UVオゾン洗浄表面改質による表面自由エネルギーの変化
金属やガラス、プラスチックなどの固体に、短波長の紫外線を照射をする事によって、表面の汚染有機物質を除去したり、表面に「OH，CHO，COOH」などの官能基が生成されることにより、固体表面の濡れ性が良くなります。例えば、2～3分程、ガラス表面に紫外線照射を行うと、水の接触角が一桁近くに下がる事が知られていますが、実際のワーク表面のエネルギー状態がどのように変化するのか接触角計を用いて表面自由エネルギー（Surface free energy）の測定を行いました。
表面自由エネルギーの理論など詳細についてはこちら
測定条件、使用機器
| 測定環境 |
気温 |
26.5℃ |
| 湿度 |
25.0％ |
| 使用機器 |
UV洗浄装置 |
ASM1101N |
| 接触角計 |
B100 |
| 表面改質処理 |
UV照射ランプ |
110W1灯式 低圧水銀ランプ |
| 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 |
2秒 |
| 測定ポイント |
5ポイント |
| 計算理論 |
Owens and Wendt |
| プローブ液 |
水、ジヨードメタン（ヨウ化メチレン） |
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 |
測定結果
アクリル
| 照射時間（sec） |
0 |
30 |
60 |
90 |
120 |
150 |
180 |
210 |
240 |
270 |
300 |
| 接触角（°） |
水 |
64.26 |
62.93 |
55.20 |
55.23 |
51.91 |
49.21 |
39.26 |
32.34 |
28.91 |
26.48 |
29.76 |
| ジヨードメタン |
35.59 |
34.89 |
35.57 |
36.75 |
35.48 |
35.30 |
36.38 |
34.90 |
35.75 |
35.72 |
35.61 |
| 成分 |
分散力（ｄ） |
35.96 |
36.07 |
34.47 |
33.90 |
34.02 |
33.71 |
31.92 |
31.87 |
31.16 |
30.98 |
31.30 |
| 水素結合力（ｈ） |
11.49 |
12.18 |
17.37 |
17.61 |
19.61 |
21.44 |
28.62 |
32.63 |
34.92 |
36.25 |
34.38 |
| 表面自由エネルギー（mJ/m2） |
47.45 |
48.25 |
51.84 |
51.51 |
53.63 |
55.15 |
60.54 |
64.50 |
66.08 |
67.23 |
65.68 |
水の接触角（UV照射前）
水の接触角（UV照射時間300sec）
UV照射による分散力、水素結合力の変化の推移（アクリル）
ポリカーボネード
| 照射時間（sec） |
0 |
30 |
60 |
90 |
120 |
150 |
180 |
210 |
240 |
270 |
300 |
| 接触角（°） |
水 |
90.59 |
79.75 |
57.39 |
41.87 |
30.88 |
25.26 |
23.38 |
23.29 |
21.18 |
20.76 |
20.75 |
| ジヨードメタン |
24.23 |
33.94 |
32.04 |
30.92 |
29.54 |
29.11 |
29.61 |
28.83 |
29.23 |
28.64 |
28.30 |
| 成分 |
分散力（ｄ） |
46.32 |
39.69 |
36.58 |
34.70 |
34.04 |
33.72 |
33.37 |
33.68 |
33.37 |
33.57 |
33.70 |
| 水素結合力（ｈ） |
0.35 |
3.55 |
14.99 |
25.42 |
32.00 |
34.93 |
35.98 |
35.82 |
36.88 |
36.90 |
36.82 |
| 表面自由エネルギー（mJ/m2） |
46.67 |
43.24 |
51.57 |
60.12 |
66.04 |
68.65 |
69.35 |
69.50 |
70.25 |
70.47 |
70.52 |
UV照射前の接触角画像
水の接触角（UV照射時間300sec）
UV照射による分散力、水素結合力の変化の推移（ポリカボネート）
ABS
| 照射時間（sec） |
0 |
30 |
60 |
90 |
120 |
150 |
180 |
210 |
240 |
270 |
300 |
| 接触角（°） |
水 |
85.39 |
62.35 |
47.14 |
41.06 |
33.53 |
28.36 |
23.25 |
20.45 |
20.27 |
19.67 |
18.48 |
| ジヨードメタン |
36.55 |
39.62 |
34.13 |
31.62 |
29.99 |
29.99 |
27.60 |
25.81 |
27.26 |
27.52 |
26.49 |
| 成分 |
分散力（ｄ） |
39.49 |
33.59 |
33.97 |
34.29 |
34.12 |
33.62 |
34.15 |
34.62 |
34.07 |
33.93 |
34.25 |
| 水素結合力（ｈ） |
1.96 |
13.49 |
22.60 |
26.13 |
30.55 |
33.54 |
35.52 |
36.31 |
36.75 |
37.06 |
37.27 |
| 表面自由エネルギー（mJ/m2） |
41.45 |
47.08 |
56.57 |
60.42 |
64.67 |
67.16 |
69.67 |
70.93 |
70.82 |
70.99 |
71.52 |
UV照射前の接触角画像
水の接触角（UV照射時間300sec）
UV照射による分散力、水素結合力の変化の推移（ABS）
ナイロン（PA6-GF30）
| 照射時間（sec） |
0 |
30 |
60 |
90 |
120 |
150 |
180 |
210 |
240 |
270 |
300 |
| 接触角（°） |
水 |
80.4 |
72.7 |
63.6 |
61.3 |
41.6 |
22.6 |
19.2 |
15.8 |
18.6 |
15.9 |
15.5 |
| ジヨードメタン |
58.1 |
53.3 |
49.4 |
48.7 |
48.3 |
51.4 |
47.8 |
49.3 |
47.4 |
46.8 |
44.5 |
| 成分 |
分散力（ｄ） |
25.9 |
27.6 |
28.4 |
28.5 |
26.1 |
22.8 |
24.5 |
23.6 |
24.7 |
24.9 |
26.0 |
| 水素結合力（ｈ） |
6.9 |
10.1 |
15.0 |
16.5 |
31.0 |
44.6 |
44.5 |
46.6 |
44.6 |
45.4 |
44.5 |
| 表面自由エネルギー（mJ/m2） |
32.8 |
37.7 |
43.5 |
44.9 |
57.1 |
67.4 |
69.1 |
70.2 |
69.3 |
70.3 |
70.6 |
UV照射前の接触角画像
水の接触角（UV照射時間300sec）
UV照射による分散力、水素結合力の変化の推移（ナイロン）
SUS304
| 照射時間（sec） |
0 |
30 |
60 |
90 |
120 |
150 |
180 |
210 |
240 |
270 |
300 |
| 接触角（°） |
水 |
70.67 |
59.60 |
54.91 |
36.49 |
29.23 |
23.07 |
24.67 |
23.83 |
31.07 |
20.93 |
23.14 |
| ジヨードメタン |
45.90 |
42.67 |
33.57 |
35.28 |
33.76 |
37.05 |
33.69 |
35.08 |
34.64 |
36.89 |
35.21 |
| 成分 |
分散力（ｄ） |
31.57 |
31.54 |
35.37 |
32.12 |
32.09 |
30.11 |
31.75 |
31.06 |
31.87 |
30.04 |
30.96 |
| 水素結合力（ｈ） |
9.68 |
16.04 |
17.13 |
30.13 |
34.12 |
38.43 |
36.54 |
37.40 |
33.32 |
39.37 |
37.78 |
| 表面自由エネルギー（mJ/m2） |
41.25 |
47.58 |
52.50 |
62.25 |
66.21 |
68.54 |
68.29 |
68.46 |
65.19 |
69.41 |
68.74 |
UV照射前の接触角画像
水の接触角（UV照射時間300sec）
UV照射による分散力、水素結合力の変化の推移（SUS304）
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。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
どの材質も時間と共に水素結合力が上がる傾向にあり、UV照射の表面改質効果により官能基が増えたと考えられます。
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。
