UV照射による表面自由エネルギー(Surface free energy)の変化測定。

表面自由エネルギー測定

UV/オゾン洗浄改質による表面自由エネルギーの変化(材質別)

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。

  • ※ 水、ジヨードメタン(ヨウ化メチレン)の接触角を用い、Owens and Wendtの理論にて算出。
    ※ 表面自由エネルギーの理論など詳細についてはこちら。  表面自由エネルギーとは

測定条件、使用装置

・測定環境
気温26.5℃
湿度25.0%
・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)
21.851.072.8
ジヨードメタン49.51.350.8

アクリル

照射時間(sec)0306090120150180210240270300
接触角(°)64.2662.9355.2055.2351.9149.2139.2632.3428.9126.4829.76
ジヨードメタン35.5934.8935.5736.7535.4835.3036.3834.9035.7535.7235.61
成分分散力(d)35.9636.0734.4733.9034.0233.7131.9231.8731.1630.9831.30
水素結合力(h)11.4912.1817.3717.6119.6121.4428.6232.6334.9236.2534.38
表面自由エネルギー(mJ/m²)47.4548.2551.8451.5153.6355.1560.5464.5066.0867.2365.68

ポリカーボネート

照射時間(sec)0306090120150180210240270300
接触角(°)90.5979.7557.3941.8730.8825.2623.3823.2921.1820.7620.75
ジヨードメタン24.2333.9432.0430.9229.5429.1129.6128.8329.2328.6428.30
成分分散力(d)46.3239.6936.5834.7034.0433.7233.3733.6833.3733.5733.70
水素結合力(h)0.353.5514.9925.4232.0034.9335.9835.8236.8836.9036.82
表面自由エネルギー(mJ/m²)46.6743.2451.5760.1266.0468.6569.3569.5070.2570.4770.52

ABS

照射時間(sec)0306090120150180210240270300
接触角(°)85.3962.3547.1441.0633.5328.3623.2520.4520.2719.6718.48
ジヨードメタン36.5539.6234.1331.6229.9929.9927.6025.8127.2627.5226.49
成分分散力(d)39.4933.5933.9734.2934.1233.6234.1534.6234.0733.9334.25
水素結合力(h)1.9613.4922.6026.1330.5533.5435.5236.3136.7537.0637.27
表面自由エネルギー(mJ/m²)41.4547.0856.5760.4264.6767.1669.6770.9370.8270.9971.52

SUS304

照射時間(sec)0306090120150180210240270300
接触角(°)70.6759.6054.9136.4929.2323.0724.6723.8331.0720.9323.14
ジヨードメタン45.9042.6733.5735.2833.7637.0533.6935.0834.6436.8935.21
成分分散力(d)31.5731.5435.3732.1232.0930.1131.7531.0631.8730.0430.96
水素結合力(h)9.6816.0417.1330.1334.1238.4336.5437.4033.3239.3737.78
表面自由エネルギー(mJ/m²)41.2547.5852.5062.2566.2168.5468.2968.4665.1969.4168.74

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。

グラフをクリックで拡大表示

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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)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。

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【ポイント】ベークライトサイズ :100×100mm5ポイント各点測定UV洗浄装置 :ASM1101N照射時間 :300s照射距離 :30mm