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2015 年度 実施状況報告書

異種粒子混合分散塗布膜の乾燥に伴う粒子積層現象の解明

研究課題

研究課題/領域番号 26420766
研究機関九州工業大学

研究代表者

山村 方人  九州工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (90284588)

研究期間 (年度) 2014-04-01 – 2017-03-31
キーワード乾燥 / ナノ粒子 / 蛍光 / 積層 / リアルタイム計測
研究実績の概要

前年度までに、密度が等しく粒子径の異なる2種類のラテックス粒子が高分子溶液に共分散した系における粒子積層現象を、実時間蛍光法を用いてリアルタイムで計測することに成功した。その結果、乾燥による膜収縮速度と粒子ブラウン運動速度の比で定義されるペクレ数が100以上の高速乾燥条件において、蛍光強度の増加すなわち小径蛍光粒子の優先的表面偏析が乾燥中に生じること、且つ、乾燥初期の偏析はゆるやかに進行するのに対して後期のそれはある乾燥時刻でステップ的に生じることが明らかになった。
しかし過去の理論的研究(Cardinal et al., AIChE J. 2010)によれば粒子積層現象はペクレ数のみならず、粒子沈降速度と膜収縮速度の比である沈降数にも依存することが示唆されている。特に大粒子の密度が小粒子のそれより高い場合には、高沈降数である大粒子が選択的に底面に積層することで、結果的に小粒子の表面偏析を促進するものと予想された。
この予想を実験的に実証するために、本年度はラテックス粒子に比べて4倍高い密度を有する二酸化チタン粒子を大径粒子として選択し、密度差による粒子運動の差異が乾燥中の積層構造形成に与える影響を検討した。その結果前年度までの結果とは逆に、乾燥中に蛍光強度が低下する高分子濃度が存在することが明らかとなった。これは小径蛍光粒子が底面に積層することを示唆しており、上述の予想とは逆の結果であった。さらに液中の高分子の存在状態を把握するために粒子表面への高分子鎖の吸着量測定を行ったところ、ラテックス粒子表面とは異なり、二酸化チタン粒子表面には高分子鎖が物理吸着していることがわかった。しかし高分子吸着の事実のみでは上述の蛍光強度低下現象を説明することはできず、次年度以降さらに詳細な検討が必要である。

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

前年度までに構築した計測技術を密度が異なる異種粒子分散系へ適用し、従来の理論的予測では説明できない蛍光強度低下が乾燥中に現れることを見出している。実験事実の理論的な考察にはさらに詳細な検討が必要であるが、これは理論予測とは異なる積層構造が発現していることを示唆しており、乾燥による粒子積層現象を系統的に整理する端緒となる重要な発見であることから、研究はおおむね順調に進展している。

今後の研究の推進方策

大径粒子表面への高分子吸着が小粒子の表面偏析を抑制するとの実験結果を物理的に説明するため、高分子吸着量およびその吸着状態が異なる二酸化チタン/ラテックス粒子分散系溶液を調製し、その乾燥中の粒子積層状態を比較検討する。具体的には分子量あるいは分子構造の互いに異なる3種類の高分子を用いて粒子表面における吸着量測定と乾燥実験を進め、吸着量によって大径粒子の液中の充填構造は変化するのか、充填層間の空隙サイズと小径粒子径の比を変化させると積層状態は変化するのか、といった疑問を解決すべく系統的な実験を行う。

次年度使用額が生じた理由

使用する粒子をポリスチレンラテックス粒子からより安価な二酸化チタン粒子へ変更したため

次年度使用額の使用計画

H28年度も継続して二酸化チタン粒子を用いた実験を計画しており、粒子購入用の物品費として用いる。

  • 研究成果

    (7件)

すべて 2016 2015

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件、 謝辞記載あり 1件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 4件、 招待講演 1件) 図書 (1件)

  • [雑誌論文] Composition-depenjdent stress oscillations in a dilute suspension under shear2016

    • 著者名/発表者名
      Eunhye Jang, Hiroaki Koga, Yoshihide Mawatari, Hiroyuki Kage, Masato Yamamura
    • 雑誌名

      Journal of Chemical Engineering of Japan

      巻: 49 ページ: 6,9

    • DOI

      10.1252/jcej.14we437

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [学会発表] Two-step particle segregation in drying latex coatings2016

    • 著者名/発表者名
      Tomonori Tashima, Masato Yamamura
    • 学会等名
      18th International Coating Science and Technology Symposium
    • 発表場所
      Pittsburgh(米国)
    • 年月日
      2016-09-18 – 2016-09-21
    • 国際学会
  • [学会発表] Two-step migration of particles in drying suspension films2016

    • 著者名/発表者名
      Tomonori Tashima and Masato Yamamura
    • 学会等名
      20th International Drying Symposium
    • 発表場所
      岐阜
    • 年月日
      2016-08-07 – 2016-08-10
    • 国際学会
  • [学会発表] Research overview at Kyutech : Fluorescence imaging of drying films2016

    • 著者名/発表者名
      Masato Yamamura
    • 学会等名
      8th Asian Coating Workshop
    • 発表場所
      Seoul(韓国)
    • 年月日
      2016-05-12 – 2016-05-13
    • 国際学会
  • [学会発表] 粒子分散液の乾燥における小粒子の優先的表面偏析2015

    • 著者名/発表者名
      田島朋憲,山村方人
    • 学会等名
      粉体工学会西日本談話会
    • 発表場所
      福岡
    • 年月日
      2015-12-21 – 2015-12-21
  • [学会発表] Two-step Migration of Particles in Drying Latex Blend Suspensions2015

    • 著者名/発表者名
      Masato Yamamura
    • 学会等名
      31th International conference of the polymer processing society
    • 発表場所
      Jeju(韓国)
    • 年月日
      2015-06-07 – 2015-06-11
    • 国際学会 / 招待講演
  • [図書] 表面・界面技術ハンドブック2016

    • 著者名/発表者名
      山村方人
    • 総ページ数
      750
    • 出版者
      NTS

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公開日: 2017-01-06  

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