結 果 を

F i g . 5

に 示 す 。 こ の 図 よ り 、 前 進 お よ び 後 退 接 触 角 は 平 衡 接 触 角 と ほ ぼ 同 じ 温 度 依 存 性 の 傾 向 を 示 し 、 ま た 静 的 ・ 動 的 接 触 角 の 値 に あ ま り 大 き な 差 は 見 ら れ な い こ と が わ か る 。 こ の 傾 向 は 、 そ の 他 す べ て の 固 体 面 に つ い て も 同 様 で あ っ た 。 こ の 前 進 ・ 後 退 接 触 角 の 温 度 依 存 性 が 平 衡 接 触 角 と ほ ぼ 同 じ で あ る こ と は 、 測 定 が 比 較 的 困 難 な 前 進 ・ 後 退 接 触 角 を 平 衡 接 触 角 よ り 予 測 で き る 可 能 性 を 示 し て いる。

ω ‑ S35ロ8∞

o  : 

equilibrium 

o  : 

Static advancing 

ロ :

Static receding  . :  Dynamicadv:臨 時 国:Dynamic receding 

3 

.  =ii、佐

5遍

。

F i g . 5  E q u i l i b r i u m ，  a d v a n c i n g  a n d  r e c e d i n g  c o n t a c t  a n g l e  ( S a p p h i r e )  

3.高 サ プ ク ー ル 沸 騰 気 泡 の 接 触 角 測 定 3.  1  実 験 装 置 及 び 方 法

実 験 装 置 の 概 略 を

F i g . 6

に 示 す 。 実 験 装 置 は ヒ ー タ を 内 蔵 し た 銅 プ ロ ッ ク 及 び 固 体 面 、 ベ ー ク ラ イ ト 樹 脂 製 容 器 及 び 援 水 加 工 を 施 し た 側 面 ガ ラ ス で 構 成 さ れ 、 液 滴 法 の 実 験 と 同 様 の6種 類 の 固 体 面 を そ れ ぞ れ 接 着 剤 で 銅 ブ ロ ッ ク に 接 着 し た 。 固 体 面 と し て 幅

3 m m

の も の を 使 用 し 、 こ れ を 援 水 加 工 が ほ ど こ さ れ た ガ ラ ス で は さ み 発 生 す る 気 泡 が2次 元 的 に 観 察 で き る よ う に し たo ま た 固 体 面 で 発 生 し た 気 泡 が な る

373 

べ く 上 昇 せ ず 固 体 面 上 で 静 止 す る よ う に す る た め 冷 却 管 に6⁰Cの 冷 水 を 流 し たo こ う す る 事 に よ り 、 高 サ プ ク ー ル 沸 騰 が 実 現 し 、 発 生 し た 気 泡 の 下 部 で 蒸 発 、 上 部 で 凝 縮 が 起 き て 気 泡 が 静 止 す る と い う 状 況 を 目 指 し たo 試 験 液 体 に は イ オ ン 交 換 ・ 蒸 留 水 を 使 用 し たo 実 験 は 固 体 面 下 部 の 温 度 が100⁰Cの 状 態 か ら 5⁰Cの 間 隔 で 上 昇 さ せ て 行 い 、 表 面 温 度 は 固 体 面 下 部 の 温 度 と 核 沸 騰 整 理 式 (11)を 用 い て 求 め たo 気 泡 形 状 の 接 触 角 の 測 定 は 液 滴 の 接 触 角 の 測 定 方 法 と 同 様 に ビ デ オ カ メ ラ で 記 録 し た も の を モ ニ タ 上 に 再 生 し 分 度 器 を 拡 大 コ ピ ー し た 計 測 用 紙 で 測 定 し たo

/~

① Enclosure made of  Bakelite Plate 

② Test Surface 

③ Hea七er

④ Volt Slider 

⑤ Thermocouples 

⑥ Ice Box 

⑦ Digital Hultimeter 

⑧ Pipe of cooling water 

⑨ Water Bath with  temperature controller 

⑩ CCD Camera 

⑪ Video Recorder 

⑫ Honitor 

⑬ Light 

Fig.6  Experimental  apparatus  of  subcooled boiling experiment 

3.  2 

実 験 結 果 及 び 検 討

Fig.7，8に そ れ ぞ れ サ フ ァ イ ア 、 銅 の 測 定 結 果 を 示 す 。 Fig.8に はFig.7に は プ ロ ッ ト さ れ て い な い 動 的 な 前 進 ・ 後 退 接 触 角 の 測 定 結 果 が プ ロ ッ ト さ れ て い る が 、 こ れ は 銅 の 場 合 に は 前 進 ・ 後 退 接 触 角 も 測 定 出 来 き た こ と を 示 し て お り 、 銅 以 外 の 金 属 面 ( ア ル ミ 、 ス テ ン レ ス ) に お い て も 測 定 さ れ た 。 こ れ ら の 結 果 か ら 、 ま ず 、 平 衡 接 触 角 に つ い て は 固 体 面 に よ ら ず 沸 点 以 上 で は 温 度 依 存 性 が あ ま り 見 ら れ な い こ と が わ か る 。 ま た 、 測 定 さ れ た 動 的 な 前 進 ・ 後 退 接 触 角 は ほ ぼ 平 衡 接 触 角 測 定 値 の 延 長 線 上 に あ る こ と も わ か る 。 こ れ ら の 結 果 は 、 従 来 の 沸 騰 研 究 に お い て は 未 確 認 の 情 報 で あ り 、 今 後 の 検 討 を 必 要 と す る も の の 以 下 の こ と を 示 唆 し て い る も の と 思 われる。

( 1 ) 沸 点 以 . 上 で の 接 触 角 は 、 平 衡 ・ 前 進 ・ 後 退 接 触 角 す べ て が 温 度 に よ ら ず ほ ぽ 同 じ 値 を 持 つ こ と か ら 、 固 体 面 表 面 濡 れ 性 は 一 つ の 値 で 示 す こ と が 出 来 る 。 次に、 Fig.9

，

10に そ れ ぞ れ サ フ ァ イ ア 、 テ フ ロ ン の 場 合 に つ い て 、 高 サ プ ク ー ル 沸 騰 気 泡 の 接 触 角 測 定 結 果 と 液 滴 の 接 触 角 測 定 結 果 を 同 時 に プ ロ ッ ト し た 結 果 を 示 す 。 サ フ ァ イ ア の 結 果 を 見 る と 、 沸 点 以 下 の 平 衡 接 触 角 測 定 値 の 延 長 線 上 に 沸 点 以 上 の 接 触 角 測 定 値 が あ る こ と が 分 か る 。 他 に 、 銅 、 ア ル ミ 、 ス テ ン レ ス も 同 様 の 傾 向 を 示 し たo 一 方 、 テ フ ロ ン の 結 果 を 見 る と 、 沸 点 以 上 の 測 定 値 は 沸 点 以 下 の 測 定

値 の 延 長 線 上 に は な いo 他 に 、 石 英 ガ ラ ス も 同 様 の 傾 向 を 示 し たo テ フ ロ ン と 石 英 ガ ラ ス は 熱 伝 導 性 が 低 い と い う 共 通 点 が あ る が 、 熱 伝 導 性 が 接 触 角 に ど の よ う に し て 影 響 を 及 ぼ し う る の か は 不 明 で あ り 今 後 の 検 討 を 要 す る 。 こ こ で 、 熱 伝 導 性 の 良 い 金 属 面 に 限 定 し て 考 え る と 、 こ れ ら の 結 果 は 以 下 の こ と を 示 唆 し て い る も の と 思 われる。

( 1 1 ) 沸 点 以 下 で の 平 衡 接 触 角 の 温 度 依 存 性 が 分 か れ ば 、 沸 点 以 上 の 接 触 角 を 推 算 す る こ と が で き るo

‑

、~ 12 

0 

.‑' 

ハ ツ

ω﹃凶回何回

Q m w M g o o

￨ 0 :

叩 ilibrim

6  σ心てP

。 心

3 

O  wal1 tempera畑 町 (Oc)

F i g r 7  C o n t a c t  a n g l e s  ( S a p p h i r e )  

ω ‑ 凶ロ伺 ~roplet method> 

d : equilibrium  ( wall temperatur~

くhighly‑subcooled加iling

• : equilibrium 

ヶ A ¥か‑‑‑‑‑o

o 

3 

wall tel11>erature (Oc) 

F i g . 9  E q u i l i b r i u m  c o n t a c t   a n g l e   ( S a p p h i r e )  

ω︻凶ロ伺︼O

何 一‑ ロ

00

Q : equilibrium 

.: Dynamicadvanci  . : D戸1氾niおcrα，〉渇eding

3 

I而 ‑‑‑‑‑‑120 

contact angle  (deg) 

F i g . 8  C o n t a c t  a n g l e s   ( C o p p e r )  

1ω i

g 

h 

ちS 9 

8 

くdoropletmethod> 

d : equilibrium  (wall temperature) 

くhighly‑副 恥 ∞ledboiling> 

• : equilibrium 

、

ピメ\~

3 

F i g . l 0  E q u i l i b r i u m  c o n t a c t   a n g l e  

( P T F E )  

375 

以 上 の 二 つ の 仮 説

( 1 )

，

( 1 1 )

が 正 し い と す れ ば 、 沸 点 以 下 の 温 度 範 囲 に お い て 平 衡 接 触 角 を 測 定 す れ ば 、 沸 点 以 上 の 接 触 角 が 推 定 さ れ 、 さ ら に 沸 騰 現 象 に お け る 表 面 濡 れ 性 を 評 価 で き る こ と に な る 。 こ れ を 立 証 す る に は 、 さ ら に 実 験 デ ー タ を 得 る と と も に 、 こ れ ら の 結 果 を 表 現 す る 物 理 モ デ ル を 構 築 す る 必 要 が あ る も の と 思 わ れ る 。

4.結 言

液 滴 法 の 実 験 に お い て 、 沸 点 以 下 の 温 度 で は 平 衡 接 触 角 は 固 体 面 の 材 質 に よ ら ず 同 じ 傾 向 を 示 し 温 度 上 昇 と 伴 に 減 少 し 、 前 進 ・ 後 退 接 触 角 の 温 度 依 存 性 の 傾 向 は 平 衡 接 触 角 と ほ ぼ 同 じ で あ る こ と が 分 か っ たo ま た 、 沸 点 以 上 で は 平 衡 ・ 前 進 ・ 後 退 接 触 角 は ほ ぼ 同 じ 値 を 示 し 、 そ の 温 度 依 存 性 は 小 さ い こ と が わ か っ たo さ ら に こ れ

ら の 結 果 か ら 、 沸 点 以 上 の 固 体 面 表 面 濡 れ 性 の 評 価 方 法 に つ い て 検 討 し たo

次 の ス テ ッ プ と し て 、 液 滴 法 に よ り 沸 点 以 上 の 接 触 角 を 測 定 す る た め に 出 来 る だ け 蒸 発 ・ 発 泡 を 抑 え る こ と を 目 指 し ア ル ゴ ン ガ ス の か わ り に 水 蒸 気 を 容 器 内 に 充 満 さ せ 測 定 す る こ と を 試 み て い るo ま た 、 得 ら れ た 結 果 を 表 現 で き る 物 理 モ デ ル を 検 討している。

参 考 文 献

( 1 )  C h o w d h u r y

，

S . K . R . a n d  W i n t e r t o n

，

R . H . S .

， 

I n t . J . H e a t  M a s s  T r a n s f e r

， 

2 8 ( 1 9 8 5 )

， 

p p . 1 8 8 1 ‑ 1 8 8 9 .  

(  2 

)平沢.

H a u p t m a n n

， 機 論

( B

編)，

5 3 ‑ 4 3 9 ( 1 9 8 7 )

， 

p p . 2 8 4 2 ‑ 2 8 4 8 .  

( 3 )  P e t k e

，

F . D .  a n d  R a y

，

B . R .

， 

J . C o l l o i d  I n t e r f a c e  S c

i.， 

3 1 ( 1 9 6 9 )

， 

p p . 2 1 6 ‑ 2 2 7 .   ( 4 )  T a d r o s

，

M . E .

， 

H u

，

P .   a n d  A d a m s o n

，

A . W .

， 

J . C o l l o i d  I n t e r f a c e  S c

i.， 

4 9 ( 1 9 7 4

 ，)

p p . 1 8 4 ‑ 1 9 5 .  

( 5 )  P o n t e r

，

A . B .

， 

D a v i e s

，

G . A .

， 

B e a t o n

，

W .   a n d   R o s s

，

T . K .

， 

I n t . J . H e a t   M a s s   T r a n s f e r ，  1 0 ( 1 9 6 7 ) ，  p p . 1 6 3 3 ‑ 1 6 3 6 .  

( 6 )  N e u m a n n

，

A . W .

， 

H a a g e

，

G .   a n d R e n z o w

，

D .

， 

J . C o l l o i d  I n t e r f a c e  S c

i.， 

3 5 ( 1 9 7 1 )

， 

p p . 3 7 9 ‑ 3 8 5 .  

( 7 )  W h a l e n

，

J . W .   a n d  L a i

，

K . Y .

， 

J . C o l l o i d   I n t e r f a c e   S c i .

， 

5 9 ( 1 9 7 7 )

， 

p p . 4 8 3 ‑ 4 8 9 .  

( 8 )

庄 司 ・ 張 ， 機 論

( B

編)，

5 8 ‑ 5 5 0 ( 1 9 9 2

 ，)

p p . 1 8 5 3 ‑ 1 8 5 9 .   ( 9  

)永井ら，第

1 5

回混相流シンポ講論集，

( 1 9 9 6 )

， 

p p . 3 2 3 ‑ 3 2 6 .  

( 1 0 )   A d a m s o n

，

A . W .

， 

P h y s i c a l   C h e m i s t r y  o f   S u r f a c e s

， 

J o h n  W i l e y  

& 

S o n s

，

l n c .

， 

( 1 9 9 0 )  

( 1 1 )   K u t a t e l a d z e

，

S . S .

， 

A E C ‑ t r ‑ 3 7 7 0

， 

p . 1 2 9 .  

謝 辞

本研究を行うにあたって、実験装置の製作および測定を行ってくれた卒論生の野々山真人君、

藤川聖君、および内園達也君、小川誠君に対し、ここに御氏名を記し謝意を表します。