粘弾性相分離の機構解明とその普遍性の検証

阐明粘弹性相分离机理并验证其普适性

基本信息

批准号：
14204038
负责人：
田中肇
金额：
$ 23.55万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
财政年份：
2002
资助国家：
日本
起止时间：
2002 至 2005
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-14204038/
关键词：
動的非対称性粘弾性相分離過渡的ゲル数値シミュレーション切断バネモデルコロイドの凝集流体粒子ダイナミクス法流体力学的相互作用高速3次元像観察構造形成ダイナミクスレーザ走査共焦点顕微鏡ネットワーク構造

项目摘要

我々は、高分子溶液系のような大きな分子と小さな分子を混ぜた混合系において、これまでに知られている相分離様式では説明できないまったく新しいタイプの相分離現象を見出し、実験・数値シミュレーション両面から研究を行ってきた。本研究では、粘弾性相分離における過渡的ゲルの形成という点に着目し、2つの異なる数値シミュレーション手法を用いて研究を行った。(1)過渡的ゲル状態がどのようにしてできるかを調べるため、最も単純な動的非対称系であるコロイド分散系の凝集過程について研究を行った。コロイド分散系の凝集過程において、あまり考慮されていなかった粒子間の流体力学的効果を取り入れるべく、新しい数値シミュレーション法を開発し、研究を行ったところ、流体力学的効果を含まないシミュレーションでは、局所的に凝集エネルギーを得するようクラスター状になるが、流体力学的効果を考慮した場合には粒子は数珠状に連結し、その結果、同じ粒子系であっても、低い濃度で凝集構造はネットワーク構造(過渡的ゲル)を形成することが分かった。(2)この過渡的ゲル状態をその長さに依存した確率で切断するバネを用いてモデル化し、粘弾性相分離の構造発展の様子を調べた。その結果、粘弾性相分離特有の相分離構造は、2つのパラメータによって特徴付けられることが分かった。1つめは核生成頻度と個々のドロップレットの成長速度に関するもので、2つめはドロップレットの異方的な形状に関するものである。核生成頻度が高い場合には、個々のドロップレットが成長する前に周囲の影響を受けるため、その結果できるネットワーク構造は密で均一である。一方、核生成頻度が低い場合には、ネットワーク構造は粗く多分散的になる。バネが外力に対して脆い場合には、マトリックス相の弾性変形を減らすよう、ドロップレットは亀裂状になる傾向があり、丈夫な場合には、応力集中を分散させるよう球状になる。

我们在大分子和小分子的混合体系（例如聚合物溶液体系）中发现了一种全新的相分离现象，这种现象无法用以前已知的相分离方法来解释，并且我们进行了实验和数值模拟。从那时起就一直在进行研究。在本研究中，我们重点关注粘弹性相分离过程中瞬态凝胶的形成，并使用两种不同的数值模拟方法进行研究。 (1)为了研究瞬态凝胶态是如何形成的，我们研究了胶体分散体系的聚集过程，这是最简单的动态不对称体系。为了将胶体分散体系的团聚过程中未考虑到的颗粒之间的流体动力效应纳入进来，我们开发了一种新的数值模拟方法并进行了研究，但是，当考虑到流体动力效应时，颗粒是相连的。结果发现，即使颗粒相同，在低浓度下也会形成网状结构（瞬时凝胶）。 (2) 我们使用弹簧来模拟这种瞬态凝胶状态，弹簧断裂的概率取决于其长度，并研究了粘弹性相分离的结构演化。结果发现，粘弹性相分离特有的相分离结构由两个参数表征。第一个涉及单个液滴的成核频率和生长速率，第二个涉及液滴的各向异性形状。当成核频率较高时，每个液滴在生长之前都会受到周围环境的影响，所得的网络结构致密且均匀。另一方面，当成核频率较低时，网络结构变得粗大且多分散。如果弹簧对外力较脆，则液滴往往会产生裂纹，以减少基体相的弹性变形；如果弹簧较强，则液滴会变成球形以分散应力集中。