Micro-Macro Numerical Flow Simulation of Coating flow for Concentrated Disclike Particle Dispersion Systems

Abstract

ディスク状粒子は,ナノコンポジットなどの複合材料の フィラーや,化粧品,塗料などへの機能性付加に利用されて いる.ディスク状粒子などの粒子分散系の流動特性や機能 性の発現は,流動中の粒子挙動と密接に関係するため,流動 中のディスク状粒子の挙動については,これまでに実験や 数値計算による研究が盛んに行われている.例えば,Brown と Rennieは単分散のディスク状コロイド粒子分散系のせん 断流れ下の構造について,中性子回折測定と中性子小角散乱 測定を行い,比較的高せん断速度では,ディスク面が速度 勾配方向に垂直な面内にあるように配向している層状構造 を取ることを見出した.また,Yasudaら 5) はスリット流路 におけるディスク状粒子の配向について実験と数値解析を 行い,スリット流の側面からの観察において見られた透明・ 不透明領域の境界の筋状パターンが,粒子の回転運動と関 連することを示した.Mengと Higdonはディスク状粒子を 球の集合体としてモデル化し,濃厚分散系におけるせん断 流下での粘度と配向相関関数,過渡的な凝集構造について 数値解析を行い,体積分率が高くなると,粒子は層状の配 向構造を取り,粒子の積み重なりが生じることを見出した. また,ブラウン動力学 (BD)法を用いたミクロシミュレーショ ンでは,Yamamotoら はディスク状粒子を扁平回転楕円体 で近似し,粒子間相互作用をポテンシャル関数で表現して, せん断流れの数値シミュレーションを行った.そして,せ ん断流れ中の粒子挙動や流動誘起構造の解析を行っている. 本研究では,ディスク状粒子分散系のコーティング流れ の数値シミュレーションを考える.ディスク状粒子分散系の コーティング流れは,工学的には機能性フィルムの成形過 程や化粧品,医薬品の塗布過程と関連する.ここでは,スロッ トコーティングと呼ばれる,押出し金型を用いた塗布工程を 対象とする.スロットコーティングは,種々の工業製品の 製造に広く使用されているコーティング手法であり,多く の研究が行われている(例えば,Romeroら とその引用文 献参照).非ニュートン流体のスロットコーティングの数値 計算による研究では,例えば,Tsudaら は,非ニュートン 粘性モデルに Ellisモデルを用いて,押出し金型内の非ニュー トン粘性流体の流れについて,スリットから吐出する吐液 の流量配分を簡便に解析することが可能な 1次元解析モデル を提案した.Romeroら は構成方程式に Oldroyd-Bモデル と FENE-CRモデルを用いて,有限要素法により,希薄高分 Micro-Macro Numerical Flow Simulation of Coating flow for Concentrated Disclike Particle Dispersion Systems