| Project/Area Number |
23K26440
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| Project/Area Number (Other) |
23H01747 (2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 27010:Transport phenomena and unit operations-related
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| Research Institution | Kyushu Institute of Technology |
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Principal Investigator |
山村 方人 九州工業大学, 大学院工学研究院, 教授 (90284588)
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| Project Period (FY) |
2024-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥18,850,000 (Direct Cost: ¥14,500,000、Indirect Cost: ¥4,350,000)
Fiscal Year 2025: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2024: ¥8,710,000 (Direct Cost: ¥6,700,000、Indirect Cost: ¥2,010,000)
Fiscal Year 2023: ¥8,580,000 (Direct Cost: ¥6,600,000、Indirect Cost: ¥1,980,000)
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| Keywords | 塗布 / 乾燥 / 粒子分散 / 応力 / 超音波 / 弾性率 / 粒子分散液 / 液晶 |
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| Outline of Research at the Start |
湿式塗布は、現代生活に欠かせない高機能薄膜製品を製造するための基盤技術である。例えばリチウムイオン電池、燃料電池、インクジェット光沢紙などはいずれも、固体基板上に塗布されたナノ粒子分散液から分散媒を乾燥除去し、薄い粒子積層体を得る工程を経る。
ナノ粒子分散塗布膜から分散媒が蒸発するとき、塗布膜は液体状態から、液架橋を介して粒子が互いに接しあうセミドライ状態を経て、粒子積層乾燥体となる。本研究では「セミドライ状態にある塗布膜の弾性率は乾燥体のそれに等しい」とする従来仮説の妥当性を検証すべく、弾性率をリアルタイム計測可能な実験手法を開発し、その動的挙動を記述する学理の構築を行う。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、1)純物質を分散媒とする粒子分散液の乾燥過程における液中音速の時間変化計測、2)粘弾性液晶を分散媒とする分散液の臨界クラック厚み、3)粘弾性液晶の乾燥過程で発現する特異な配向層形成に関する検討を、それぞれ行った。1)について、本年度導入した超音波パルスレシーバを用いて電圧30 V、周波数25 MHzの矩形パルス波を、ゲルを介してガラス基板上に塗布したチタニアナノ粒子ー水分散液へ照射し、気液界面からの反射波を受信する計測システムを構築した。このとき多重反射による複数の波が観測され、気液界面からの反射のみを抽出することが困難となる問題が明らかとなった。そこで本年度導入した超音波伝搬シミュレータを用い、波形の解析結果と実験結果を比較することで、表面からの反射波を同定しその伝播時間を決定した。さらにレーザ変位計を用いて同時測定した分散液厚みと、上述の伝播時間を用いて、分散液中の音速を求めた。測定された音速は、定率乾燥期間では純水のそれにほぼ等しく、乾燥が進むにつれてゆるやかに増加した。これは音速の高いチタニア粒子の体積分率が乾燥時間と共に増加するためと考えられる。一方で乾燥後期にあたる減率乾燥期間では、反射波の信号が急激に減衰し、音速の時間変化を追跡することが困難であった。これは隣接粒子間の間隙に空気相が侵入することで超音波の伝播が妨げられるためと考えられるため、音響インピーダンスが粒子や水により近い第３相が間隙を占めるような実験系へ変更するなど、さらに検討が必要である。
2)について、界面活性剤を添加して形成される粘弾性液晶を分散媒とする分散液の臨界クラック厚みが、無添加の場合と比較して15倍以上増加することを新たに見出した。さらに3)について、ある乾燥条件下では、活性剤集合体の配向方向が90°反転した構造が交互の積層した層状構造が生じることを明らかにした。
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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
1)粒子分散液の乾燥過程における音速の時間経過の計測に成功していること、2)粘弾性液晶を分散媒とする分散液の臨界クラック厚みが液晶性を持たない分散媒を用いた場合に比べて15倍以上増加する新たな知見を得ていること、3)臨界クラック厚み増加の要因が乾燥前の液体が有する粘弾性と、粒子表面におけるGME吸着状態に依存することを明らかにしたこと、4)粘弾性液晶を分散媒とする分散液の乾燥過程で帯状配向層が形成するとの新たな知見を得たこと、などの理由から計画は概ね順調に進展している。当初目的である弾性率の決定には音速と密度のデータが必要であるが、後者は各乾燥時刻における平均組成から算出可能であるので、音速計測技術の精緻化により目標を達成できるものと考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
減率乾燥期間では、超音波が液内部へ伝搬せず音速計測の精度が大きく低下することが明らかとなっており、次年度以降の検討が求められる。これは隣接粒子間の間隙に空気相が侵入することで超音波の伝播が妨げられるためと考えられるので、今後は第３相として高分子を間隙に導入し、分散液内部での局所的な音響インピーダンスの差を低減する工夫を進めたい。また同様の手法を粘弾性液晶を分散媒とする分散液へ適用し、前年度までに明らかとなっている臨界クラック厚みと、超音波計測の結果を比較検討することで、当初目標としている物理モデルの構築を進める。
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