剪断流動下におけるPICの過渡的ネットワーク形成機構の解明

2016 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 15K05258
• Research Institution: Kanagawa Industrial Technology Center
• Principal Investigator: 津留崎 恭一 神奈川県産業技術センター, 化学技術部, 主任研究員 (90426388)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 白崎 良演 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (90251751)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: ダイラタンシー / 希薄高分子水溶液 / レオオプティクス / 可視化

Outline of Annual Research Achievements

振ると過渡的に高粘度状態となるダイラタンシー性PIC水溶液（以下、DiPIC）について、剪断流動下における巨視的構造の構築メカニズムを探るため、光学観察と粘度測定を同時に調べられるRheo-Optics（以下、RO）の設計および組み立てを行った。
まず、RO構築の事前検討として、透明な石英ガラス製クエット冶具を作成し、流動剪断速度と粘度値を校正・定量化した。新規の石英ガラス製クエットと従来のSUS製クエット、さらには理想的な剪断流動を与えるSUS製コーンプレートの３種類の冶具でダイラタンシー特性を比較した。この結果、粘度上昇を起こす剪断速度（臨界剪断速度）はコーンプレートよりもクエットの方が100 (1/s)程高く、粘度値はガラス製がSUS製よりも高くなった。これらの違いには一定の規則性があることから、ガラス製クエットの剪断速度を0.9倍、粘度（トルク）値を0.85倍にスケーリングすることで、コーンプレートの数値に合うように補正できることが分かった。
次に、簡易な半導体レーザ光を用いて、粘度上昇時の光学観察を試みた。動的粘弾性測定装置に市販の光学定盤を加工して組み込み、この上にレーザとミラー等の光学部品を設置した。DiPIC溶液にカーボンブラックを入れ粘度測定と光学観察をしたところ、ダイラタンシーが起こる直後に〝もや”のような僅かな密度揺らぎが発生し、これがギャップ間を移動している様子が観測された。
最後に、無色であるDiPIC溶液を高精度で観察するため、着色することを試みた。これまでの研究で、DiPIC溶液は無機塩の添加によってダイラタンシー特性が失われることが分かっている。この結果、市販の食紅はダイラタンシー性能にほぼ影響を与えずに着色が可能であった。一方で、水溶性インクの添加では、ダイラタンシー性が失われた。
以上の結果は、当該技術を実用化する上でも貴重な知見となる。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

平成28年度の最大の目標であったROの設計および事前測定は概ね達成することができた。ガラス製冶具の作成や光学定盤の納入延期など、想定以上に研究進捗が遅れる要素はあったものの、実験についてはほぼ計画通りに進展している。特に、理論的に想定されるゲル化前後における濃度揺らぎの発生をCCDカメラで観察できたことは最終年度に向けての大きな励みとなる。ただし、溶液のコントラストが弱く、微細構造の観察には至らなかった。
当初、新規に導入したガラス製冶具ではダイラタンシー現象が起こらず、その原因が材質の違いによるものと考えていた。しかしながら、溶液に加わる剪断速度は、ソフトで入力した値よりも小さくなり、実際には臨界剪断速度よりも下であったことが分かった。非ニュートン性流体では、冶具の材質や形状によって容易に粘度値が変わることから、新規に導入したガラス製冶具の校正がとれたことは次年度に向けての成果である。
一方で、理論的な検討はかなり遅れ気味である。この大きな理由として、従来から知られた類似のダイラタンシー水溶液であるWorm-Like-Micelles(WLM)に関する研究例とは、多くの点で違いがあることが分かってきたためである。具体例として、粘度上昇を起こすまでの時間（待ち時間）の剪断速度依存性や温度依存性がDiPICとWLMでは異なる。これは、発生メカニズムが従来理論とは異なっていることを示唆しており、現在、新たな理論を模索している段階である。

Strategy for Future Research Activity

今後は、現在観測されている僅かな濃度揺らぎをより鮮明化し定量的な評価ができるように、光学系の改良を行う必要がある。これまでは簡易な半導体レーザを使っていたために光が弱く、濃度揺らぎが見づらかった。そこで新たに入手した高出力なHe-Neレーザを用いて光量を増すとともに、本年度得られた着色技術も応用して、溶液のコントラストを高める改良を進めていく。
理論的にダイラタンシー発生機構を探る上でDiPICがWLMよりも有利な点は、溶質のイオンバランスを自由に設計できることであった。ポリイオンの組成、特にポリカチオンの分子量を変えることを検討する。これによって、系全体のイオンバランスを変えずにゲル化の初期核となるカウンターイオン数が変化するため、研究協力者である田中が提唱している過渡ゲル化理論の検証と発展につなげる。
最後に、得られた知見を総括して、DiPICのポリイオン組成からの臨界剪断速度や粘度上昇幅などの予測とポリイオンの分子設計につなげる。

Causes of Carryover

石英ガラス用冶具が予定していた額よりも30万円ほど安かった点と業務多忙のために遺憾ながら学会発表をする機会を逸したため。

Expenditure Plan for Carryover Budget

石英ガラスは容易に割れてしまうために、予備としてもう一つ購入する。また、研究最終年度のまとめとして学会発表や論文発表等を積極的に行うので、参加費、旅費等も必要となる。