| 研究概要 |
近年,微小液滴や粒子を芯物質としそれらを高分子の膜で被覆した微小カプセルが工業,食品,医薬品などの分野でその有用性が認められ,更なる微小化のための技術が求められている.従来このようなカプセルは,媒質中に分散した芯物質を化学的に被覆する方法がとられてきたが,このような手法では流体が芯物質となる場合や,短時間で均一なカプセル生成には不向きである.それに対して,同軸円筒ノズルから噴出した2種類の流体で形成される複合ジェットの界面張力不安定を利用することにより,均一なカプセル化を短時間で行うことができる.本研究では,複合ジェットを用いたこのようなカプセル生成メカニズムを明らかにし,微小カプセル化のための技術的な問題点を明らかにすることを目的としている.
本年度は,カプセル化メカニズムを明らかにするため,現象を解析的に調べ,カプセル生成に大きな影響を与えるパラメータとその範囲を明らかにした.解析は現象を連続体力学の範囲内で取り扱い,ナヴィアーストークス方程式と自由界面での条件を用いて長波近似により非線形の液膜方程式を新たに導出した.この方程式を数値的に調べることにより,カプセル化には2流体の界面での表面張力比が重要な役割を果たすことが示された.すなわち,小さすぎると単一流体ジェットのように振る舞いコア流体を外部流体がきれいに閉じ込めることができず,一方大きすぎると,外部流体よりもコア流体が短時間で不安定化されるためコア流体のみが連続的な液滴状になりうまくカプセル化できない.この結果は既に行われている実験結果ともよく一致していることから,解析の有効性が示された.さらに,微小カプセル化に伴い粘性の影響が大きくなることが予想され,低レイノルズ数での解析を行った.その結果,ジェットがピンチングを起こすにつれて,コア流体が流れにくくなり一種の閉塞現象が発生するため,ジェットに大きくバルーニングがおこり最終的には外部流体部が破断することがわかった.このことからカプセルを微小化するときには粘性の影響を十分考慮して,密度比,表面張力比,粘性比などのパラメータ設定をうまく行う必要があることがわかった.
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