2017 Fiscal Year Annual Research Report
Experimental study on hierarchical flow characteristics of dilute polymer solution in terms of extensional rheology
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15H05552
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
日出間 るり 神戸大学, 工学研究科, 助教 (20598172)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | レオロジー / 複雑流体 / 高分子溶液 / 相互作用 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
低濃度高分子溶液の複雑な流動挙動は，nmスケールにおける高分子と水の相互作用がum，cm，mスケールという上位の階層に影響を及ぼす複雑系であると考え，それを実験的に証明するのが目的である．低濃度高分子溶液の挙動を階層構造（複雑系）で説明できれば，これまで別々に理解されていた高分子1本の挙動と，乱流抑制，弾性不安定性，溶液の伸長粘度といった，umからmスケールまでの各階層の高分子溶液の挙動を結びつけることができる．まず，低濃度高分子溶液の流動挙動を，各スケールで観測・解析できるシステムを構築しようと，H29年度は以下の項目を達成した．
(1)mスケールの実験では，薄膜干渉流動画像法とPIV法から得られる情報を統合し，二次元乱流に高分子の剛直性が与える影響を調べた．高分子溶液の乱流抑制が生じる際，渦の変形が生じると報告されている．そこで，高分子溶液の伸長流動下での緩和時間が，二次元乱流場での渦の発生・減衰に与える影響を調べた．溶液の緩和時間は，渦の発生周期に影響を与え，緩和時間と周期が近しい時，渦発生が著しく抑制される．また，発生する渦の形状と減衰は，緩和時間と渦発生周期の大小関係に著しく影響を受けることがわかった．
(2)cmスケールの実験では，伸長粘度測定器の試作機を完成させ，低濃度高分子溶液の伸長粘度を測定した．測定された値は，高分子溶液の緩和時間の観点から説明できる妥当なものであった．また，粘弾性が強く装置内部での流動挙動が不安定な溶液についても，伸長粘度測定を試みている．
(3) nm からumスケールの実験では，走査型プローブ顕微鏡(SPM)に流路を組み込み，カンチレバーに付着した高分子流動抵抗の測定を行った．この結果，流動場中での，高分子と溶液の相互作用，高分子と周囲の高分子の相互作用を検出することができた．また，光ピンセットによる，溶液内の局所の粘度測定も始めた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
ほぼ計画通り，順調に進展している．mスケールでは，高分子溶液の伸長流動下での緩和時間が渦の生成周期・減衰過程に影響を与える現象を定量的に評価している．cmスケールの溶液の伸長粘度測定に関しては，試作機を完成させ，高分子溶液では妥当な値を得た．また，高分子溶液よりもより粘弾性の強い溶液についての試験的測定も始めた．nmからumスケールの研究では，高分子と高分子，高分子と周囲流体の相互作用の検出に関して進展があった．以上の観点から，おおむね順調に進展していると言える．
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| Strategy for Future Research Activity |
1．mスケールの二次元(2D)乱流に現れる高分子効果の解明：2D流動場での薄膜干渉流動画像法(FIFI)とPIVを用いて，乱流抑制が起きる際，乱流中で発生する渦に高分子溶液のレオロジー特性が与える影響を調べている．昨年度までの研究から，どのサイズの渦でも，発生周期には高分子溶液の伸長流動下で測定した緩和時間が影響を与えることが解った．また，格子から発生する渦の形状は，隣接する渦にも影響を受けることが予想された．そこで本年度は， 2D乱流中での渦の相互作用に，溶液のレオロジー特性が与える影響を調べる．また，渦の形状を定量化するための画像解析プログラム，乱流の周期性を解析するプログラムの開発を行う．
2．cmスケールの伸長粘度に現れる高分子効果を実測する伸長粘度測定器の開発：シリンジ型急縮小流路に溶液を流し，急縮小部分での圧力損失を測定することにより，低濃度溶液の伸長粘度を測定する方法を開発している．今年度は，粘弾性の強い溶液について，伸長粘度を測定し，その確からしさを検討する．
3．nmからumスケールに現れる高分子と高分子，高分子と周囲流体の相互作用の検出：nm，umスケールでの高分子の挙動は，高分子溶液の弾性不安定発生，伸長粘度，乱流抑制など上位の階層で観察される溶液の流動挙動に関わっている．本年度は，走査型プローブ顕微鏡(SPM)による高分子と高分子の相互作用，高分子と周囲流体の相互作用について，測定する高分子の種類を広げることにより，測定された値の確からしさを検証する．また光ピンセットにより高分子溶液の局所の粘度を測定し，溶液内部の不均一さの定量かを目指す．
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