Development of nano-rheometry technology to elucidate relationship between application properties of gels and pastes and their microstructures

开发纳米流变技术来阐明凝胶和糊剂的应用性能与其微观结构之间的关系

基本信息

批准号：
21K18686
负责人：
高橋勉
金额：
$ 3.99万
依托单位：
Nagaoka University of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-07-09 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

ペーストやクリーム状の懸濁液・乳濁液は超低応力・低ひずみ領域において分散粒子や凝集体がジャミングを起こし，降伏応力を持ち，塗布膜の平滑性やインクジェット3D造形などの製品性能に重要な影響を与える.このような流体の流動および降伏特性に及ぼすナノからサブミクロンサイズの微細構造の影響を直接的に計測できる新たな技術として超高感度荷重センサによるナノ・インデンテーション試験を応用した構造解析技術「ナノ・レオメトリー」の手法と理論を構築し，レオメータにより求まるミクロン領域の平均的特性との比較から流体中の微視的構造と降伏特性の関係を明らかにする. 本研究は次の3つのステップに従って実施する.すなわち，(i)高性能回転型レオメータで測定可能なサブミクロン領域における降伏現象発生前のレオロジー特性の新たな評価方法の開発，(ii)超高感度荷重センサを搭載した最新かつ国内唯一のバイオ・ナノ・インデンテーション試験装置を用いたナノからミクロン領域のレオロジー特性評価方法の開発，そして(iii)レオメータによる体積平均的特性とインデンテーション試験による局所的特性の比較による内部構造変化の評価方法を開発し，これらを総合して「ナノ・レオメトリー」技術として体系化していく. 令和4年度は(ii)のバイオ・ナノ・インデンテーション試験により濃厚エマルジョンおよびハイドロゲルに対して球状圧子を押し込み，その後の引き剥がし過程における除荷曲線をJKRモデルで解析し，等価弾性係数および付着仕事を算出した.これらの値は試料の構造的な特性とよく一致を示し，ナノ・インデンテーション試験がレオメータで検知できない微視的構造の差異を評価できることを示した．

糊状和膏状悬浮液和乳液由于分散颗粒和聚集体在超低应力/低应变区域的堵塞而产生屈服应力，这会影响产品性能，例如涂膜光滑度和使用纳米压痕测试的喷墨3D打印。超灵敏载荷传感器是一种新技术，可以直接测量纳米到亚微米尺寸的微观结构对流体流动和屈服特性的影响。我们将建立“纳米流变测量”技术的方法和理论，并通过将其与流变仪测定的微米区域的平均特性进行比较，阐明流体中的微观结构与其屈服特性之间的关系。按照三个步骤进行：（i）亚微米区域击穿现象发生之前的流变特性，可以用高性能旋转流变仪测量； (ii) 开发纳米至微米范围内的流变性能评价方法，使用最新且唯一的国内生物纳米压痕测试设备，配备超灵敏负载传感器； iii) 我们将开发一种评价内部结构变化的方法；使用流变仪比较体积平均性能和使用压痕测试的局部性能，并将这些系统化为“纳米流变测量”技术。 2020财年，我们通过将球形压头注入浓缩乳液和水凝胶中进行了生物纳米压痕测试（ii），利用JKR模型分析了后续剥离过程中的卸载曲线，并计算了等效弹性系数和功。计算了粘附力。这些值与样品的结构特性非常吻合，表明纳米压痕测试可以评估流变仪无法检测到的微观结构的差异。