Real-time Observation of Microstructural Dynamic Process in Colloidal Solution under Dilatant Phenomena

膨胀现象下胶体溶液微观结构动态过程的实时观察

基本信息

批准号：
21K13890
负责人：
赤田圭史
金额：
$ 2.75万
依托单位：
University of Tsukuba
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

多くのコロイド懸濁液はせん断に対して非ニュートン流体的な応答を示す。特にせん断応力を印加すると粘度が増大する特性はシアシックニング（ダイラタント）と呼ばれる。この現象はパイプの詰まりの要因となる一方、衝撃で硬化する特徴を活かした衝撃吸収材等への応用も見込まれてており，特性制御のための現象の機構解明が望まれる。シアシックニングはせん断を加えた動的なプロセスで発生するので，応力印加と物性計測を同時に行う必要がある。本研究ではX線透過レオメーターセルを使った粘度と小角X線散乱(SAXS)と極小角X線散乱(USAXS)の同時測定（Rheo-SAXS/USAXS）によって，リアルタイム構造観察によるシリカとポリマーの凝集プロセス解明に取り組んだ。実験の結果、粘度増加に伴いシリカが凝集した楕円形のfloc構造が形成され，流れに平行に整列し、粒子間隔も流れ方向に圧縮されていることが判明した。これはダイラタントの発生において，ポリマーによるシリカ粒子間の架橋が重要な要因であることを表す。本研究ではRheo-SAXS/USAXS測定に対してトリガーシステムを組み合わせることで、高速な時間分解測定を可能にした。この技術開発はこれまで未解明であったシアシックニングが発生する過渡現象を明らかにするものである。さらにピエゾ動作する自作せん断セルも開発し、μLの微小量サンプルに対して、せん断同時計測が可能になった。小角中性子散乱(SANS)から凝集構造の元素同定を、液中AFMからシリカ粒子の周囲の水和構造を明らかにし、ダイラタント現象の多角的な計測を実現した。

许多胶体悬浮液表现出对剪切的非牛顿响应。特别是，当施加剪切应力时粘度增加的性质称为剪切增稠（膨胀）。虽然这种现象是管道堵塞的一个原因，但它也有望应用于利用冲击时硬化特性的减震材料，并且希望阐明这种现象的机理以控制其特性。由于剪切增稠是通过施加剪切的动态过程发生的，因此有必要同时施加应力和测量物理特性。在本研究中，我们使用 X 射线透射流变仪池同时测量粘度、小角 X 射线散射 (SAXS) 和超小角 X 射线散射 (USAXS) (Rheo-SAXS/USAXS)，并我们实时观察二氧化硅和聚合物的结构，致力于阐明聚集过程。实验结果表明，随着粘度的增加，形成了二氧化硅聚集的椭圆形絮体结构，其平行于流动方向排列，颗粒间距在流动方向上被压缩。这表明二氧化硅颗粒之间通过聚合物的交联是膨胀体产生的重要因素。在本研究中，我们通过将触发系统与 Rheo-SAXS/USAXS 测量相结合，实现了高速时间分辨测量。这项技术的发展澄清了导致剪切增稠的瞬态现象，这是以前未知的。此外，我们还开发了一种利用压电工作的自制剪切单元，可以同时测量小至 μL 的样品的剪切力。我们使用小角中子散射（SANS）识别了聚集结构中的元素，并使用液体原子力显微镜阐明了二氧化硅颗粒周围的水合结构，实现了膨胀现象的多方面测量。