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乾式粉体操作に於いて粒子に働く力は粒子の凝集・付着など様々な現象に係わっており、最も重要な要素と言える。しかしながら既存の研究では遠心分離法等のように巨視的であり、系に多くの粒子を含む平均的な描像、粒子が平面から離れる直前の最大付着力のみを議論にするに留まっており、個々の粒子に働く静電気力等、相互作用力のナノ、ミクロ的なメカニズムは殆ど解明されていないと言える。こうしたナノ、ミクロスケールのメカニズムは微粒子だけの問題に留まらず微細現象を扱うマイクロマシンなどを設計する上で基本的な知見をもたらすことになると考えられる。本研究では原子間力顕微鏡(AFM)を応用し気相中に於ける単一粒子と金属表面間に働く相互作用力を直接測定し、さらに粒子の帯電現象の検討を行なった。
その結果、以下のことが明らかとなった。
粒子に働く相互作用力を液架橋力、静電気力などに分離して検討することが可能となった。付着力においては液架橋力が支配的であり、相対湿度が高くなるにつれて最大付着力は増大することがわかった。
粒子を金属基板に接近させる際に遠距離から働く引力は静電気力によるものである。また、この静電気力は相対湿度が下がるにつれより強く働くことがわかった。
粒子が金属基板に接触を繰り返しても同一の接触面に於いてはそれ以上帯電しないことがわかった。接触回数が増加するにつれて静電気力は減少し0に近づいたが、これは粒子上の電荷が接触によって基板に移動するのでなく、電荷は殆どそのまま粒子上に存在しており、粒子上の水分子の関与によって静電気力が減少した為であることが示唆された。
ガラス粒子上の不均一に分布している電荷が生じさせる静電気力の、粒子-基板間距離依存性は非常に複雑であるが、この分布している電荷の代わりにそれと同じ電界を生じさせる仮想電荷を導入することにより、静電気力を定量的に表現することが可能となった。
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