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

基本信息

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

项目摘要

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。

第一年，我们干燥了非挥发性油滴分散在水中的液体，观察了分散油滴的压缩过程，但今年我们干燥了固体细颗粒分散在水中的液体，观察了分散油滴的压缩过程。我们关注的是干燥过程中出现的固体颗粒。分散的油滴是“软的”，当水蒸发并压缩油滴时，连续相会变形，而固体颗粒是“硬的”，即使周围的水不蒸发也会变形。今年，我们特别研究了气液界面角度对颗粒填充表面形状的影响。先前的研究表明，当干燥颗粒分散液的液滴时，干燥后的颗粒膜的形状根据基材与气液界面之间的接触角而变化，但尚未对颗粒膜的形状如何变化进行详细的研究。随着时间的推移响应我们认为，这种知识对于控制成膜过程的质量至关重要，在任意设定气液界面的角度后，我们将颗粒分散体限制在狭窄的通道中，并通过干燥形成薄膜。直接观察过程。结果，在干燥开始时，颗粒膜平行于气液界面生长，但随着干燥的进行，颗粒填充表面（颗粒膜与分散液之间的界面）的角度沿液体流动发生垂直变化。我们推测，造成这种现象的原因是倾斜的颗粒填充表面改变了颗粒流动的方向，使得颗粒更容易积聚在通道的一侧。通过基于该假设进行定量分析，我们发现可以高精度地描述流路两侧的膜沉积速率的差异。通过这项研究，我们发现不仅气液界面的初始形状，颗粒填充表面的倾斜程度也是决定膜最终形状的重要因素。上述研究成果在化学工程师学会第88届年会上发表，同时也已提交给物理化学领域的国际期刊Physical Chemistry Chemical Chemistry，目前正在进行同行评审。