粒子安定化エマルションの電荷濃度が乾燥起因の油滴合一に及ぼす影響のメカニズム解明

阐明颗粒稳定乳液中电荷浓度对干燥诱导油滴聚结的影响机制

• 批准号: 21J10968
• 负责人: 安倍 紘平
• 金额: $ 0.96万
• 依托单位: Tokyo University of Agriculture and Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-28 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21J10968/
• 关键词: 乾燥の速度過程; 粒子安定化エマルション; 液滴変形と合一; 乾燥による圧縮; 膜形成の不均一性; エマルション内の電荷密度; 粒子間相互作用; 乾燥; 圧縮による変形と合一; 電荷濃度; 乾燥の速度過程; 粒子安定化エマルション; 液滴変形と合一; 乾燥による圧縮; 膜形成の不均一性; エマルション内の電荷密度; 粒子間相互作用; 乾燥; 圧縮による変形と合一; 電荷濃度

初年度は水中に不揮発性油滴が分散した液を乾燥させ、分散油滴の圧縮過程を観察したが、今年度は水中に固体微粒子が分散した液を乾燥させ、乾燥途中でおこる固体粒子の圧縮・充填過程に着目した。分散油滴は"柔らかい"ため連続相も水が蒸発して油滴が圧縮されると油滴が変形するのに対し、固体粒子は"固い"ため周囲の水が蒸発しても粒子は変形しない。今年度は特に、気液界面の角度が粒子充填面の形状に及ぼす影響について検証した。先行研究では、粒子分散液の液滴乾燥では基板と気液界面とがなす接触角の大きさに応じて乾燥後の粒子膜形状に違いが生じることが分かっているが、気液界面の角度に応じて粒子膜の形状がどのように時間変化しているのかについては詳細な研究がなされてこなかった。成膜プロセスの質を制御するうえではこのような知見が必要不可欠であると考え、気液界面の角度を任意に設定したうえで粒子分散液を狭い流路内に閉じ込めて、乾燥による成膜過程を直接観察した。その結果、乾燥初期では粒子膜は気液界面と平行に成長していたのに対し、乾燥が進むにつれて粒子充填面 (粒子膜と分散液との間の境界面) の角度は液流れ方向に対して垂直に変化した。このような現象が起こる原因として、傾いた粒子充填面によって粒子の流れる方向が変わり、流路の片側サイドに粒子が溜まりやすくなるためであると仮説を立てた。この仮説に基づき定量的な解析を行うと、流路の両サイドにおける成膜速度の差を精度良く記述できることを示した。本研究により、気液界面の初期形状だけでなく粒子充填面の傾き度合いも膜の最終的な形状を決めうる重要な因子であることを見出した。以上の研究内容で、化学工学会の第88年会で発表を行い、また、現在物理化学分野の国際ジャーナルであるPhysical Chemistry Chemical Physics誌に投稿し、現在査読を受けている最中である。

在第一年，将非易失性油滴分散在水中的液体，并观察到分散的油滴的压缩过程。今年，将细固体颗粒分散在水中的液体被干燥，重点是压缩和填充在干燥过程中发生的固体颗粒。由于分散的油滴是“软”的，因此当水蒸发和油滴被压缩时，连续相也会变形，而固体颗粒则“硬”，因此即使周围的水蒸发，颗粒也不会变形。今年，我们专门研究了气体界面角度对颗粒填充表面形状的影响。先前的研究表明，在干燥颗粒分散液的液滴时，干燥后的颗粒膜的形状取决于底物和气体液体界面之间接触角的大小，但是没有对粒子膜在时间上如何变化的详细研究，取决于气体 - 液体界面的角度。考虑到这种知识对于控制膜形成过程的质量至关重要，因此将气体界面的角度设置为任意设置，并将粒子分散量限制在狭窄的流动路径中，并且通过干燥直接观察到膜形成过程。结果，尽管颗粒膜在干燥开始时与气体液体界面平行生长，但随着干燥的进行，颗粒填充表面的角度（颗粒膜和分散体之间的边界）垂直于垂直于液体流动方向。我们假设这种现象的原因是，颗粒流动的方向取决于倾斜的颗粒填充表面，从而使颗粒更容易在流动路径的一侧积聚。基于此假设的定量分析表明，可以准确地描述流动路径两侧膜形成速度的差异。这项研究发现，不仅气液体界面的初始形状，而且充满粒子填充表面的倾斜度也是可以决定膜最终形状的重要因素。通过上述研究，该演讲是在化学工程学会的第88届年度会议上进行的，还被发布到《物理化学物理学》杂志上，该杂志是物理化学领域的国际杂志，目前正在接受同行评审。