界面自由エネルギーの考え方、測り方、その応用

第1部 表面 (界面) 自由エネルギーとは何か? 利用法と解析法

(2023年3月34日 10:00〜12:00)

　表面自由エネルギーは、物質表面がもつエネルギーで、ぬれ性、付着性、接着性、離型性、乳化性、分散性等、表面・界面の様々な物性に影響する因子の一つです。 　本セミナーでは、まず、ぬれ性と表面張力について概説し、それらのデータから表面自由エネルギーを解析する方法を説明します。

1. ぬれと接触角
   1. 接触角とは?
   2. 接触角から何がわかるか?
   3. 接触角測定の表面感度 〜膜厚と表面被覆率
2. 表面張力
   1. 表面張力とは?
   2. 表面張力から何がわかるか?
   3. 界面張力とは?
   4. 固体の表面張力の意味
   5. Youngの式〜接触角と表面張力との関係
3. 表面張力の理解
   1. 表面張力の定義
   2. 表面自由エネルギーとは?
   3. 表面張力は何に由来するか?
4. 表面自由エネルギー解析
   1. 表面自由エネルギーの成分分けとは?
   2. 表面自由エネルギー解析から何がわかるか?
   3. Dupreの式
      〜界面分離でのエネルギー保存
   4. Young – Dupreの式
      〜付着性とぬれ性の関連づけ
   5. 表面自由エネルギー解析の注意点
• 質疑応答

第2部 微粒子/ナノ粒子の表面エネルギーと ぬれ・分散化への活用法

(2023年3月34日 12:40〜14:00)

　微粒子/ナノ粒子の表面エネルギーはぬれ・分散化を左右する重要なパラメータですが、信頼の置ける測定法はありませんでした。本講では、従来の接触角法に加えて、簡便で再現性のあるインバースガスクロマトグラフィー (IGC) 法による測定と応用例について紹介します。

1. 微粒子の表面エネルギーとぬれ・分散化
   1. 付着仕事と界面張力
   2. ぬれの形態と浸漬ぬれ
   3. 湿潤包囲線法による溶媒/樹脂の選択
2. 微粒子の表面エネルギーの測定法
   1. 接触角法による測定
      1. 両面接着テープ剥離法
      2. カラムおよび薄層浸透法
   2. インバースガスクロマトグラフィー法による測定
      1. IGC-ID法による表面エネルギーと酸・塩基項の測定
      2. IGC-FC法による表面不均質性の測定
3. 微粒子の表面エネルギーとぬれ・分散化への活用
   1. 湿潤包囲線による低誘電膜の表面改質評価
   2. 熱可塑性樹脂中のカーボンブラックの分散性
   3. 高分子コンポジット中のフィラーの局在性
   4. 高濃度スラリーにおける微粒子の表面改質と分散性
• 質疑応答

第3部 高分子設計やポリマーアロイ、フィラ – ・ 繊維配合組成物設計への応用

(2023年3月34日 14:10〜15:30)

　高分子関連産業において高分子材料の分子設計やポリマーアロイ、フィラー・繊維配合組成物材料設計が日常的に実施されてきた。しかし、2010年代以降、新規製品・新規事業の開発に着手する企業が増加してきており、1980年〜2000年代に進められてきた高分子材料設計の考え方にも再検討が求められてきている。 　本講では、異種高分子鎖間の界面エネルギーに着目した基礎的な複合高分子材料設計の考え方を解説するとともに、フィラーや繊維などの配合剤・充填剤の選定にも論及して、実用的な高分子材料の設計手法について述べる。

1. 高分子間の界面自由エネルギー
   1. 異種高分子間の相溶性と非相溶性
   2. 異種高分子の混合における界面エネルギーの変化
   3. 高分子混合系の界面自由エネルギー変化と溶解性パラメーター
2. ポリマーアロイの基本的考え方
   1. 相溶性ポリマーアロイ
   2. 非相溶性ポリマーアロイ
   3. 界面活性化剤と相容化剤
3. 実用化されたポリマーアロイ材料
   1. 第一世代 (非相溶系) ポリマーアロイ
   2. 第二世代 (相溶系) ポリマーアロイ
   3. 第三世代 (非相溶系) ポリマーアロイとリアクティブプロセッシング
   4. 相容化剤の発生による界面エネルギー低減
4. 新世代のポリマーアロイ
   1. 第四世代 (ミクロ/ナノ 制御) ポリマーアロイ
   2. 界面から離脱する相容化剤の特異な挙動と材料物性への影響
5. 配合組成物への応用
   1. 充填剤 (フィラー) の影響と性能・機能制御
   2. 繊維系充填剤への適用
• 質疑応答

第4部 表面 (界面) 自由エネルギーの 塗膜、コーティング、接着分野への考え方とその応用

(2023年3月34日 15:40〜17:00)

　コーティングや複層膜において表面張力・表面エネルギーの制御は必須技術である。液の吐出性・濡れ性・浸透性と成膜後の平滑性・スリップ性・撥水性、及び層間付着など、材料の設計者としてはそれら事象を独立に制御したい。たとえばコーティング液の表面張力は下げたいが、塗布後の膜の性質には影響を与えたくないなど。 　ここでは表面張力・表面エネルギーの測定と各種特性の関連について、各種事例をあげて紹介する。また界面制御に最適な添加剤の構造と特性についても詳細な説明を加え、材料設計の実務に役立てていただけるようにする。

1. 身近な現象と表面張力の影響を感じとる
   • 表面張力、その値の大小の持つ実務上の意味
2. 液の静的表面張力と動的表面張力を実務と結びつける
   • それぞれの測定方法の紹介
   • なぜ静的と動的を分けて論じるのか
   • 下地への濡れ性・ハジキ現象と表面張力の関係事例
3. 膜の表面自由エネルギーと各種物性への影響を理解する
   • 接触角測定による方法
   • 撥水性・超親水性・スリップ性の向上事例
   • 膜の平滑性とその評価
   • 目視を超えるGARDNER機器を用いた平滑性評価
4. 表面・界面を制御する添加剤を使いこなすために
   • ポリシロキサン系表面調整剤の構造と特性
   • アクリル系表面調整剤の構造と特性
   • マクロマー技術を用いた表面調整剤の構造と特性
   • 液特性と膜特性を制御するのに有用な選定ガイド
   • ピッカリングエマルジョンにおける層状ケイ酸塩と液中での表面張力測定
5. 今後の開発方向を考える
   • SDGsの達成に貢献する材料開発
• 質疑応答