(From Inasawa Lab) 液体のりとしても使われている高分子（ポリマー）を添加すると、水が狭い隙間から蒸発する速度を著しく低下させることを明らかにしました。様々なものづくりで用いられる固体粒子とポリマーを同時に混ぜた分散液の乾燥では、粒子間の狭い空隙から水が蒸発します。この成果は乾燥工程での粒子膜形成の制御に役立つことが期待されます。Adding a polymer (high molecular weight) used as a liquid adhesive significantly reduces the rate of water evaporation from narrow gaps. In the drying of a dispersion in which solid particles and polymers used in various manufacturing processes are mixed simultaneously, water evaporates from narrow gaps between particles. This achievement is expected to be useful for controlling particle film formation during drying processes.
Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2023.131693
水の中に溶けずに浮遊している直径100 nm（1mmの1万分の1）程度の微細な固体粒子（コロイド粒子）が水の蒸発等によって充填されると、粒子の間に10 nm程度の隙間が生じ、この隙間からさらに水が蒸発していきます。身近な例では、砂や土に水を撒くと、バラバラであった砂粒や土がまとまります。このまとまった砂粒や土の小さな粒の間から水の蒸発が起こることに似ています。ものづくりでは砂や土の粒よりもさらに小さい粒子を頻繁に用います。この極めて狭い隙間から水がどのように蒸発していくのかについては複数の研究例があります。しかし、ものづくりでは、固体粒子にポリマーなど様々な他の成分を加えた溶液を使用することが多く、水に溶けている物質が、粒子間の狭い隙間から水が蒸発する際にどの程度影響するのかについては検討例がありませんでした。
直径110 nmのシリカ（SiO2）粒子が分散した水溶液に少量（体積分率で1%未満）のポリマー（ポリビニルアルコールを添加し乾燥させると、水の蒸発速度は時間の経過とともに初期の1/10程度まで下がりました。これに対し、ポリマーを添加しない粒子分散液では蒸発速度はほとんど変わりませんでした。乾燥条件を変えて、①ポリマー水溶液（コロイド粒子なし)、②コロイド粒子分散液(ポリマーなし)および③ポリマー添加コロイド粒子分散液の蒸発速度を比較すると、③のみ明確に蒸発速度が低下することがわかりました。コロイド粒子とポリマーが共存することで、水の蒸発が著しく阻害されることを示す結果です。
When fine solid particles (colloidal particles) with a diameter of about 100 nm (one ten-thousandth of 1 mm) that are suspended in water without dissolving are filled by water evaporation, etc., gaps of about 10 nm occur between the particles, and water evaporates further from these gaps. In familiar examples, when water is sprinkled on sand or soil, the scattered sand grains or soil clump together. This is similar to the evaporation of water from the small gaps between the clumped sand grains or soil particles. In manufacturing, even smaller particles than sand or soil particles are frequently used. There are several research examples on how water evaporates from these extremely narrow gaps. However, in manufacturing, solutions containing various other components such as polymers are often used in addition to solid particles, and there have been no studies on how substances that dissolve in water affect the evaporation of water from narrow gaps between particles.
When a small amount (less than 1% by volume) of polymer (polyvinyl alcohol) was added to a water solution in which silica (SiO2) particles with a diameter of 110 nm were dispersed and dried, the rate of water evaporation decreased to about one-tenth of the initial rate over time. In contrast, the rate of evaporation did not change significantly in particle dispersion without polymer added. When comparing the rate of evaporation under different drying conditions for (1) polymer solution (no colloidal particles), (2) colloidal particle dispersion (no polymer), and (3) polymer-added colloidal particle dispersion, it was found that only (3) clearly reduced the rate of evaporation. This result shows that the coexistence of colloidal particles and polymers significantly inhibits water evaporation.
