任意波形電場刺激によりエレクトロレオロジー流体の過渡応答と粒子凝集モデルの検討

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1.粒子分散系エレクトロレオロジー(ER)流体における電場下での粒子の凝集は、誘電体粒子対の双極子-双極子相互作用に基づく考えでは、粒子を凝集させる電気的な引力及びこの凝集を妨げるせん断力との競合で生ずると考えられる。しかし、粒子の凝集過程を反映すると考えられるER効果の電場応答時間のせん断速度依存性は、上に記したモデルからの予測とは逆の依存性を示すことを報告している。本研究では、粒子分散系ER流体の任意波形電場刺激に対する応力の過渡応答をさらに計測して、得られた電場応答時間のスケーリング挙動を調べることによって、粒子の凝集モデルを検討した。主な研究成果を、以下に示す。2.試料流体として、強酸性イオン交換樹脂をシリコーンオイル(η=0.02,0.3Pa・s)に30wt%で分散させた系を用いた。一定せん断速度(γ<5 s^<-1>)で変形する試料流体に任意波形(階段状、または正弦波)電場を印加し、電場印加後の応力の過渡応答を平行板型粘度計によって計測した。(本報告では、階段状電場の結果を示す。)電場の印加は、信号発信器から出力された電圧波形を、高出力増幅器によって十分な広帯域で増幅して行った。3.一段の階段状電場刺激に対する応力の応答は、3つのモードによる指数関数型の応答で良好に表現できた。また、電場強度及びせん断速度を変えて測定した各モードの応答時間τi(i=0-2)とせん断速度の積をMason数(Mn=ηγ/2ε_cε_0β^2E^2)に対してプロットした結果、γτiはMnによって良好にスケールされる結果が得られた。ここで、β=(ε_p-ε_c)/(ε_p+2ε_c)であり、ε_c及びε_pは、それぞれ分散媒及び分散粒子の比誘電率、ε_0は真空の誘電率、Eは電場強度である。多数の粒子対を考慮した動力学シミュレーションの結果、応答時間はMnのみならずγ^<-1>に依存することが示唆されており、本実験結果と定性的には矛盾しないことが明らかとなった。