コロイド粒子を含む高分子溶液の「乾燥速度」はなぜ変わる？Why Do Polymer Solutions with Colloidal Particles Dry Differently?

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— 乾燥膜製造の基本メカニズムに迫る —

大学院生の田中さん（稲澤研究室）らは、コロイド粒子を含む高分子溶液の“乾燥速度（J）”がどのように変化するのかを詳しく調べました。

高分子溶液は、

  • 塗料
  • インク
  • 電池の電極スラリー
  • コーティング材料

など、多くの工業製品に利用されますが、「乾燥中に何が起きているのか？」については未解明な点が多くありました。

🔍 研究のポイント

1. 乾燥速度が落ち始める“臨界量”が存在する

乾燥界面に運ばれた高分子が ある一定量を超えると、乾燥速度が急に低下しはじめることが分かりました。

2. コロイド粒子が含まれると“もっと早く”乾燥が遅くなる

粒子の存在により、高分子が界面に集まりやすくなり、臨界量が小さくなる → 乾燥が早期に低下という現象が観察されました。

3. 条件の違う試料でも、乾燥挙動が1本の曲線にまとまる

粒子サイズ・高分子の種類・乾燥条件が異なっても、「初期乾燥速度」と「臨界量」でスケールすると、
すべての測定データが1本の曲線に重なるという普遍性の高い結果が得られました。

🌱 なぜ重要なのか？

乾燥はあらゆる材料製造のボトルネックであり、

  • 均一膜の形成
  • 乾燥欠陥（割れ・ムラ）の抑制
  • 生産効率の向上

に直結します。

この研究は、乾燥挙動の根本メカニズムを明らかにしたものであり、今後の製膜プロセス設計や材料開発に大きく貢献すると期待されています。

https://doi.org/10.1021/acs.iecr.5c00476

Why Do Polymer Solutions with Colloidal Particles Dry Differently?

— Uncovering the Fundamental Mechanism of Drying Kinetics —**

A research team led by Masahiko Tanaka and Prof. Susumu Inasawa
investigated how the drying rate (J) of polymer solutions changes when colloidal particles are added.

Such mixed solutions are widely used in real industries—
including paints, inks, coatings, and battery electrode slurries—
yet the drying kinetics has not been fully understood.

🔍 Key Findings

1. There exists a “critical polymer amount” that slows drying

The drying rate began to decrease sharply once the polymer transported to the drying interface reached a critical threshold.

2. Colloidal particles cause an earlier decline in drying rate

With particles present, the threshold became smaller,
meaning that drying slowed much earlier than in particle‑free solutions.

3. Universal scaling of drying behavior

When the data were rescaled by

  • the initial drying rate, and
  • the critical polymer amount,
    the time evolution of J for all samples—with different polymer types, particle sizes, and drying conditions—collapsed onto a single universal curve.

🌱 Why is this important?

Drying is a crucial step in manufacturing uniform films and coatings. Understanding the mechanism behind the drying slowdown will contribute to:

  • optimized industrial drying processes
  • improved coating quality
  • higher energy efficiency
  • prevention of defects in dried films

This work provides a unified description of drying kinetics and offers valuable insights for next‑generation materials processing.

Industrial & Engineering Chemistry Research

Cite this: Ind. Eng. Chem. Res. 2025, 64, 22, 10710–10718

https://doi.org/10.1021/acs.iecr.5c00476

Published May 19, 2025