撥水性とは？防水との違いや水を弾く仕組み・原理、性能やメリットなどを詳しく解説

雨具や靴、コーティング剤などを選ぶ時に、「撥水」や「防水」などの言葉をよく耳にすることがあるかと思います。
「撥水」と「防水」では具体的に何が違うのでしょうか。
また、似た言葉で「耐水」という言葉も耳にするかと思います。

これらの機能は、具体的にどのような部分が異なるのでしょうか。
また、そもそも水をはじく原理とはどのようなものなのでしょうか。

この記事では、撥水性と防水・耐水との違い、撥水性を求める上で知っておきたい水を弾く原理と評価基準について解説します。

撥水とは、「水を弾く」状態を意味します。水を弾く現象は、分子間力(=表面張力)の違いによって現れ、液体よりも固体表面の分子間力（表面張力）が低くなると「弾きがよい」状態となります。

撥水加工はフッ素樹脂やシリコン樹脂などを使用して水を弾いて固体表面が濡れないために行う加工です。

撥水加工を施した表面に水滴を落とすと水が弾かれて、水分が表面を濡らしたり内部に侵入することを防げます。
撥水性のレベルは、表面に落とした水滴の形状によって測ることができます。どんな形状になったらよく水を弾くのか？という点については、後半で詳しく解説しております。

ただし、表面張力の作用は力学的なものですので、水の量が多すぎる場合や水圧が高い場合は弾き切れずに素材の内部に水が染み込むことがあります。

前項で記載した通り「防水」は、外部からの「水を通さない」ことを指します。
一般的に使用する際は「防水」と「耐水」は「水を防ぐ」という意味や用途に、大きな違いは無いでしょう。

「防水」は完全に水を通さないことを指しますが、耐水は「ある程度」水を通さないことを指します。
具体的にはIP規格において、防水・耐水の強さが分類されております。
次項ではその規格について解説致します。

電気機器については、「防水」と「耐水」のそれぞれの使い分けについての定義が「IP規格」に定められております。
IP規格とは「IEC（国際電気標準会議）」で規格化された、電気機器の外装による防水・防塵に関する保護規格のことで、防水性能に対する指標は「IPX▲」で表されます。
下記の表は、「IPX▲」の保護等級を評価している基準です。表左欄が「IPX▲」の▲に当たる数字となっており、数字が大きくなればなるほど、保護力が高くなります。
IPX▲とだけ表示がある場合は、「防水性能のみを表す」という意味となります。

各等級の説明末尾カッコ内に記載された記載された形名は旧規定に記載されていたもので、現在は削除されていますが、理解しやすいのであえて記載してみました。

上記の表を元に、一般的に「耐水」と謳われている製品はIPX6以上、「完全防水」はIPX8という表示がなされています。
このことから、防水・耐水は同じ評価基準で判断されている「水を通さない機能」ではありますが、「水を通さないレベル」によって使い分けられているということになります。

ここまでの項を要約しますと「撥水」、「防水」「耐水」の違いは、「撥水」は物体表面の持つ機能で、「防水」や「耐水」は物体全体の機能であることがお分かりいただけましたでしょうか？

撥水性が防水性・耐水性とは違うことがわかったところで、続いては「なぜ物質に撥水性が生まれるのか」という原理について考えてみましょう。

表面張力(表面自由エネルギー)は、分子同士が引き合う力です。水分子を例にして考えてみますと、水分子では分子を構成する水素原子と酸素原子が水素結合に強く引き合うため、分子同士が強く結束しています。強力な分子間力が均一に内側に作用するため、水は丸い球体になりやすくなります。

固体表面は表面張力(＝分子間力)が大きいほど液体の分子と引き合う力が大きくなります。
固体表面に液体を滴下したとき、分子間力が液体分子と固体表面との間に働き、固体表面が液体を吸着しようとします。液体の内部に働く分子間力がこの個体の分子間力より弱い場合は、液体内部に働く分子間力が負けて固体表面上に吸着されて濡れ拡がります。これが固体の表面に液体が濡れてしまう現象のメカニズムです。

逆に固体の表面自由エネルギーが小さいほど、固体の液体を引っ張る力が小さく、液体が固体表面に付着した時に液体の表面張力が優るため、液体は内側に引っ張られて固体表面上で球状に近くなります。
この時、固体の表面は濡れにくく、液体をはじく現象が見られます。
具体的な例を挙げますと、水の場合は分子間力が高い（72.75ｍN/m）ため固体表面でははじかれやすく、エチルアルコール(22.55ｍN/m)やシリコーンオイル（19-22mN/m）では、固体表面を濡らしやすいということになります。

固体表面にも様々な表面張力があります。
たとえばポリエチレンでは31mN/m という表面張力ですので、水ははじくことができますが、エチルアルコールやシリコーンオイルは濡れてしまうことになります。
撥水撥油性が得られるフッ素コーティングでは12-20mN/ｍ　（タイプによって異なります）と、固体表面では最も小さい表面張力ですので、ほぼすべての液体が濡れ拡がることがなくはじかれることになります。

ここからは濡れ性・撥水性を客観的な数値で判断していく評価方法を解説していきます。「撥水性が高い」と言われる状態は、どこで判断されているのでしょうか。

撥水性を評価する上で注目すべきポイントが、水などの液体における「滑落角」と「接触角」です。

〇「接触角」

前項で解説した濡れ性と撥水性のような「濡れ」は、下の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」によって数値化して表すことができます。

〇動的接触角測定

従来は固体表面の表面エネルギーを評価する方法としては。前項の静止状態での接触角を評価基準とすることが一般的でした。
しかし最近では「それだけでは不十分」といわれるようになり、下記の「滑落角」や「後退接触角」と呼ばれる動的接触角の測定が行われるようになりました。

〇「滑落角」

水平に置かれた固体表面に液体を1滴静置し、その固体表面を少しずつ傾けていくと、撥水性表面の場合はどこかのタイミングで液滴が表面を滑り落ちます。
この液滴が滑り始めるときの傾斜角が、液体と固体表面の付着力を定量化した「滑落角」です。
滑落角が小さいほど液体と固体表面の付着力が小さく、液体転がり落ちるスピードが速いことを意味します。

〇「後退接触角」

液滴が滑り落ちるときの後ろ側の接触角を後退接触角と呼び、この角度が高いほど「液滴の切れが良い」と評価されます。

撥水性を判断する上で参考にされる「滑落角」や「後退接触角」ですが、これは重力と液滴が表面に吸着している力の大きさとの比較になりますので、データを相対的比較する場合は、測定に使用する液滴の種類と量が一定である必要があります。

最近では、動的接触角測定は静止状態の接触角よりも実質的な撥水性や防汚性（汚れの付きにくさ）を的確に表していると言え、撥水性や防汚性を評価する上で重要な指標となっております。

高度に撥水する状態を表す際に「超撥水」という表現が使われることがあります。

「超撥水」とは、一般的に液体と固体表面との接触角が150°を超えた状態を指します。
超撥水の構造としてはロータス効果が有名で、多くの分野で実用化され始めています。

〇ロータス効果

「ロータス効果」とは、ハス(蓮＝ロータス)の葉が高い撥水性を持っていることに由来します。

ハスの葉の表面には、5～15μmの細かい繊毛が付いており、この繊毛が撥水性を持つことで超撥水性を得ることができます。
このロータス効果によって、ハスの葉自体は濡れることなく、表面を綺麗に保つことで光合成や呼吸がスムーズに行えるようにしています。

同じような構造を工業的に再現したのが超撥水コーティングです。
物体表面にミクロン単位の凹凸を作りフッ素系コーティング剤で撥水性を持たせると、接触角160度の超撥水表面となります。

実験的には簡単に作成できますが微細な表面の凹凸構造は壊れやすいため、工業的に実用化を進めるためにはまだ課題が多いようです。

撥水性の原理は、分子間力(=表面張力＝表面自由エネルギー)が大きく関係しています。

撥水性を高めるためには、固体表面の表面自由エネルギーを小さくすることで、固体表面は濡れにくく、液体が付着しづらい「撥水」状態となります。

自社製品に撥水加工を行うことを検討している企業担当者の方は、予備知識として撥水の仕組みを知り、撥水性について正しく判断できるようにしていただくと有用かと思います。

撥水加工をご検討の方は、フロロテクノロジー「フロロサーフ」を御覧ください