高分子ブレンドの流動を伴う相分離過程の数値シミュレーションの試み

摘要

新規単一高分子の開発が困難な現在，複数の高分子をブレンド，アロイ化あるいはコンポジット化することが高機能性高分子材料の開発の主流になりつつあり，また，リサイクルしやすい材料開発の一つの方法でもあるため，非常に多くの研究がなされている．高分子ブレンド，アロイ材料からなる高分子製品が優れた機能を発現するには，高分子成形加工での相分離過程や得られる相構造を予測，設計し，界面反応などを制御する必要があるが，組成比，粘度化，界面張力や材料の物理化学的相互作用など多様な因子が複雑に影響しあっており，機能を発現する構造を自由に設計し制御するのは困難である．特に，流動下では，高分子の粘弾性により相図がシフトして相溶化する場合や相分離する場合などが実験的に報告されており，プロセスで相構造を制御することは難しい．Okamotoらは押出機内等の高温，高せん断流動場では平衡状態で相分離する状態であっても，相図がシフトして均一混合され，スピノーダル分解をおこしながら微細な分散化が生じている可能性を報告している．高分子成形加工では，流動·変形の影響が非常に強いため平衡状態とは大きく異なる状況で多様な相構造が形成されるが，その理論的な検討は十分ではないのが現状である．この原因としては，従来の理論的研究では粘性流体が中心であり，高分子成形加工に適用する場合，重要と考えられる高分子の粘弾性特性と相構造との関係が考慮されている研究が少ないことが上げられる．本研究は流動変形，温度により，成形加工レベルで相構造制御を行うCAE技術の構築を目標としているが，本報告では，高分子の粘弾性を含む自由エネルギーを考慮した，DoiとOnukiらの二流体モデルを拡張したClarkeとMcLeishらの修正Cahn-Hilliardモデルを用いて，単純せん断流動場での相図の変化および相構造変化を数値解析し，異方性の粘弾性応力の影響を検討した．結果として粘弾性流動場において法線応力差が著しく支配的な系では，法線方向に著しく配向した構造に発展していく可能性を示した．