2021 Fiscal Year Annual Research Report
Orientation state in drying process of thin liquid film of rod-like molecules/particles suspension oriented by application process
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19H02064
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| Research Institution | Nagaoka University of Technology |
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Principal Investigator |
高橋 勉 長岡技術科学大学, 工学研究科, 教授 (20216732)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 複雑流体 / 塗布 / 流動配向 / 薄膜 |
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| 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とこれに伴う亀裂の発生，亀裂の進展について検討を行った．乾燥線の近傍で発生した亀裂は乾燥線の進行に合わせて進展するとともに亀裂近傍において分散媒の体積分率値が低い領域に進展することを見いだした．これらの成果は日本機械学会2021年度年次大会およびThe 6th International Conference on "Science of Technology Innovation" 2021において発表した．形状異方性粒子の配向については，過渡的あるいは周期的なせん断流動下での配向状態を実験的に観察した．従来報告されているせん断面内の配向に加えて渦度軸方向においても配向状態が変化することを見いだした．また，本研究の前半の成果である塗布膜の乾燥過程における液膜の体積分率評価方法について論文としてまとめ，国際誌である「Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects」に投稿し掲載可の判定を得た．
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| 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亀裂は進行し乾燥線の進行方向に伸びる傾向があることを確認した．一方，亀裂近傍で乾燥が進む領域が生じた場合はそちらに向かった新たな亀裂が発生し，あるいは亀裂が分岐する現象が見いだされた．液膜の分散媒の体積分率の時間的変化と亀裂の状態について整理した．
また，繊維懸濁液の流動による配向状態について，本年度は過渡的あるいは周期的なせん断における変化について観察を行った．ガラス繊維分散液に対して繊維の方向がランダムな状態，流動方向にある程度配向した状態，流動方向に対して垂直方向に配向した状態の3つの状態を初期状態とし，この状態からのステップせん断あるいは周期的せん断により配向状態の変化する様子を可視化により画像として求め，画像解析より配向テンソルの各成分を定量化した．この結果，従来知られているせん断面内での繊維配向の変化に加えて，渦度軸方向に対する繊維の配向を定量的に求めることができた．
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| Strategy for Future Research Activity |
塗布された液膜の乾燥過程の分散媒体積分率の変化を定量化する技術を用い，棒状分子である5CBを含むネマチック液晶の流動配向膜の乾燥過程について球状粒子の場合との違いを詳細に求めることを目指す．塗布するガラス面はラビング処理など棒状分子を固定するためのアンカリングを行わず，塗布によるせん断流動で配向状態を形成する．これにより，乾燥過程においてもガラス表面にアンカーされない状態での観察が可能となり，乾燥による分子配向状態の変化と乾燥線の運動および亀裂の発生についての知見を得る．
また，ガラス繊維分散液の流動配向については可視化により定量化された配向テンソルの各成分の変化に対して繊維配向を予測するモデルを適用し，配向状態をより的確に予測可能とする方法を検討する．
最終年度であることから，これらの内容をまとめ論文として発表する．
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