2018 Fiscal Year Research-status Report
不純物を含む水中における気泡と壁面間相互作用に関する実験的研究
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18K03934
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| Research Institution | Osaka Prefecture University |
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Principal Investigator |
小笠原 紀行 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (00552184)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 液膜 / 光干渉計 / 界面活性剤 / 電解質 / 気泡 / 気泡クラスタ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
【薄い液膜の排水破断過程における電解質および界面活性剤の影響の解析】剛体壁と接近する気泡間に形成される薄い液膜を対象とした光干渉法による膜厚分布計測に関して，剛体壁としてマイカ基板を用いた実験装置を構築した．超純水，二種類の電解質溶液（酢酸ナトリウム水溶液，硫酸マグネシウム水溶液），界面活性剤水溶液（Triton X-100水溶液）を用い，接近速度1から2000マイクロメートル毎秒の条件において，排水時の膜厚分布形状の変化を取得し，各溶液における比較を行った．その結果，特に，二種の電解質溶液は気泡合体防止効果が異なるものとして知られているものであるが，サブマイクロメートルオーダーまでの膜厚の排水過程においては違いが見られないことがわかった．
【原子間力顕微鏡を用いた気泡と壁面間相互作用の計測】原子間力顕微鏡のカンチレバーに気泡を修飾し，気泡が壁面に接近する際の相互作用力を計測する実験において，100マイクロメートル程度の気泡をカンチレバーに修飾する方法の検討を行った．
【斜め平板下を上昇する球形気泡群のクラスタ化に内在する気泡間相互作用の解析】二次元的な拘束を受ける球形気泡の群運動に関して，斜め平板下を上昇する球形気泡群ではクラスタ化が生じるが，単一細管から生成した気泡列の観察から2個から数個程度の気泡群の運動を解析し，クラスタ化に関わる気泡間相互作用の詳細を解析した．また，気泡表面の境界条件による影響を解析するため，界面活性剤溶液（ノースリップ）と電解質溶液（フリースリップ）をそれぞれ用いた比較実験を行った．その結果，前方気泡の影響により後方気泡が加速されること，縦並びの二気泡の配置は不安定で横並びへと変化すること，横並びの二気泡の上昇速度は単一気泡のそれに比べて低下すること．横並びの気泡列では，気泡数が増加すると上昇速度が低下すること等の気泡間相互作用に関する知見を得た．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
液膜排水過程の光干渉法による膜厚分布計測に関しては，従来は壁面にガラス（BK7）を用いていたが，より清浄で分子的に均一な面を用いて実験を行うため，壁面をマイカ平板に変更した実験系を構築した．マイカ板は親水性が強いため液膜の破断が生じにくくなるため，よりゆっくりとした接近速度の条件においても液膜の排水過程が十分長い間観測できるようになり，各溶液の比較がより詳細に行えるようになった．
原子間力顕微鏡を用いた気泡と壁面間相互作用の計測では，光干渉法を併用した力と膜厚分布の同時計測が可能な実験系の構築を目指しているが，気泡をカンチレバーの先端に付着された気泡プローブの作成をより的確におこなうため，そのプロセスに関する検討を行った．また，当初は光干渉法用のLED光源を装置に組み込むことを目的としていたが現状ではまだ達成できていない．
斜め平板下を上昇する球形気泡群のクラスタ化に内在する気泡間相互作用の解析では，単一細管を有する気泡発生部を作成し，圧力コントローラによる制御により，一定の時間間隔で発生する単分散の気泡径分布を有する球形気泡群を生成することができた．高速度撮影と画像処理を用いて各時刻における気泡重心を検出し気泡運動を解析することで，2から数個程度までの気泡群における気泡間相互作用について検討できるようになった．
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| Strategy for Future Research Activity |
まず，気泡壁面間の液膜排水過程については，実験装置の構築は完成したため，さらなる条件におけるデータ取得を行う．また，同時に理論的なモデルとの比較を目指し，潤滑理論による液膜形状の変化の解析を試みる．
原子間力顕微鏡による気泡と壁面の相互作用力と膜厚分布の同時計測では，まず気泡プローブ制作過程の検討をさらに進める．気泡プローブの安定した製作法の確立と同時に，倒立顕微鏡の光源として干渉画像が得られるものを選定する．その後は，高速度カメラによる撮影と原子間力顕微鏡による計測を同期したシステムを構築し，相互作用力と膜厚分布の同時計測の計測システム構築を目指す．
斜め平板下を上昇する球形気泡群のクラスタ化に内在する気泡間相互作用の解析では，現状では気泡レイノルズ数が100程度のデータのみが得られている．したがって，まずこの気泡レイノルズ数の影響を考察するためさらなる実験データを取得する．また，従来から知られているバルク中における二気泡間相互作用や壁面近傍を上昇する単一気泡に対する知見との比較を通して，斜め平板に沿ったまま上昇する気泡群における気泡間相互作用の特徴をより詳しく解析する．
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| Causes of Carryover |
進捗状況でも説明したとおり，原子間力顕微鏡を用いた気泡と壁面間の相互作用力と液膜相対膜厚分布の同時計測において，干渉画像用のLED光源や顕微鏡用の光学部品の購入まで進まず，その分の費用が次年度使用額として生じている．なお，本年度の使用計画は，初年度に購入する予定になっていたが購入できなかったもので，購入予定品の変更はない．
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Research Products
(4 results)
