測定事例（表面自由エネルギー）

短波長の紫外線を金属や樹脂に照射した場合、濡れ性が向上することが良く知られています。しかし接触角の測定だけでは見えてこない表面のエネルギーの変化をとらえる用途として、表面自由エネルギーが用いられることがあります。

実際の事例として、低圧水銀ランプ（主な波長：184.9nm、253.7nm）による改質前後の表面自由エネルギーの変化の具合を測定してみました。

UV照射による表面自由エネルギーの変化測定

測定条件

気温：26.5℃　/ 湿度：25% 
 ・使用装置  
   UV洗浄装置 ：ASM1101N
   接触角計 ：B100
・UV照射条件  
   照射距離 ：30mm
・接触角測定条件  
   着液量 ：1.0μL
   着液安定待ち時間 ：2sec
   測定ポイント数 ：5
   計算理論 ：Owens-Wendt

プローブ液体

  分散力（ｄ） 水素結合力（ｈ） 表面自由エネルギー（mJ/m²）
水  21.8 51.0 72.8
ジヨードメタン 49.5 1.3 50.8

アクリル（Polymethyl methacrylate：PMMA）

照射時間（sec） 接触角（°） 成分 　表面自由エネルギー（mJ/m²）
水 ジヨードメタン 分散力（ｄ） 水素結合力（ｈ）
0 64.26 35.59 35.96 11.49 47.45
30 62.93 34.89 36.07 12.18 48.25
60 55.20 35.57 34.47 17.37 51.84
90 55.23 36.75 33.90 17.61 51.51
120 51.91 35.48 34.02 19.61 53.63
150 49.21 35.30 33.71 21.44 55.15
180 39.26 36.38 31.92 28.62 60.54
210 32.34 34.90 31.87 32.63 64.50
240 28.91 35.75 31.16 34.92 66.08
270 26.48 35.72 30.98 36.25 67.23
300 29.76 35.61 31.30 34.38 65.68
水の接触角（UV照射前）アクリル
水の接触角（UV照射前）
水の接触角（UV照射時間300sec）アクリル
水の接触角（UV照射時間300sec）

ポリカーボネイト（polycarbonate）

照射時間（sec） 接触角（°） 成分 　表面自由エネルギー（mJ/m²）
水 ジヨードメタン 分散力（ｄ） 水素結合力（ｈ）
0 90.59 24.23 46.32 0.35 46.67
30 79.75 33.94 39.69 3.55 43.24
60 57.39 32.04 36.58 14.99 51.57
90 41.87 30.92 34.70 25.42 60.12
120 30.88 29.54 34.04 32.00 66.04
150 25.26 29.11 33.72 34.93 68.65
180 23.38 29.61 33.37 35.98 69.35
210 23.29 28.83 33.68 35.82 69.50
240 21.18 29.23 33.37 36.88 70.25
270 20.76 28.64 33.57 36.90 70.47
300 20.75 28.30 33.70 36.82 70.52
水の接触角（UV照射前）ポリカ
水の接触角（UV照射前）
水の接触角（UV照射時間300sec）ポリカ
水の接触角（UV照射時間300sec）

ABS樹脂（Acrylonitrile butadiene styrene）

照射時間（sec） 接触角（°） 成分 　表面自由エネルギー（mJ/m²）
水 ジヨードメタン 分散力（ｄ） 水素結合力（ｈ）
0 85.39 36.55 39.49 1.96 41.45
30 62.35 39.62 33.59 13.49 47.08
60 47.14 34.13 33.97 22.60 56.57
90 41.06 31.62 34.29 26.13 60.42
120 33.53 29.99 34.12 30.55 64.67
150 28.36 29.99 33.62 33.54 67.16
180 23.25 27.60 34.15 35.52 69.67
210 20.45 25.81 34.62 36.31 70.93
240 20.27 27.26 34.07 36.75 70.82
270 19.67 27.52 33.93 37.06 70.99
300 18.48 26.49 37.27 37.27 71.52
水の接触角（UV照射前）ABS
水の接触角（UV照射前）
水の接触角（UV照射時間300sec）ABS
水の接触角（UV照射時間300sec）

SUS304

照射時間（sec） 接触角（°） 成分 　表面自由エネルギー（mJ/m²）
水 ジヨードメタン 分散力（ｄ） 水素結合力（ｈ）
0 70.67 45.90 31.57 9.68 41.25
30 59.60 42.67 31.54 16.04 47.58
60 54.91 33.57 35.37 17.13 52.50
90 36.49 35.28 32.12 30.13 62.25
120 29.23 33.76 32.09 34.12 66.21
150 23.07 37.05 30.11 38.43 68.54
180 24.67 33.69 31.75 36.54 68.29
210 23.83 35.08 31.06 37.40 68.46
240 31.07 34.64 31.87 33.32 65.19
270 20.93 36.89 30.04 39.37 69.41
300 23.14 35.21 30.96 37.78 68.74
水の接触角（UV照射前）SUS304
水の接触角（UV照射前）
水の接触角（UV照射時間300sec）SUS304
水の接触角（UV照射時間300sec）

UV照射する事で樹脂、金属共に、水の接触角が下がる傾向にある事がわかります。

表面自由エネルギーはどのように変化をしているのでしょうか。

照射時間における表面自由エネルギーの変化をまとめたグラフが以下です。

UVオゾン洗浄改質による表面自由エネルギーの変化の推移

グラフをクリックで拡大表示

UV照射する事で、樹脂、金属共に表面自由エネルギーが上がり、水の表面張力（72.8mJ/m²）に近付く傾向にあります。

表面自由エネルギーの変化を成分別に分析してみます。成分別にまとめたグラフが以下です。

UV/オゾン洗浄改質による分散力、水素結合力の変化（アクリル）
UV/オゾン洗浄改質による分散力、水素結合力の変化（ポリカ）

UV/オゾン洗浄改質による分散力、水素結合力の変化（ABS）
UV/オゾン洗浄改質による分散力、水素結合力の変化（SUS304）

グラフをクリックで拡大表示

どの材質も時間と共に水素結合力が上がる傾向にある事がわかります。

これは、UVオゾン洗浄改質の改質効果により官能基が増えたのではないかと考えられます。

 

オーウェンの理論を用いて表面自由エネルギーを求めた結果、UVオゾン洗浄改質の改質効果により、金属、樹脂共に表面自由エネルギーの水素結合力が飛躍的上昇し、水の表面張力（72.8mJ/m² at 20℃）に固体の表面自由エネルギーが近付いた事で、水との相性が良くなり水の濡れ性が向上したといえます。

 

このように、表面自由エネルギーの解析をおこなえば、接触角の変化をより深く解析することが可能です。