化学プロセス工学研究室
Research Projects –202４
山村 方人 教授
(Masato Yamamura, Professor)
九州工業大学工学部応用化学科〒804-8550福岡県北九州市戸畑区仙水町1-1
TEL:093-884-3344 FAX:093-884-3300

正門

応用化学棟
北九州市
（小倉）

キャンパスマップResearch Targets
研究分野：ソフトマテリアルプロセッシング(Soft Material Processing)
写真フィルム等に代表されるような薄膜製品を得るためには、液体層の厚みをナノメートルオーダーで制御した精密乾燥技術が必要とされる。
ところが高分子やコロイドのような「ソフトマテリアル」を含む液体はそのミクロ構造に起因して相分離(phase separation)、そり(curling)、発泡(boiling)といった複雑な構造変化を誘起する。本研究ではnm～mmスケールの微細構造を伴う薄膜をメートル幅の大面積で作成するための基礎学問分野をsoft material processingと名付け、その体系化を行っている

c.f. Vaessen et al., ISCST2002

Research Strategy
ソフトマテリアルプロセッシング（SMP)には、表面化学、高分子物理、熱力学、流体力学といった個々の学問知識を持つだけでなく、それらを相互に関連（リンク）させて理解していることが望ましい。本研究室では、下に示すようなinputとoutputとの関係を仮定し、それを実験、解析を通じて各自が検証する作業を行っている。この作業に参加した研究室卒業生は、卒業研究の中で得られた知識を、新しいリンク先と新しい矢印として、図の中に書き込む。

THEORIES(output)(input)Drier design
Flow rate
Temperature

NS Equation

macromicro

Phase distribution,
Surface roughness

Coater design
Flow rate

Boundary layer
thickness

Concentration/stressprofileWet thickness
Gas diffusionrate

Diffusion model

Fluid Dynamics
Free energy

Vapor
pressure

Relaxation
spectrum

Phase diagram
Flory-Huggins model
Friction modelInteraction
parameter

Self diffusion
coefficient

Diffusioncoefficients

Thermodynamics

Research Tree
相分離系乾燥速度の測定（森1997）

ギャップ乾燥による帯状構造欠陥の抑制（西尾2000）

相分離による乾燥速度の低下（堀内1998）

マランゴニ対流の可視化（永井2000)

ゾーン乾燥を用いた相構造制御（西尾1999）

ゾーン乾燥を用いた相構造制御（御厨2000）

対流による液滴配列（西尾1999）

対流による帯状構造形成（中村2001）

重量法による可視化・乾燥速度同時測定(栄開 2009)

対流による表面凹凸形成(河内2003)

表面凹凸の不動化(蒲原2004)

導電性フィルムの乾燥挙動（松本2009)
グラビア塗布流れの可視化（島田2008)

同時２層塗布による相分離膜形成（貞国2017）

せん断増粘液のリビング（近藤2017）
紫外線硬化を利用した構造形成(柳澤2005)

光重合フィルムの応力測定（岩崎2014)

核形成を伴う乾燥(増田2005)
シリカ多孔質体（佐藤2023）

粒子分散混合溶媒系の乾燥(中野2010)

溶媒種による乾燥促進効果の違い(折橋2008)

混合溶媒フィルムの粒子充填(古賀2011-)

界面活性ポリマによる乾燥促進(那須2009-2011)

粒子分散液の応力振動(張2013)

相分離による乾燥抑制(原田2009-2011)

粒子分散液のゲル化(萇野2014)

乾燥促進へ与える溶媒効果(藤下2012)粒子ゲルの乾燥(橋本2015)

重層膜における拡散（木下2022）

光重合フィルムの表面凹凸（永山2012)

粒子分散ゲルのクラック形成臨界条件（宇都宮2019）

応力発光を用いた可視化（松下2017）

応力発光粒子膜の乾燥可視化（楠本2021）高分子吸着を利用した均一粒子膜（明吉2021）

粒子分散ゲルの時間依存レオロ
ジー（大田2023）

混合溶媒中の粒子偏析（後藤2020)

反応誘起相分離を伴う乾燥(黒岩2015)

ジアセチレン溶液の乾燥(萇野2017)

電極スラリーのレオ
ロジーと電極特性（落合2023）

溶媒濃度勾配による構造制御（生田2016）

ポリジアセチレン
膜中の配向（小島2020）

アイオノマ溶液の擬共沸 （古味,2024）

光反応による非フィック型拡散（井上2023）

柱状構造形成（佐藤2023）

光反応が誘起する溶媒拡散（小方2018）
光反応による乾燥抑制促進（磯邉2019）

変形する複層弾性体に挟まれた流れ（笹田2010)
エマルションの接触線不安定（水野2012)PVA膜応力計測（山下 2008)

クラック遷移（小野 2007)

星状クラック（窪田 2008)

臨界クラック厚み（三宅 2010)

高分子吸着系の臨界クラック厚み（徳成2011)

メッシュギャップ乾燥器による２溶媒系乾燥(松永2009)

末端基による乾燥促進効果の違い（山川2008）

溶媒集積層の蛍光イ
メージング木村(2013)

薄膜内平均応力の計
測(井手 2006)

重量・熱流束同時測定(今村2009)

溶媒種による光誘起乾燥促進効果の違い(折橋 2006)

時間依存増粘現象（甲斐2016）

クラック形成の可視化(内之宮2005)

低分子界面活性溶液の乾燥(植木2008)

光配向を伴うMEK系の乾燥(小原2005)

逆拡散現象の可視化（貞国2016）

UV硬化を用いたリブパターン（甲斐2012）

熱電素子による乾燥計測(原田2005)

非可逆光異性化溶液の乾燥（別所2008)

重層膜の乾燥速度(山根2015)

高速カメラを用いたリブ減衰可視化（堀2011）

粒子による濡れ抑制(角2004)

熱流束測定による乾燥解析(小原2007)

重層膜の相分離川島(2013)

転写率のセル形状依存性（張2011）

粒子分散液滴の濡れ(那須2003)

光誘起分子配向による乾燥速度の増加(堀2004)環状ポリオレ
フィン溶液の拡散係数（小池, 2024）

間欠的掻き取りを伴う乾燥（笹田2011)

V溝グラビアセル上のリビング不安定（窪田2010）

粒子分散液滴の乾燥（御厨2002）

振動場における相分離(古川2006)

CB/PAIフィルムの導電性（松本2010)

平板グラビア転写率の一般式（平原2009）

ハニカムセルからの不完全転写（大石2014）

ギャップ乾燥速度の向上（井上2004）

通気乾燥時の乾燥促進効果（岡田2007）

粒子分散PIフィルムの乾燥（高橋2009)

表面凹凸不動化の数値解析（輪島2007）

ギャップ乾燥における界面活性ポリマー添加効果（吉原2005）

高粘度界面活性ポリマー溶液の乾燥（石松2007）

２溶媒系粒子分散液の乾燥(田中2008)

２層対流の可視化(輪島2005)

乾燥速度と構造形成のin-situ
計測（鈴山2003）

界面活性ポリマによる乾燥促進効果（吉原2007）

粒子によるフィルム表面被覆(田島2012)

凹凸緩和と拡散の競合(内之宮2004)

相分離による乾燥速度低下：ギャップ乾燥（迫本2002)

界面活性ポリマによる乾燥促進・抑制効果(平田 2006)

セル状多孔質構造の作製(落合2010)

乾燥誘起相分離の２次元数値計算（長瀬2001）

２次元乾燥計算（堀内2000）

重量法によるギャップ乾燥速度の精密測定（石本2003)擬共沸乾燥の数値解析（深野2016）

混合溶媒系臨界クラック厚み（中武2013)

混合溶媒系の特異乾燥挙動(平原2010-2011)

吸着/毛管力支配遷移（田原2014)

混合溶媒Nafion溶液の乾燥挙動(長2010)吸水性フィルムの相分離（大屋2013)

相分離を伴う混合溶媒フィルムの乾燥(畑山2011-)

液晶形成膜の乾燥（岡本2013)
液晶乳化エマルション
可視化（石松2018）

液晶相の乾燥誘起転移（井上2015)

擬共沸混合物の表面パターン（松本2016）

液晶相の形成と乾燥阻害（林2016）

吸水性フィルムの乾燥挙動（松本2017）

液晶相のせん断誘起配向（若元2017）

貧溶媒相分離を伴うフィルムの乾燥経路（庄司2019）
粒子最大充填密度（城2019）
黒鉛分散の偏析（森光2010/Lim2012)

液晶相転移を伴う乾燥（松尾2023）
CNC液晶フィルム（伊藤2022）
CNC充填率（高田, 2024）

黒鉛分散フィルム中のPL測定（天野2011)共役分子溶液のPLスペクトル測定（清水2014)

複合latexフィルムの偏析（田島2013)

異種ローダミンの乾燥誘起光増強（小島2017）

２段階粒子偏析（久保2015)

PEOシリカスラ
リーの粒子偏析（汐川2020)

混合溶媒中の高分子吸着によるクラック抑制（熊上2016）
粒子分散混合溶媒の最大応力（杉山2016）
共貧溶媒性を利用したクラック抑制（山口2017）
静電的高分子吸着によるクラック制御（美濃部2017）
液晶相によるクラック制御（下田2018）

液晶相によるクラック抑制（菅2023）

多孔質基材
上のクラック（前田2023）

超音波による弾性率測定（若山2023）
積層粒子膜のクラック形成 （野村, 2024）

シリカスラリーの偏析抑制（堀内2023)

クラックの可視化とその発生限界解析
In-situ visualization of cracking in drying particle-polymer composite coatings

目的Objectives

方法
Procedures

溶媒に伴う収縮ひずみの局所分布により膜内に発生する引張応力は、フィルムの反りやクラック形成の要因となる。本研究では通気・非通気条件におけるクラック形成過程のその場観察を行い、１次クラックの表面密度と既存クラックから伸びる２次クラックの表面密度との時間変化をそれぞれ実験的に求めることで、高速乾燥時に表面密度が低下する場合があることを明らかにした。
50ミクロン程度で塗布した液体膜を下方から60～100℃で加熱し、乾燥に伴うクラック発生・進展挙動を下方から顕微鏡下で観察する。透明加熱板の使用により膜上部の気流を乱すことなくin-situ可視化が可能である。

公表
Recent publications

Yamamura M. Ono H., Uchinomiya, T., Mawatari Y., KageH.,Multiple crack nucleation in drying nanoparticle-polymer
coatings, Colloids and Surfaces A: Physicochemical andEngineering Aspects, 342 (2009) 65–69
Suppressed cracking in drying nanoparticle-polymer coatings
at high Peclet numbers, Journal of Chemical Engineering ofJapan 43 (2), 209–213 (2010)

熱流束による乾燥速度測定法
Measuring drying rate using heat-flux method

目的
Objectives

乾燥速度計測には重量法、温度変化法、膜厚法、赤外分光法、共焦点ラマン法、ガスクロマトグラフィー法などがある。本研究では熱流束値から乾燥速度を算出する原理を提案するとともに、原理の妥当性を実験的に検証した。本測定法は振動に対してロバストであり且つ100μｍ以上の厚膜に適用できる局所計測法として有用である。

方法
Procedures

公表
Recent publications

溶媒蒸発に伴う潜熱移動量と、対流熱伝達に伴う顕熱移動量の和を基材に接着した熱流束センサで、また同測定点における温度変化を熱電対でそれぞれ計測することにより、熱収支式から単位時間、単位面積当たりの溶媒蒸発質量を求める。
Yamamura M. Ohara K., Mawatari Y., Kage H.,
Measuring the drying rate of liquid film coatings
using heat-flux method, Drying Technology, 27,
817-820 (2009）

凝縮（ギャップ）乾燥器内の乾燥挙動解析
Drying behavior in condenser dryer

目的Objectives

方法
Procedures

蒸発した溶媒を冷却面上で凝縮させ、液体として回収する凝縮（ギャップ）乾燥は、面内に均一な乾燥速度が得られる低環境負荷型の方式として有用である。本研究ではギャップ乾燥器内の溶媒乾燥速度がある条件下で１次元モデルによる予測値から乖離することを実験的に示した。更にその乖離を小さくするための装置工学的検討を行った。
液体塗布膜を下方から加熱し、蒸発した溶媒を上方に設置した溝付き冷却板で凝縮させた場合の乾燥速度を重量法によって測定する。更に凝縮面にナイロンスクリーンを設置し凝縮した溶媒を保持する。

公表
Recent publications

Drying behavior of thin liquid films in a condenser dryer
with a solvent-trapping screen, Chemical Engineeringand Processing, 48, 1427-1431 (2009)
Yamamura M., Ishimoto, S., Mawatari, Y., Kage, H.,
Transitions between condenser and airflow dryings ofthin film coatings, Drying Technology, 25(6), 993-997,
2007
Yamamura M., Inoue, T., Mawatari, Y., Kage, H.,
Drying-rate limit in condenser drying of thin film
coatings, Journal of Chemical Engineering of Japan,
39(8), 814-817, 2006

紫外線照射による乾燥速度制御
Light-tunable drying in photo-responsive solution coatings

目的

光異性化分子であるアゾベンゼンに直線偏光紫外線を照射すると、trans体からcis体へと光異性化すると同時に、偏光方向に対して垂直に配向する。本研究ではこの光異性化および分子配向に因って隣接する溶媒の乾燥速度が変化することを実験的に示した。これは局所的な乾燥速度の制御法として期待される。

Objectives

方法Procedures

アゾベンゼンをアセトンに溶解させた塗布膜をガラス基板上に形成し、ガス側拡散律速条件での乾燥速度を重量法によって測定する。紫外線偏光方向、光強度、溶液組成を変化させて、紫外線非照射時との乾燥速度変化を測定する。

公表
Recent publications

Yamamura M., Orihashi K., Mawatari Y., Kage,
H.,Light-tunable solvent drying in photoresponsive solution coatings, Drying Technology,
26, 97-100 (2008)

Experimental apparatus
DARK BOX“Light-tunable” drying concept
How does the photo-induced molecular motion alterneighboring solvent motion at air/liquid interface?
S-polarized

P-polarizedqysolvent
evaporation
orientation in xz planez

UV LIGHT SOURCE(365 nm)SHEET POLARIZER
ALUMINUMSAMPLESHIM
HEATERFRAMExorientation in xy plane
ELECTRONICTEMPERATURE BALANCECONTROLLERCOMPUTER

Samples: wet thickness 400 mm
AB/Acetone=1/40 (wt/wt)

マランゴニ流れによる表面凹凸形成
Surface roughening via drying-induced Marangoni flow

目的Objectives

方法
Procedures

公表
Recent publications

低粘度塗布液を高速で乾燥させると、表面に長波長の凹凸が生じる場合がある。従来の研究は静止した基板上の塗布膜を対象としており、走行している場合の解析はほとんどない。本研究では表面張力勾配によって駆動されるマランゴニ流れに着目し、ノズル直下を一定測定で移動する塗布膜表面における凹凸形成シミュレーションを行った。
ノズルからの熱風吹きつけに伴う物質移動係数・伝熱係数の空間分布を実験式を用いて表現し、膜内の温度・濃度分布を解くことで表面張力の局所分布を算出する。潤滑近似した運動方程式を温度・濃度場とカップリングさせて解き、表面形状の時間変化を求める。
Yamamura M., Uchinomiya, T., Mawatari, Y., Kage, H.,
Asymmetric surface roughness formation on moving nonisothermal liquid coatings, International Polymer
Processing, 22(1), 22-26, 2007
Yamamura M. Uchinomiya, T., Mawatari Y., Kage H.,
Drying-induced Surface Roughening of Polymeric
Coating under Periodic Air Blowing, AIChE Journal, 55(7),1648-1658 (2009)
Non-uniform thinning of polymeric coatings under
Marangoni stress, Journal of Chemical Engineering ofJapan, 43(1), 40–45 (2010)粒子による空気同伴開始の抑制
Postponed air entrainment in dilute suspension coatings

目的
Objectives

塗布速度を増加させるとある臨界速度で気/液/固３相界面（動的接触線）が不安定となり、Ｖ字型の空気膜が形成され、その先端から気泡が薄膜内部へと同伴されてしまう。本研究では、ある粒子径の球形粒子を塗布液へ添加すると、ある臨界粒子濃度において空気同伴が抑制される“粒子による接触線安定化効果”を新たに見出した。

方法
Procedures

鏡面のステンレス塗布ロール上に粒子分散液を塗布し、接触線を上方からＣＣＤカメラで観察する。粒子径・粒子濃度・塗布液粘度を変化させ、気泡が同伴し始めるロール速度を臨界速度と定義して測定する。

公表
Recent publications

Yamamura, M., Miura, H., Kage, H., Postponed air entrainment indilute suspension coatings, AIChE Journal, 51(8), 2171-2177, 2005
Yamamura M., Matsunaga, A., Mawatari, Y., Adachi, K., Kage, H.,
Particle-assisted dynamic wetting in a suspension liquid jet impinged
onto a moving solid at different flow rates, Chemical Engineering
Science, 61(16), 5421-5426,2006
Yamamura M., Assisted dynamic wetting in liquid coatings: a review,
Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 311 (2007) 55–60

水平温度勾配下での帯状構造形成
Flow-induced stripe pattern formation in phase separating fluids

目的Objectives

方法Procedures

薄膜表面にある臨界値以上の温度勾配が存在すると、３次元らせん流れ（マランゴニ対流）が発生する。このらせん流れの存在下で相分離が生じると、らせん流の軸に沿った方向に多数の液滴のペアが自己配列した規則正しい帯状相構造が形成されるものと期待される。本研究ではこのような帯状構造の形成機構を明らかにすることを目的としている
温度の異なる２つの水槽の上に、ガラス基板を橋かけ、基板両端間に一定の温度勾配を与える。この基板上にポリスチ
レン・ポリカーボネート・テトラヒドロフラン溶液を塗布し、乾燥過程で生じる規則構造を観察する。

公表
Recent publications

Yamamura,M., S. Nakamura, T. Kajiwara and K. Adachi Flow-induced
stripe pattern formation in phase-separating fluids, Polymer (in press)
Yamamura,M., K. Nagai, T. Kajiwara and K. Adachi,Stripe pattern
breakup in evaporating liquid layer on a plane with horizontal
temperature gradient,Chemical Engineering and Processing, 42, 395402, 2003

(Yamamura et al., Polymer, in press)

雰囲気湿度増加による２次相分離
Humidity-induced secondary phase separation

目的
Objectives

方法
Procedures

公表
Recent publications

多くの有機溶媒は乾燥雰囲気中の水蒸気を吸収し、夏場と冬場とで異なる製品特性を発現させる要因となる。特にテトラヒドロフラン(THF)は水と無限に可溶であり、雰囲気湿度によって曇り点がシフトすることが知られている。本研究では高分子-THF薄膜のラボ実験から、高湿度乾燥においてしばしば発生する「２次相分離」の形成機構を明らかにすることを目的としている。
風洞入り口に設置した加湿器からの供給ガス流量を調整することによって、乾燥中の雰囲気湿度をステップ的に変化させる。同時に重量法を用いて溶媒乾燥速度を測定する。
Yamamura, M., Mikuriya, T., Kajiwara T. and Adachi, K., Humidityinduced secondary phase separation in a multizone drier, Industrial
and Engineering Chemistry Research, 41, 4409-4413, 2002
Yamamura, T. Nishio, T. Kajiwara and K. Adachi, Evaporationinduced pattern formation in polymer films via secondary phaseseparation , Chemical Engineering Science, 57, 2901-2905, 2002

(Chemical Engineering Science, 57, 2901-2905, 2002)

溶媒乾燥と相分離の競合
Competition between phase separation and evaporation

溶媒乾燥に薄膜内に残る微細構造のサイズは、i)溶媒乾燥の時間スケールと、ii)構造形成の時間スケールとの比で決まる。高分子ブレンドでは、乾燥速度が大きくなると相分離が乾燥固化に追いつかず、小さな相分離構造が発現するものと期待される。本研究では「乾燥誘起相分離」を対象として、溶媒乾燥と相分離の競合過程モデリングに必要な基礎実験を行うことを目的としている。

目的
Objectives

方法
Procedures

重量法を用いて溶媒乾燥速度を測定する。熱風温度、熱風速度、雰囲気湿度などをステップ的に変化させることにより構造形成に支配的な乾燥領域を特定する。

公表
Recent publications

Yamamura, M., Nishio, T., Kajiwara T. and Adachi, K., Effect of
stepwise change of drying rate on microstructure evolution inpolymer films, Drying Technology, 19(7), 1397-1410, 2001

PC-rich droplet

2100mm

100mm

1012Reduced evaporation rate

100mm1相分離による乾燥速度の低下
Retardation of solvent evaporation due to polymer phase separation

目的Objectives

方法

熱力学的に安定な薄膜の乾燥挙動はよく理解されており、乾燥初期にはガス側境膜内拡散律速、乾燥後期には薄膜内拡散律速になることが知られている。これに対して相分離を伴う熱力学的に「不安定」な薄膜の乾燥機構はほとんど理解されていない。本研究では、この乾燥機構を実験的に明らかにすることで、高分子薄膜乾燥のプロセス設計に必要な基礎情報を提供することを目的としている。

Procedures

重量法を用いて溶媒乾燥速度を測定する。同時に薄膜内に発生する相分離構造の光学顕微鏡観察を行い、構造形成が溶媒拡散に与える影響を評価する。

公表

Yamamura, M., Horiuchi, K., Kajiwara, T., Adachi, K.
Decrease in solvent evaporation rate due to phase separationin polymer films, AIChE Journal, 48, 2711-2714, 2002

Recent publications

weight fraction of solvent to polymer(AIChE Journal, 48, 2711-2714, 2002)