固体表面の液滴下濡れにおける周囲温度の役割に関する新たな知見

New Insights into the Role of the Surrounding Medium Temperature in the Under-Liquid Wetting of Solid Surfaces.

• Md Farhad Ismail
• Behnam Khorshidi
• Mohtada Sadrzadeh

抄録

高温の液体媒体下での液滴による固体表面の濡れ性は、固体滴と液滴-媒体界面張力(IFT)だけでなく、周囲の媒体のIFTの温度依存性にも依存する。これまでの研究では、温度の上昇に伴って濡れ性が低下するか、あるいはほぼ一定の傾向を示すことが示されてきた。しかし，これまでの研究の多くは，空気中や蒸気中での固体の濡れ性の評価にのみ焦点が当てられており，液体媒体中での高温下での固体の濡れ性の変化を予測するモデルは提案されていませんでした．本研究では、高温での固体-液体-液体の濡れ性を評価するための理論的枠組みと新しい実験的アプローチを開発した。本研究では、ガラス,シリコンウエハ,ポリメタクリル酸メチル(PMMA)やポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などの高分子・非高分子表面を用いて、水(液体媒体)下で90℃までの高温固液滴の濡れ性を調べ、その結果、非高分子表面の濡れ性を評価した。実験の結果、非重合体の高極性固体表面、すなわちガラスとシリコンウェハは、高温でプローブ液滴との接触角が急激に増加することが明らかになった。また、2つの高分子表面の間では、PMMAは温度変化に対して接触角が減少する傾向を示したが、PTFEの場合には特異な傾向は観察されなかった。理論モデルの予測は実験結果とよく一致し、偏差は±25%以下であった。

The wetting of a solid surface by a liquid droplet under a liquid medium at elevated temperatures depends not only on the solid-drop and drop-medium interfacial tensions (IFTs) but also on the temperature dependency of the IFT of the surrounding medium. Previous studies have shown either a decreasing or nearly invariant trend of wettability with an increase in temperature. However, much of the research up to now has only focused on the evaluation of solid wettability in air or vapor, and no model has been proposed to predict the variation of solid wettability at high temperatures under a liquid medium. Here, we developed a theoretical framework and a novel experimental approach to evaluate the high-temperature solid-liquid-liquid wettability. We investigated the wettability of different polymeric and nonpolymeric surfaces, namely, glass, silicon wafer, poly(methyl methacrylate) (PMMA), and polytetrafluoroethylene (PTFE), for a wide range of polar and nonpolar probe droplets under water (as a liquid medium) at temperatures up to 90 °C. The experimental results revealed that the nonpolymeric highly polar solid surfaces, that is, glass and silicon wafer, showed a sharp increase in their contact angle with the probe droplets at elevated temperatures. Between the two polymeric surfaces, PMMA showed a decreasing trend of the contact angle over the variation of temperatures, while in the case of PTFE, no specific trend was observed. The predictions of our theoretical model were in good agreement with the experimental observations with less than ±25% deviation.