圧力勾配を用いた強相関ソフトマテリアルの時空間構造の制御

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13031045
• Research Institution: Mie University
• Principal Investigator: 川口 正美 三重大学, 工学部, 教授 (30093123)
• Keywords: ヘレ・ショウセル / ソフトマテリアル / 気泡 / 高分子 / ストルーハル数 / 分岐因子 / カルマン渦流れ / 乱流渦流れ

Research Abstract

ヘレ・ショウセルと呼ばれる擬似二次元空間にソフトマテリアルの代表的な物質である高分子溶液、水溶性高分子であるヒドロキシプロピルメチルセルロース(HPMC)水溶液を満たし、その中を浮力で上昇する一つの泡、すなわち気泡の軌跡、速度、形状変化などのダイナミクスについて、HPMC濃度と気泡のサイズをそれぞれ変化させ、気泡表面へのHPMCの吸着による界面化学的性質の変化に関連付けて検討したところ、以下のことが明らかになった。
HPMCが気泡表面に吸着し、形成されるHPMC吸着層の粘弾性的性質はHPMC濃度の増加と共に強くなるので、気泡のサイズに関係なく、気泡の形状は丸みを帯び、円に近いものに近づくことが分かった。また、HPMC濃度の増加(HPMCの吸着)に伴い上昇する気泡の運動様式は、振動しながら上昇する軌跡、振動が減衰しながら上昇する軌跡、振動せずにほぼ直進的に上昇する軌跡へと変化した。特に、振動しながら上昇する場合と振動が減衰しながら上昇する場合について、軌跡を減衰関数でフィティングすることによって振動数、振幅、減衰定数などを求めた。振動数をストルーハル数に、振幅を分岐因子に、それぞれ変換し、気泡のサイズとの関連を調べた。その結果、分岐因子が物理的不安定性を起こす気泡のサイズ(閾値)と、ストルーハル数がカルマン渦流れから乱流渦流れへと変化する気泡のサイズはほぼ一致した。また、閾値の気泡のサイズあたりで気泡の上昇に伴う後流に現れる渦がカルマン渦から乱流渦へと変化することを、渦の可視化によって明らかにすることができた。さらに、HMPC濃度が薄い場合には、乱流渦流れをする気泡のサイズを越えると、気泡の形状を定義する円形度が単調振動し、その振動数は振動しながら上昇する軌跡の振動数の2倍であることが明らかになった。この結果は、同じ条件下で水中を上昇する気泡の場合とほぼ一致することが分かった。

Research Products

• [Publications] Tomoharu Kato: "Surfactant Properties of Purified Polyglycerol Monolaurates"J.Surfactants Detergents. 6・4. 331-337 (2003)
• [Publications] Masami Kawaguchi: "Viscous Fingering of Silica Suspensions Dispersed in Polymer Fluids"ACS Symposium Series 869 "Nonlinear Dynamics in Polymeric Systems". 250-261 (2003)
• [Publications] 川口 正美: "セルロース誘導体を含む複雑液体のヴィスコスフィンガリング"Cellulose Commun.. 10・3. 114-118 (2003)
• [Publications] Masami Kawaguchi: "Rheo-Optical Properties of silicone Oil Emulsions in the Presence of Presence of Polymer Emulsions"Langmuir. 20・4. 1126-1129 (2004)
• [Publications] Masami Kawaguchi: "Viscous Fingering instabilities in an Oil in Water Emulsion"Phys.Fluids. 16・6(in press). (2004)