2020 Fiscal Year Annual Research Report

Orientation state in drying process of thin liquid film of rod-like molecules/particles suspension oriented by application process

Research Project

Project/Area Number	19H02064
Research Institution	Nagaoka University of Technology
Principal Investigator	高橋勉長岡技術科学大学, 工学研究科, 教授 (20216732)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2023-03-31
Keywords	複雑流体 / 塗布 / 流動配向 / 薄膜
Outline of Annual Research Achievements	平板に棒状の粒子・分子懸濁液を塗布することで高速かつ大量に分子・粒子が配向した機能性薄膜を形成する技術を開発する．これまでの研究で塗布過程における流動配向の形成についてレオ・オプティック測定を中心とした新たな測定手法により確認してきた．これらを踏まえて，本研究では分子・粒子配向状態にある薄い液膜の乾燥過程における配向秩序度の変化を詳細に調べ，配向状態の高い機能性薄膜形成に必要な条件を明らかにする．この目的のために乾燥状態における液膜の厚さおよび水分量の二次元的，時間的変化の測定，乾燥領域と液膜領域の画像からの認識などの計測技術の開発も行う．本年度は塗布膜の乾燥過程における乾燥線の進行の状態をマクロ的，ミクロ的に詳細に観察し，乾燥線通過後に発生する亀裂の形成を評価した．乾燥膜に発生する亀裂の進行状態を可視化し，さらにその周囲の流体の濃度を体積分率分布の時間的変化を定量的に求めた．これらの結果は動画として亀裂発生から進展に至る乾燥時の状況を把握できるようにした．この成果のうち亀裂の形成および進展の様子については第68回レオロジー討論会において発表を行った．また，繊維懸濁液の塗布時のせん断流動での粒子配向状態を可視化する手法として，レオメータにガラス製平行円板流路塗を設置し，せん断速度，せん断応力とともに粒子の運動を動画として記録した．これを解析し，配向状態と流動状態の関係について評価を行った．これらの成果のうち，粒子配向状態の定量的な評価方法について日本機械学会第98期流体工学部門講演会および第68回レオロジー討論会において発表を行った．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 昨年度に開発した乾燥過程における液膜の水分量の二次元的な分布，そして画像および動画として乾燥過程，すなわちdirectional dryingにおける乾燥線の進行や乾燥に伴う亀裂の発生・成長過程を観察出来る手法を用いて，球状粒子分散液の乾燥膜に発生する亀裂の観察を行った．乾燥線の進行により分散媒が蒸発し体積濃度が増加するが，乾燥線直後の領域において亀裂が発生する様子を可視化し，亀裂周囲の体積分率の分布を定量的に求めることができた．塗布膜の初期の体積分率や塗布膜の初期厚さなどの諸因子が亀裂発生に及ぼす影響を実験的に検討した．亀裂の形成から進展の様子およびその周囲の乾燥状態を分かりやすく観察できるよう動画としてまとめることができた．また，繊維懸濁液の流動による配向状態を観察する手法を検討した．高濃度繊維分散液では光が透過しづらく繊維の配向状態を直接観察することは容易ではない．そこで，繊維としてガラス繊維を用い，これと同じ屈折率となるように分散液を調整した．これによりガラス繊維は透明化され見えなくなる．この分さん液に繊維の配向状態を把握するためのトレーサーとしてガラス繊維と同程度の経情を有する炭素繊維を微量，添加した．これにより濃厚な繊維懸濁液ながら可視化により繊維の配向状態を可視化できるようになった．本年度は繊維懸濁液のせん断流動下の挙動を把握するためにレオメータにガラス製の平行円板流路を設置し，制御されたせん断流動状態における繊維配向状態を可視化し，画像処理により配向秩序度を定量的に求める手法を作成した．
Strategy for Future Research Activity	塗布・乾燥過程の体積分率分布の定量化については球状粒子の粒子径の影響を明らかにすることを目指す．粒子径と亀裂形成過程の関係を求め，乾燥過程の粒子の凝集状態について検討を行う．また，球状粒子分散液だけではなく，より複雑な粒子分散系流体および液晶についても塗布・乾燥過程の観察・評価を行えるよう評価システムや計算手法を開発する．これらの技術を用いて複雑な粒子分散系においても乾燥過程の乾燥線前後での挙動を定量的に評価できる技術となるよう検討する．棒状粒子，繊維状粒子など配向や凝集を示す懸濁液についての塗布，乾燥過程の知見を増やすために昨年度実施したガラス繊維懸濁液の流動評価をさらに発展し，塗布における配向状態を観察する．塗布におけるせん断流動場および自由表面形成過程における配向状態を観察し，さらに乾燥における配向状態の変化を定量的に求める測定手法を確立する．