田中優彦氏(BASE学府)の博士公聴会を下記の通りに開催します。ご興味ある方は、是非ご参加下さい。
2025年5月13日(火) 8:45 – 10:15 @L1151 (11号館5F)
「高分子を含むコロイド分散液の乾燥速度論」
We will be holding a doctoral thesis defense for Mr. Masahiko Tanaka (BASE Graduate School) as follows. If you are interested, please feel free to attend.
Date: Tuesday, May 13, 2025, 8:45 – 10:15
Location: L1151 (5th Floor, Building 11)
Title: “Kinetics of Drying of Colloidal Dispersions Containing Polymers”
Related News:
https://www.tuat.ac.jp/outline/disclosure/pressrelease/2023/20230609_01.html
狭い隙間からの水の蒸発は、少量のポリマー添加で阻害される
東京農工大学大学院生物システム応用科学府の田中優彦（博士後期課程2年）と工学研究院応用化学部門の稲澤晋教授は、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。
論文名：Drying kinetics of colloid-polymer suspensions confined in a two-dimensional geometry
著者名：Masahiko Tanaka and Susumu Inasawa
URL：https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2023.131693
現状
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。
研究成果
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*1）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（図1左）。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（図1右)。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。
今後の展開
コロイド粒子など微細な粒子が充填された膜の内部には、無数の狭い空隙が存在します（図2）。こうした狭い空隙であるからこそ、少量のポリマーが添加されただけで水の蒸発速度に大きく影響することがわかりました。狭い空隙内にどのようにポリマーが蓄積していくのか、水が蒸発する過程でポリマーが狭い空隙をどのように移動するのか、などを丹念に追跡すれば粒子膜内部でのポリマー蓄積分布や水の蒸発速度の制御が可能になると期待できます。また、狭い空間内でポリマーと水が共存することの新たな効果を検証する実験系としても有効です。
Figure 1 (Left): Evaporation rate of colloidal particle dispersion with added polymer. The blue, red, and green colors indicate different molecular weights of the added polymer. Additionally, ○, ◇, and △ represent different concentrations of the added polymer. × indicates the evaporation rate of the colloidal particle dispersion without added polymer. Figure 1 (Right): ○: Polymer aqueous solution (without colloidal particles), ◇: Colloidal particle dispersion (without added polymer), △: Colloidal particle dispersion with added polymer, showing the evaporation rate. As you move to the right in the figure, it corresponds to the progression of drying. The image in the left graph shows an electron microscope image of the actually filled colloidal particles. The diameter of a single particle is 110 nm.
Current Situation: When fine solid particles (colloidal particles) with a diameter of about 100 nm (1/10,000th of a millimeter) that float without dissolving in water are packed due to water evaporation, gaps of about 10 nm form between the particles, and further water evaporates from these gaps. A familiar example is when water is sprinkled on sand or soil, causing the scattered sand grains or soil to clump together. This is similar to the evaporation of water from the small gaps between the clumped sand grains or soil. In manufacturing, particles even smaller than sand or soil grains are frequently used. There are several studies on how water evaporates from these extremely narrow gaps. However, in manufacturing, solutions containing solid particles often include various other components such as polymers, and there have been no studies on how substances dissolved in water affect the evaporation of water from the narrow gaps between particles.
Research Results: When a small amount (less than 1% by volume) of polymer (polyvinyl alcohol*1) is added to an aqueous solution with dispersed silica (SiO2) particles with a diameter of 110 nm and dried, the evaporation rate of water decreases to about 1/10 of the initial rate over time (Figure 1, left). In contrast, the evaporation rate of the particle dispersion without added polymer hardly changes. Comparing the evaporation rates under different drying conditions: ① polymer aqueous solution (without colloidal particles), ② colloidal particle dispersion (without polymer), and ③ colloidal particle dispersion with added polymer, only ③ shows a clear decrease in evaporation rate (Figure 1, right). This result indicates that the coexistence of colloidal particles and polymer significantly inhibits water evaporation.
Future Developments: Inside membranes filled with colloidal particles and other fine particles, there are countless narrow gaps. It was found that even a small amount of added polymer significantly affects the evaporation rate of water due to these narrow gaps. By carefully tracking how the polymer accumulates within these narrow gaps and how it moves during the water evaporation process, it is expected to be possible to control the distribution of polymer accumulation and the evaporation rate of water within the particle membrane. Additionally, this serves as an effective experimental system to verify new effects of the coexistence of polymer and water in narrow spaces.