2017 Fiscal Year Annual Research Report
Simulation study of the dynamics of entangled polymers under fast flow
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15K05619
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| Research Institution | Yamagata University |
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Principal Investigator |
瀧本 淳一 山形大学, 大学院有機材料システム研究科, 教授 (50261714)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
SUKUMARAN S.K. 山形大学, 大学院有機材料システム研究科, 准教授 (70598177)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 高分子ダイナミクス / 高速ずり流動 / 絡み合い / 回転運動 / 応力緩和 / 誘電緩和 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
絡み合った高分子に流動を与えると、流動により分子鎖が絡み合いから引き抜かれるため、緩和が加速すると考えられている(CCR機構)。この緩和機構は高分子ダイナミクスの不可欠の要素と考えられているが、直接的な検証はほとんど無い。本研究では、ずり流動下での応力緩和と誘電緩和（分子鎖の末端間ベクトルの緩和）を分子シミュレーションにより調べ、実際に流動による緩和の加速があることを明らかにした。また、定常ずり流動下でステップ変形を加えた場合の応力応答は、単に流動で加速するだけでなく、ステップ変形後の定常流動によるひずみが1程度の時刻からアンダーシュートを示す（応力が定常値を下回る）こともわかった。さらに、絡み合いの無い低分子量系でも加速があるため、加速の一部分はCCRではなくずり流動の持つ回転成分による応力テンソルの回転に起因することもわかった。但し、実験では誘電緩和のずり流動による加速は観測されておらず、その原因は未解明である。
次に、流動下で個々の分子鎖の運動を解析し、分子鎖も回転していることを見いだした。これはCCRも重要な役割を果たしていることを意味する。流動により分子鎖が絡み合いから引き抜かれるCCR機構が無い限り、個々の分子鎖の回転は不可能だからである。高速ずり流動下では、回転速度はずり速度の1/2乗に比例し、ずり流動が持つ回転速度よりずっと遅い。従って、分子鎖は回転しているものの、これが緩和の加速の直接の原因では無いと考えられる。
定常伸長粘度が高ひずみ速度でも上昇しないという実験結果の説明のため、高速流動下では、分子鎖が伸長・配向するため、分子鎖間の摩擦が低減する、という仮説が議論されている。本研究では。ずり流動下での高分子鎖および系内に入れた微粒子の拡散を調べ、流動により実際に拡散係数が上昇すること（摩擦が低減すること）を明らかにした。
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