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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。

A variety of liquid suspensions are available for non-liquid applications. The viscosity increases due to the increase in breaking force. The main causes of this phenomenon, such as shock hardening characteristics, shock absorption materials, etc., are discussed. The mechanism of characteristic control of this phenomenon is also discussed. It is necessary to carry out the measurement of physical properties at the same time In this study, X-ray transmission and X-ray scattering viscosity, small-angle X-ray scattering (SAXS) and minimum-angle X-ray scattering (USAXS) and simultaneous measurement (Rheo-SAXS/USAXS) were studied. As a result, the viscosity increases, and the aggregation of particles forms a floc structure. The flow is parallel to the flow direction, and the particle spacing is compressed. The bridge between particles is an important factor in the development of this phenomenon. In this study, Rheo-SAXS/USAXS measurements were performed in combination with high-speed temporal decomposition measurements. The development of this technology has not yet been explained. This is the first time that a single measurement is possible. Small angle neutral-particle scattering (SANS), aggregation structure, element identity, liquid AFM, and polyangular measurement of particle structure are realized.