EHD対流を利用した非相溶性ポリマーブレンド膜のモルフォロジー制御

• Project/Area Number: 12875142
• Research Category: Grant-in-Aid for Exploratory Research
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: 化学工学一般
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 寳澤 光紀 (宝沢 光紀) 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (70005338)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小林 正樹 東北大学, 多元物質科学研究所, 助手 (90312678) ; 塚田 隆夫 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教授 (10171969)
• Project Period (FY): 2000 – 2001
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2001)
• Budget Amount: ¥2,300,000 (Direct Cost: ¥2,300,000); Fiscal Year 2001: ¥500,000 (Direct Cost: ¥500,000); Fiscal Year 2000: ¥1,800,000 (Direct Cost: ¥1,800,000)
• Keywords: EHD対流 / ポリマーブレンド / モルフォロジー / 相分離 / 数値シミュレーション / 溶媒蒸発 / その場観察

Research Abstract

本研究の目的は、ガラス基板上の電極形状に依存してポリマーブレンド溶液層内部に発現する電気流体力学的(EHD)対流の様々な対流構造を利用し、キャスト法により製膜されるポリマーブレンド膜の凝集構造形態(モルフォロジー)の制御を行おうとするものである。
本年度は、polystyrene(PS)/poly(vinylacetate)(PVAc)/toluene系を対象とし、以下の点を明らかにした。
1)理論的検討
実験に先立ち、種々の条件におけるEHD対流の構造を予測するために、溶媒蒸発を伴わない均一系におけるEHD対流の三次元解析を行った。その結果、EHD対流は規則的、周期的な電極形状の1ユニットに拘束され、液膜が厚い場合は深さ方向の循環流、液膜が薄い場合は水平方向の循環流となることがわかった。また、印加電圧を変化させた場合、対流強度は変化するものの、対流構造に大きな変化は見られなかった。
2)実験的検討
電場を印加せずに溶媒を蒸発させた場合、最終的な相分離構造はPVAc-rich相の細かい液滴が系全体で一様に分散した構造となった。また、初期液膜厚さが減少するにつれ分散液滴の大きさは小さくなることがわかった。
一方、ガラス基板上に規則的、周期的形状を有する電極を形成し、その上にポリマーブレンド溶液を展開して直流電場を印加すると、液膜内に電極形状に拘束された規則的なEHD対流が発生し、対流構造の膜厚依存性は前述の数値シミュレーション結果と一致した。また、EHD対流によって液膜内が局所的に撹拌・混合されるため、最終的にPVAc-rich相のマクロなドメインが電極形状に拘束されて規則的に並んだ相分離構造が得られ、そのドメインの面積及び形状は印加電圧や初期液膜厚さによって変化することがわかった。