溶液中凝固界面による微細粒子の捕捉,押し出しに関する界面物理化学的研究

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13450311
• Research Institution: Kyushu Institute of Technology
• Principal Investigator: 向井 楠宏 九州工業大学, 工学部, 教授 (60023173)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 和才 京子 九州工業大学, 工学部, 助手 (90128124) ; 趙 耀華 九州工業大学, 工学部, 助教授 (60315166) ; 古川 義純 北海道大学, 低温科学研究所, 助教授 (20113623)
• Keywords: 表面張力勾配 / 微細気泡の挙動 / 凝固界面 / 濃度境界層 / 微小重力環境 / 航空機実験 / マッハツェンダー干渉計

Research Abstract

表面活性成分を含む水溶液の凝固界面前面には、表面活性成分が蓄積され、濃度境界層が形成される。この濃度境界層内に入った気泡は、その表面の表面張力勾配によって界面に吸い寄せられることが予想される。
本研究は、界面前面に形成される活性成分の濃度分布をマッハツェンダー干渉装置によりその場測定し、その結果と気泡の運動の直接観察結果とを組合わせることにより、上記の気泡が吸い寄せられ、界面に捕捉される現象を、航空機実験(放物線飛行)による微小重力環境を含む様々な重力下において観察し、現象の本質を明らかにしようとしたものである。
水溶液の一方向凝固装置と微細気泡発生装置、実験環境記録装置(G信号検知、室温・セル温度測定、画像処理系)及びマッハツェンダー干渉計を航空機に搭載し、放物線飛行による微小重力環境を含む様々な重力の下で、凝固界面前面における気泡の挙動の観察を行った。航空機実験は合計4フライト(1フライトあたり10〜15回の放物線飛行)行った。1回の放物線飛行ではμGが20秒程度維持でき、その前後に大きな重力が生じた。
lG〜2Gの下では、上昇中の気泡は界面がある距離まで近づいてくると急に水平方向へ移動し始め、界面に捕捉された。μGでは気泡は一旦停止した後、最初はゆっくりと界面の方へ移動し、その後素早く界面に引き寄せられ最後は界面に捕捉された。MGのもとではしかし、界面が停止した状態(凝固速度が零)において、界面近傍に存在する気泡が界面に移動することは殆ど観察されなかった。マッハツェンダー干渉計で得られる干渉縞画像から、濃度境界層中の気泡のみが界面に引き寄せられることが分った。
以上の今年度の研究により、凝固界面前面に形成される濃度境界層中の気泡には、気泡表面に溶質の濃度勾配に起因する表面張力勾配が生じ、それが駆動力となって、気泡が界面に引き寄せられることが明らかになった。

Research Products

• [Publications] K.Mukai et al.: "Motion of Fine Particles in Solution under Gravity and Microgravity"Proc. Ist Intern. Sympo. on Microgravity Research and Applications in Physical Sciences and Biotechnology. Vol.1. 127-132 (2001)
• [Publications] 向井 楠宏: "界面張力勾配駆動による微細粒子の運動と連鋳プロセスの技術課題との係わり"日本鉄鋼協会 高温プロセス部会 特別講演会資料. 1-10 (2002)