| 研究課題/領域番号 |
15K05619
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| 研究機関 | 山形大学 |
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研究代表者 |
瀧本 淳一 山形大学, 大学院理工学研究科, 教授 (50261714)
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| 研究分担者 |
SUKUMARAN S.K. 山形大学, 大学院理工学研究科, 准教授 (70598177)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | 絡み合い / 分子動力学 / ずり流動 / 伸長流動 |
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| 研究実績の概要 |
絡み合い高分子に高速流動を与えると、絡み合いから分子鎖が引き抜かれ緩和が加速することは、高分子レオロジーの標準理論の重要な一部となっている。このCCR機構を認めると、誘電緩和も流動により加速されるはずであるが、実験的には加速は観測されない。この問題を解決するのが第一の研究目的である。
まず、本質的な仮定を含まない分子動力学(MD)シミュレーションで誘電緩和を調べたが、流動による加速が確認され、実験とは一致しないままである（主に昨年度の結果）。一方、流動下でステップ変形を与えることで、応力緩和を実時間でMDシミュレーションにより調べた。その結果、絡み合いの有無にかかわらず、流動により応力緩和が加速されることが確実になった。絡み合っていない低分子量高分子ではCCRは原理的に存在しないので、そこでの緩和の加速はCCRによるものでは無い。一方、ずり流動下では高分子鎖は回転しており、それ応力緩和の加速の原因（少なくとその一部）である可能性がある。そこでずり流動下での分子鎖の回転をスリップリンクモデルとMDシミュレーションで詳細に調べ、回転周期と緩和時間のずり速度依存性は必ずしも一致しないことなどを明らかにした。
本課題のもう一つの目的は、高速伸長流動下では分子鎖の伸びと配向により分子鎖間の摩擦が低減し、それが伸長粘度の増大を押さえる、という最近提案されたメカニズムの検証である。現在、任意のひずみまで計算可能なKraynik-Reilinの境界条件を組み込んだ平面伸長のシミュレーションプログラムを作成・検証である。また別の方法として、ずり流動下で高分子溶融体中のトレーサー粒子の運動を調べ、流動下では流動方向の拡散が加速されることから、ずり流動下でも摩擦低減が起きていることが確認された。また、伸長流動停止後の応力緩和からも、精度が不足気味ながらも摩擦低減の証拠を得ている。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
流動下での誘電緩和については、本質的な仮定を含まないと思われるMDシミュレーションによっても、流動による加速があるという結果を得ており、実験との不一致の原因は未解明である（可能性の一つとして実験が溶融体ではなく溶液で測定されていることがある）。一方、実験でも加速が見られるとされてきた流動下での応力緩和について、絡み合いが無い低分子量系においても加速があることを、流動下での緩和弾性率を求めることで（つまり周波数領域ではなく時間領域で）、明らかにした。また、流動下での緩和は単純な指数関数的緩和の重ね合わせでは無く、振動成分を含むことも見いだした。この振動の周期と緩和時間はおよそ対応しており、ずり流動下での分子鎖の回転が見かけの緩和の加速の原因（の一つ）であることを強く示唆する。このように、誘電緩和の問題については未解明の点が残るが、分子回転による緩和の加速という可能性を見いだしていることは、新しい進展と言える。しかし、分子鎖の回転を実際にシミュレーションで調べた結果では、回転の周期と応力緩和に見られる振動の周期は必ずしも対応しないようであり、更に検討が必要である。
一方、流動下での摩擦低減については、高分子中に入れたトレーサー粒子の拡散を調べることで、伸長時だけでなくずり流動下でも摩擦低減が起こることを見いだしている。一方、伸長流動停止後の（配向した状態での）応力緩和から、伸長による配向と伸びによっても摩擦低減があることを確認している。但し、配向・伸びと摩擦低減の間の定量的な関係を得るには至っていない。
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| 今後の研究の推進方策 |
まず、絡み合いが無い（低分子量の）系でのずり流動下での誘電緩和をMD計算で調べ、応力緩和と同様、また絡み合いがある系と同様、加速があることを確認する。その後、応力緩和と誘電緩和での流動による加速を（計算負荷の小さい絡み合いの無い系を中心に）詳細に比較すると共に、分子鎖の回転（の周期）とも比較する。現在の予想では、応力には分子鎖の各部分鎖の配向が全て寄与するが、応力緩和は末端間ベクトルだけで決まるので、両者の加速は同じではないだろうと考えている。
次に、ずり流動による回転の効果を、極力簡単なモデルで（シミュレーションではなく）理論的に調べる。シミュレーションによれば絡み合いが無くても加速は起こるので、絡み合いの効果は考慮しないモデルでも良いはずであるが、純線形モデルであるラウスモデルでは加速は起こらないので、FENEダンベルモデルなどの非線形モデルによる解析を予定している。
誘電緩和における実験との不一致につては、実験が溶融体では無く溶液によるものであることを考慮し、溶液でのシミュレーションを行いたい。但し、溶媒分子を陽に取り扱うと計算負荷が大きすぎるので、溶媒を無視したBrowninan Dynamicsでのシミュレーションを予定している。
流動下での摩擦低減については、分子鎖の剛直性を変化させたモデルを用いるなどして（剛直鎖は伸びにくいはず）、摩擦係数が分子鎖の配向と伸びのどちらに強く依存するか、などを明らかにしていく。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
性能、設置場所、管理の面から、40万円程度の計算機を今年度・次年度で2台購入するより、次年度予算と合わせ80万円程度の計算機（24core程度の並列計算可能なもの）を購入する方が良いと判断した。
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| 次年度使用額の使用計画 |
次年度分とあわせ、計算機（80万円程度）を購入予定
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