初学者のための実用レオロジー 第4回 サスペンションのレオロジー

Abstract

4 高橋 雅興 † （原稿受理：2021 年 9 月 2 日） サスペンション（液体中の固体粒子分散系）を，粒子間の 相互作用の違いにより 3 つの系に分類して，粒子の運動・ミ クロ構造形成とレオロジーの関係を解説する．今回対象とす るのはすべて球形粒子である．3 つの系は， （1） 剛体反発に よりランダム分布する系， （2） 静電反発で規則構造をとる系 （コロイド結晶） ， （3） 引力支配で凝集する系である． （1） につ いては，動的粘弾性に及ぼすブラウン運動と流体力学的相互 作用の影響を解説し，ずり流動における粘度増大（シア・ シックニング）とハイドロクラスター生成の関係をとりあげ る．また，濃厚サスペンションの最近の最大の話題である， 粒子密集・衝突によるジャミング転移や粒子接触の摩擦の問 題をとりあげる． （2） については，コロイド結晶の弾性率や 降伏応力，ずり流動による構造転移（すべり層や多結晶）と 特異な流動曲線について解説する． （3） については，見かけ の降伏応力や長時間緩和，さらに長時間端のニュートン流動 挙動について説明する．また，凝集構造の時間変化と関連す るチクソトロピーやレオペクシーについて基礎から解説する． 次回は，サスペンションの応用として，分散剤や高分子の 吸着による固体粒子の分散制御をとりあげる．実用的な立場 から，DLVO 理論による粒子間相互作用ポテンシャルとその 変化を解説する．大小の球形粒子から成る二様粒径分布の系 や，棒状・繊維状などの非球形粒子の系のレオロジーも次回 にとりあげる． 1 ある物質の微粒子が他の物質に分散しているとき，前者を 分 散 質， 後 者 を 分 散 媒 と い い， そ の よ う な 系 を 分 散 系 （disperse system）という．Table I に分散質および分散媒の形 態（固体，液体，気体）による分類を示す．Table I は分散 質のサイズを無視した実用的な分類である．サイズからは 100 nm（= 0.1 µm）程度まではコロイド分散系，それ以上は 粗粒子分散系というが 1) ，最近では 1 µm 程度までの大きい 粒子でもコロイドと呼ぶことが多い．サスペンション，エマ ルションは，粗粒子分散系の場合の呼び名で，コロイド分散 系ではサスペンソイド，エマルソイドという 1) ．しかし，最 近ではコロイド分散系の場合もサスペンション，エマルショ ンということが多く 1) 本講座でもそれに従う．Table I の身近 な例からもわかるように，分散系（不均一系）は対象範囲が 非常に広い．今回はサスペンションのレオロジーを，上記 3 つの系に分類して幅広くとりあげる． 2 本題に入る前に，サスペンションの粘度について基礎事項 をまとめる．まず粘度は，粘度 = ずり応力 / ずり速度で定義 され，粘度が一定の流体をニュートン流体という．以下， ニュートン流体の分散媒に固体の球形粒子が分散した系の粘 度について述べる．粒子の体積分率 ϕ のごく小さな希薄系 では，ずり流動によって球形粒子はずり速度の 1/2 の角速度 で回転する 1) ．この回転で粒子表面付近の流れが乱れて 1) ，そ れによる抵抗が生まれ，ずり応力が大きくなる．サスペン ションの粘度を η，分散媒の粘度を η m として，相対粘度 η r （= η/η m ）は，次の Einstein の粘度式で表される． η r = η/η m = 1 + 2.5 ϕ （1） η は η m より式 （1） で与えられる分大きくなるが，ずり速度に はよらず，サスペンションはニュートン流動する． ϕ が大きくなると粘度に影響を及ぼすのは， （a） 粒子のブ ラウン運動， （b） 流体力学的相互作用， （c） 粒子間相互作用の 3 つである．球形粒子ではブラウン運動（熱運動）として回 転拡散は対象にならず，並進拡散だけが対象になる．粒子の 半 径 a に よ っ て， ブ ラ ウ ン 運 動 の 重 要 性 が 変 わ る．a が 50 nm 以下では特に重要であり，500 nm 程度まではブラウ ン運動を考える必要がある．a が 500 nm 程度を超えると （粒子径 > 1 µm）ブラウン運動は無視してもよいようになる． 粘度に対する流体力学的相互作用の影響は，ϕ が大きいほど 粒子間距離が小さくなるので重要となる．ここで，流体力学 Table I 分散系の実用的な分類． 名 称 分散質 分散媒 身近な例 サスペンション 固体 粒子 液体 塗料，インク スラリー エマルション 液滴 液体 マヨネーズ 乳液，クリーム フォーム（泡） 気体 液体 固体 ホイップクリーム 発泡スチロール エアロゾル 液体 固体 気体 霧，液体スプレー 煙，粉体 347