2018 Fiscal Year Research-status Report

Functional hollow micro capsules for the visualization of pressure distribution in an air flow

Research Project

Project/Area Number	17K18847
Research Institution	National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
Principal Investigator	染矢聡国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 研究グループ付 (00357336)
Project Period (FY)	2017-06-30 – 2020-03-31
Keywords	流体計測 / 可視化 / 圧力 / 速度 / 機能性粒子 / 中空カプセル
Outline of Annual Research Achievements	本研究では感圧性中空マイクロカプセルを開発する．騒音問題や高速移動体における空力問題の解決には空気中の圧力分布の把握が重要であるが，これを実現する術はまだない．酸素分圧に応答して発光特性が変化する燐光分子を殻にドープし，内部を中空として浮遊性を高めた，中空マイクロカプセルを開発できれば，粒子の移動量から流れの速度を，燐光の発光特性から空気中の酸素分圧を同時に可視化計測することが可能となる．本研究ではカプセルの殻となる高分子樹脂，感圧性の燐光分子とこれらの溶媒，分散媒の種類や粘度などの物性を変化させつつカプセルの開発を進める．マイクロバブルを核としたカプセル製法では，分散媒とガスの物性に依存するマイクロバブルのサイズによってカプセルサイズが決まるため比較的均一な粒径のカプセルを作成できる．有機溶媒が分散媒に溶出し，最終的に揮発するまでの間，バブルが長時間水中に留まる必要がある．これら物性や製法の制約から，カプセル特性が決まる．溶媒種類，溶質濃度，合成温度，粘度，活性剤などがカプセルに与える影響を調べた．粒子径，凝集性，ドライな状態でのカプセル回収法と回収効率のバランスを考慮してカプセルを合成し，1.5～3.0μmのドライな中空カプセルを作成することができた．圧力および温度の制御が可能な評価システムを構築することができたため，これを用いて作成したカプセルの圧力応答性を評価した．圧力感度は通常のポリマーバインダーでの塗布型PSPと同等の感度を示した．時間応答性は改善が必要である．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason マイクロバブルを核としたカプセル製法では，分散媒とガスの物性に依存するマイクロバブルのサイズによってカプセルサイズが決まるため比較的均一な粒径のカプセルを作成できる．有機溶媒が分散媒に溶出し，最終的に揮発するまでの間，バブルが長時間水中に留まる必要がある．これら物性や製法の制約から，カプセル特性が決まる．本年度は感圧性の中空マイクロカプセルの合成について，溶媒種類，溶質濃度，合成温度，粘度，活性剤などがカプセルに与える影響を調べた．粒子径，凝集性，ドライな状態でのカプセル回収法と回収効率のバランスを考慮してカプセルを合成し，カプセルの取り出しに要する時間の長さを1週間程度まで容認すれば，比較的高い回収率でカプセルの回収ができる段階に至っているが，今以上に簡便にカプセルの抽出を実現できるよう，作成法の模索を続けている状況である．圧力および温度の制御が可能な評価システムを構築することができたため，これを用いて作成したカプセルの圧力応答性を評価した．圧力感度は通常のポリマーバインダーでの塗布型PSPと同等の感度を示した．時間応答性は改善が必要である．
Strategy for Future Research Activity	時間応答性について，応答速度の改善と，スピーカーや衝撃波のみではなく様々な観点から応答性を評価する方法の検討，装置設計製作，試験が必要であり，これらの課題に取り組む．明るさの維持のためには一定以上のカプセルサイズが必要であるが，応答性能改善のためにはシェル素材のポリマーの変更や薄肉化が必要であり，これはドライな状態で回収することを難しくすると考えられる．カプセル内部の気体の膨張収縮によるカプセルサイズの変化に起因する燐光強度の変化の影響，圧力の絶対値や昇圧・減圧の速さなど特性を詳細に評価することで，性能改善にフィードバックする．評価装置について，昇圧制御は可能であるが，減圧速度の制御は試行錯誤が必要と考えられる．早い段階でその制作を完了し，最終年度の研究を予定どおり進める．
Causes of Carryover	時間応答性評価試験機を先行して導入する方向で進めていたが，想定したいたより時間応答性能が低く，通常のスピーカーで適切に評価することが難しかったため，製品のデモ利用を続けた結果，30年度の機器導入を見送る結果となった．時間応答性評価試験機の設計製作は当初から3年目に計画していたものであり，遅れているわけではない．これまでの試行錯誤の結果を踏まえて加減圧制御可能とするため，スピーカーだけではなく，大型の真空ポンプ，中間容器などを備えた時間応答性評価システムの設計製作を行う．