【実測シリーズ】ポータブルレオメータによる測定例_周波数依存からみる緩和挙動

前回に続いて、

【実測シリーズ】Surfgauge 試作室_ハンディな ポータブル レオメータ 

にて紹介した、ハンディレオメータの測定事例を紹介いたします。

レオメータによる動的粘弾性の測定は、上記での投稿でお見せした動画のように、

正弦振動により、材料にひずみを与えます。

一般にレオメータは、この振動の振幅と、周波数を変化させることができます。

そこで、レオメータの主な測定と評価方法は、以下のようなものがあります。

１）振動の周波数を固定し、振幅を、小から大へ変化させていくことで、主に、

降伏点前と、後での材料の応答性の変化を観察する。

２）周波数も、振幅も固定で、時間の経過に伴う材料の変化を観察する。

前回投稿の、接着剤の硬化過程の観察がこれにあたります。

３）周波数も、振幅も固定で、温度を変化させたときの材料の変化を観察する。

４）振幅を固定し、周波数を変化させることで、材料の緩和挙動を観察する。

まずこちらの動画をご覧ください。

いわゆるシリパテを、ゆっくり引っぱったときと、素早く引っぱったときの挙動の

違いを撮影したものです。

素早く引っぱったとき、シリパテは伸びることなく、ブチっとちぎれてしまい、

その断面は平らで、その面もエッジが立っていることがわかると思います。

一方で、ゆっくり引っぱると、シリパテは伸びるとともに、タラーっと垂れて

いきます。

前者は、まさに固体的な挙動であり、後者は、液体的な挙動です。

この様子を、レオメータの測定でどのように表現できるのか。

この時、材料の、緩やかな動きへの応答性と、素早い動きへの応答性を見るため

に、上記、４）の測定方式を試してみます。

結果は、以下の通りです。

横軸　：周波数 [Hz]

左縦軸：貯蔵・損失弾性率 [KPa]

右縦軸：位相差 [°]

赤曲線：貯蔵弾性率、青曲線：損失弾性率、黄曲線：位相差

低周波数から高周波数に向かって、弾性率が文字通り、けた違いに増加している

ことがわかります。

つまり、かたくなっているということになります。

実際、シリパテをゆっくり引っぱったときは、力を必要とせず、抵抗感なく

引っぱることができました。

一方で、素早く引っぱるときは、手に力が入り、抵抗感も感じました。

過去の投稿でも書きましたが、

かたい = 固体、やわらかい = 液体 

は、必ずしも成立しないことがあります。

では、タラーっと垂れる流体的な挙動と、断面が平らで、エッジがっている

という固体的な挙動については、このデータからどのように見ることができる

のでしょうか。

もう少し高周波数まで測定を行えばよかったのですが、いずれにしましても、

グラフからは、高周波数に行くほど貯蔵弾性率の支配性が増し、つまり固体的な

応答をしていることがわかり、

低周波数に行くほど、損失弾性率の支配性が大きく増していっている、つまり

液体的な応答をしていることがわかります。

ここで、このグラフの横軸は周波数、つまりは速度ということになるため、その

逆数は時間になります。

与えているひずみ（振幅）が一定であれば、弾性率の変化は、応力の変化という

ことになりますので、この弾性率のグラフは、緩和曲線とみることができます。

緩和している状態とは、貯蔵成分が限りなく消失している状態といえます。

通常の応力緩和試験では、応力の抜け具合はわかりますが、貯蔵成分の残留に

ついては、明確にはわかりません。

動的粘弾性測定を用いれば、損失成分と、貯蔵成分の値を比較したり、位相差の

値から、これがわかります。

また、ある時間における緩和状態を知りたい場合、通常の応力緩和試験では、

短時間から通貫して、その時間まで緩和試験を行わなくてはなりませんが、

動的粘弾性を用いれば、その時間の逆数となる周期、一点を測定すればよいと

言えます。

なお、緩和については、過去の投稿、

粘弾性について５）_緩和について

【実測シリーズ】緩和時間の測定

などをご参照ください。

動的粘弾性測定の、情報量が多く、興味深い一面が見れたように思いますが、

いかがでしたでしょうか。

ここまで読んでいただき、ありがとうございます。

【実測シリーズ】ポータブルレオメータによる測定例_硬化挙動評価

前回投稿の【実測シリーズ】Surfgauge 試作室_ハンディな ポータブル レオメータ

にて紹介した、ポータブルレオメータによる測定例を紹介いたします。

今回、シリコーン樹脂系弾性接着剤の硬化挙動について、測定を行いました。

下図、測定結果になります。

横軸　：時間 [分]

左縦軸：貯蔵・損失弾性率 [KPa]

右縦軸：位相差 [°]

赤曲線：貯蔵弾性率

青曲線：損失弾性率

黄曲線：位相差

測定開始時は、損失弾性率が貯蔵弾性率を大きく上回り、位相差も90°近辺の

値を示していることから、試料が液体状態であることがわかります。

35分くらいの時点で、位相差が45°を示し、貯蔵・損失弾性率のグラフが

クロスしています。

ここで、液体から固体への遷移点として、硬化時間の判定として定義するという

使い方ができます。

この接着剤を使用する場合、30分程度は、接着面が動かないように固定しておく

必要がありそう、といったような判断ができそうです。

その後、緩やかに位相差が低下し、弾性率が上昇していくことで、完全に固定化

していく様子がわかります。

動的粘弾性の測定は、弾性率をかたさの情報にくわえ、貯蔵・損失成分に、成分

わけできるため、非常に多くの情報を与えてくれます。

動的粘弾性の測定原理については、過去の投稿

粘弾性について６）_動的粘弾性の測定原理

をご参考いただければと思います。

また近々、周波数依存の測定を行った例をご紹介させていただければと思います。

ここまで読んでいただき、ありがとうございました。

【実測シリーズ】Surfgauge 試作室_ハンディな ポータブル レオメータ

 以前の投稿、

「【実測シリーズ】Surfgauge 試作室_ハンディなポータブル レオメータの提案」

にて、ポータブルレオメータの試作機を紹介させていただきました。

ポータブル機器として、より使い勝手の良さを検討し、量産試作が完成いたしました。

外観と、サイズ感は以下のような感じです。

機能と特徴は、

１）

使い勝手を考慮し、ひずみ量と周波数は、有段で設定変更できるようにしています。

側面の上方に設置しているボタンで、それぞれ数段階の切り替えが可能です。

２）

ディスプレイを本体に搭載し、

    ・弾性率（複素、貯蔵、損失）

    ・位相差

    ・周波数

    ・ひずみ量

が、表示されます。

測定しながら、リアルタイムで確認することができますので、検査などの現場使いに

適していると思います。

（弾性率のシンボルに「G」が使用されていますが、この装置は、縦ひずみでの測定の

ため、「E」に変更予定です。。。）

３）

測定子については、

　・円板型のピストン2種（大、小）

　・その他（ピン型、円すい型、ナイフエッジ型）

等に対応しています。

円板型のピストンについては、ピストンの断面積と荷重値から応力が算出され、サンプル

の厚みも計測されますので、弾性率[Pa]、ひずみ量[-]の出力が可能です。

その他の測定子については、荷重値[N]と、変形量[mm]から、弾性係数を[N/mm]と

して出力します。

４）

押し込みのモードと、引き上げの両モードを備えました。

押し込みモードは、材料の弾性率の測定に。

引上げモードは、塗装面などの上でそのまま測定することで、塗膜の硬化課程などを

調べることができます。

５）

弾性率だけでなく、位相差のキャリブレーションに対応しています。

レオメータを知っている方にとっては、これは気になるところではないでしょうか。

なお、完全なひずみ制御を採用しているため、変位量については、キャリブレーション

不要です。

６）

以前、紹介した試作機からアクチュエータを変更し、より小さなひずみ量の制御が可能

となりました。

動きがわかりやすいように、かなり大きな振動を与えてますが、切り取った除振パッドを

大ピストンを用い、測定している動画です。

周波数を、適当に切りかえています。

動作の確認、調整のため、いろいろな試料を測定していますが、やはり動的粘弾性の

測定は非常に興味深く、面白いです。

測定例なども、この場であげさせていただき、シェアさせていただければと思います。

主に品質検査などに活躍できるのではないかと期待をしています。

ここまで読んでいただき、ありがとうございました。

【実測シリーズ】Surfgauge 試作室_ハンディな ポータブル 表面張力計の提案_その２

以前、

「【実測シリーズ】Surfgauge 試作室_ハンディな ポータブル 表面張力計の提案」

と題した投稿で、現場志向のハンディな表面張力計を提案いたしました。

マイクロヘッドを手で回すときに、装置に振動が伝わってしまい、安定した液滴の

滴下をそがいし、ばらつきを生み出す要因になっていました。

当時、この点を改善しないことには、商品化は難しいとの判断に至りました。

最終的に、装置を自動化することで、測定者の動作を最小限にすることで、解決

することができました。

以下、測定中の動画です。

（動画の右下の設定で、画質を変更すると、多少鮮明になります）

動画内容を解説しますと、

・試料を入れた、ディスポタイプのシリンジをセットします。

・流量の設定（3段階）を選択し、一定量、液滴を滴下します。

・滴下を止めると、表面張力値が表示されます。

以前の投稿でも述べましたが、

現場で、簡便に、手早く、測定可能な表面張力の測定機器は、色々な制約があり、

実現が難しいと考えられました。

この装置で解決できると思います。

近日、リリースを予定しております。

ここまで読んでいただき、ありがとうございました。

【実測シリーズ】Surfgauge 試作室_ハンディな ポータブル 表面張力計の提案

 

久々の投稿となります。

さっそくですが、例えば品質管理の現場などで、表面張力の測定がサクッと行えたら

よいなと思ったりします。

表面張力の測定方式の多くは、試料と接触する、装置のセンサシステムの一部となる

測定子を介して測定が行われます。

得てして、測定子は試料液体に対して、よく濡れることが担保されている必要があり

ます。

そのため、測定前に測定子の前処理が必要となったり、使用後には、極力すぐに、

しっかりと洗浄を行い、試料を除去し、保管を行う必要があります。

結果、おそらく、試料を抜き取り、ラボに持ち込むなどし、表面張力の測定を行って

いる、というケースが多いのではないかと思います。

この点を解決することで、より現場に近いところで、表面張力の測定が実現できる

のではないかと、考えてきました。

以下のような方法はいかがでしょうか？

解説しますと、ディスペンサになっている、マイクロメータヘッドを回転させ、液滴を

数滴、ポタポタとシリンジから滴下させます。

滴数は測定者の任意になります。

滴数が多い方が、再現性は良いと思います。

滴下が終わり、左手の親指を離すと、表面張力値が表示されます。

シリンジは、試料の変更とともに取り替えていただきますが、ディスポでも良いかも

しれませんし、後でまとめてガラガラと洗浄してもらっても良いかと思います。

ちなみにこの試作機は、乾電池でも動作いたしますので、場所を選ばず、現場で

試料をシリンジで吸い取り、その場でポタポタ滴下させるだけ。

以上のようなご利用のシーン、ございませんでしょうか？

ここまで読んでいただき、ありがとうございました。

【実測シリーズ】Surfgauge 試作室_ハンディな ポータブル レオメータの提案

いい加減、コロナ禍の閉塞感を感じている方も、いらっしゃるのではないかと

思いますが、いかがお過ごしでしょうか。

現在、今回のタイトルにある、ハンディタイプのレオメータを開発中です。

概ね、システムは仕上がってきたため、実機の動作確認も兼ねて、アプリケーション

として考えられる対象物を、測定してみる、ということを行っています。

少し近い物性の測定器では、粘度計や、硬度計。

これらは、ハンディでポータブルなタイプの測定器が上市されています。

しかし、これまで、手持ちサイズで、動的粘弾性の測定が可能な装置は、まったく普及

されていないように見受けられます。

どのようなところにニーズがあるかは、他のポータブル測定器と同じであるかと

思いますが、一般的には、例えば、

・サンプルが切り出せない（大きい、ラボの外部・遠方にある など）

・現象を測定器上で再現するのではなく、現場で起きている、そのままの現象を

　測定したい

・経時変化が著しく、その場で、すぐに測定する必要がある

・品管などで、汎用的に使いたい

などでしょうか。

とりわけ、動的粘弾性の測定に関していえば、例えば、

塗料や接着剤の硬化過程を、塗布面から直接測定したい。

とか、

食品関係では、食感と粘弾性に、深い関連性がある、米、もち、かまぼこ、ゼリー

などを、調理・加工後、すぐに測定したい場合、

また、

ドウ（パンの生地）のように、練ってから、測定するまでに過発酵してしまい、

すると、テクスチャが変わってしまうため、時間が命だったりする食材など。

その他、

肌、筋肉など、人体を構成する部位の測定。

他にも、色々とニーズはあるかと思います。

ここで、装置を紹介したいと思いますが、

装置のサイズ感、外観は、以下のようなものになります。

装置下面を、任意のサンプル表面に接触させて、測定を行います。

下面には、縦方向に正弦周期的にひずみを与える測定子が備えられており、変形を

与えると同時に、周期的に変化する荷重値を測定します。

変位と荷重の正弦波が得られると、粘弾性の解析が可能になりますが、よろしければ、

概要は、過去の投稿、

粘弾性について６）_動的粘弾性の測定原理

をご参照いただければと思います。

なお、測定子については、

形状は、ピン状のもの、球面状のもの、平面状のものなど、

また、これらのサイズを細い・太い、小さい・大きい 

を用意しており、測定対象の性質や、かたさなどから、適切なものを選択できる

ようにしています。

ここからは、測定例の一部を紹介したいと思います。

以下は、接着剤の測定例です。

○・・・貯蔵弾性成分（E'）

●・・・損失弾性成分（E"）

×・・・位相差（δ）[°]

横軸は、時間[分] です。

右縦軸は、位相差[°] です。

E', E"については、現状、まだ単位はついていませんが、弾性率に比例した値です。

対数軸となっている、縦軸のスケールをご参照ください。

測定開始から、10分てまえのところで、E' = E" （δ = 45°) を示し、液体から

固体への遷移を迎えています。

このように、貯蔵・損失に成分分けすることで、硬化判定の一つの定義を、与えて

くれます。

次は、水溶性塗料の測定例です。

グラフのみかたは、上記、接着剤の例と同じです。

水溶性のためか、接着剤にくらべ、硬化に時間がかかっていることがわかります。

また、硬化前のところでは、データが大きく「ガタ」ついているのがわかるかと

思いますが、硬化前の塗料が、かなりゆるいため、荷重センシングに限界がある

ためかと思います。

これを解決するためには、測定子の面積を大きいものにするということが考えら

れますが、塗料との接触面積を大きくすると、溶媒が揮発しにくくなり、実際の

硬化速度と、かけ離れたデータになってしまう可能性があります。

これには、ナイフエッジ型の測定子を用い、包丁のようにつきたてて測定をする

という方法がかんがえられます。

ありそうで、なかった、できそうで、できなかった。

ハンディ型のレオメータについては、多くのニーズがあるのではないかと考えてます

が、間もなく、ラインナップに加わります。

こんなことで困っている。

こんなものを測定してみたい。

など、お問い合わせいただければ幸いです。

ここまで、読んでいただきありがとうございました。

閑話休題 －SDGs－

久々の投稿となりましたが、今回、これまでのテーマからはかなり変わり、

SDGsに関連した内容を投稿しようと思いました。

SDGsとは、「持続可能な開発目標」のことで、2030年までに、持続可能で

よりよい世界を目指す国際目標として設定されているそうです。

17のゴール・169のターゲットから構成されているようですが、開発の内容として、

該当、適応をする範囲はある程度、解釈などにより幅広いように思います。

先進国を中心としたフードロスと、途上国を中心とした、飢餓人口の増加。

肉食と環境問題。

これらを解決する技術開発の一つとして注目されている、植物性代替肉について、

取り上げたいと思います。

フードロスは、

食品の生産、加工、廃棄時の、

・エネルギーの浪費による気候変動

・化学物質の排出

などを引き起こしていると指摘されています。

肉食と、そのための畜産は、

・温室効果ガス排出の約15%

・地球上の不凍地の約1/4が家畜放牧に使用

・地球上の全耕作地の1/3が家畜用飼料生産に使用

・肥料、淡水、土壌の無駄遣い

・動物愛護

・健康被害（虚血性心疾患、脳卒中、ガン）

などの問題の原因になっていると指摘されています。

2050年までに地球上の人口は、100億人ごえの見通しで、

・ 食肉の供給は、現在の70%増が必要

・ともない、温室効果ガスは約92%増

との予想もあります。 

植物中心の食事にかえていくことで、気候変動や健康被害リスクを回避する

という動きがあり、代替肉への期待が高まっています。

代替肉への期待に対して、

１）植物性たんぱく質の利用

２）培養肉

これらの技術開発が競い合っているようです。

ただし、培養肉は、

・そもそも、動物性原料である、ウシ胎児の血清が必要

・製造難易度が高い

・筋肉細胞を成長させるため、脂肪成分がない

・製造時に高いエネルギーが要される

・温室効果ガス削減は7%程度にしかならない（対牛肉）

など、課題が多いようです。

 一方で、植物性代替肉は、上記の培養肉の課題に対しても優位で、

加熱溶融混錬方式という、食品加工でも、もともと使用されている製法を応用でき、

フィレットタイプや、ミンチタイプなど、種々の加工にも容易に対応できる点でも

優位性があるようです。

大豆を原料とした植物性代替肉は、一部、ハンバーガーファストフード店やスーパ－

などでも、ソイミートという名称などで販売されています。

すでに試された方の中には、大豆のにおい、歯ごたえ、などで、まだまだ肉には

とどかない、という感想を持たれた方もいるのではないかと思います。

このあたりが、植物性代替肉の主な課題といえそうです。

 

植物性代替肉は、たんぱく質が豊富な穀物（主に大豆）の粉末と水を、主なベース

原料とし、 これを、加熱溶融混錬方式の加熱、混錬、圧縮を要素とし、水素結合により、

組織化したたんぱく質が肉のような質感を生んでいるそうです。

混錬とは、よく練り、混ぜ合わせることですが、せん断により、機械的エネルギーを、

効果的に原料に与えるような設計になっているようです。

せん断といえば、これまで、当ブログで紹介をしてきた、レオロジーで非常になじみ

ですし、

「せん断ひずみ」については、よろしければ、

粘弾性について７）_伸長粘度はなぜ3倍？ ~その１~_せん断ひずみと伸長ひずみ

を、ご参考いただければと思います。

表面張力といえば、分子間力相互作用ですので、やはり、植物性代替肉の製法は、

我々には非常になじみのある分野が関連しているように思いました。

SDGs的には、混錬時の加熱に要されるエネルギーの浪費は避けたいところで、熱の

かわりに他のエネルギー要素を、より効率的に与える方法と、分子間相互作用を、より

促進させるような方法でおぎなう。

思いたったら、手を動かすと、

いきなりですが、混錬の装置について考え、検証用に簡単な装置で、ミンチ状の代替肉を

イメージし、作ってみました。

以下が、大豆粉と水（+とある食品添加剤）でつくった代替肉（もどき）です。

右が、混錬加工直後のものです。太さは5mm程度です。

左が、一昼夜、水につけておいた後のものです。

単に、粉を水で混ぜて固めただけだと、水にいれて間もなく、崩れてしまいますが、

若干膨潤してはいるものの、形状が保持されていることがわかると思います。

たんぱく質が組織化しているためと思われます。

触ってみると、弾力があります。

このサンプルは、実は、ほぼ加熱無しで混錬したものです。

多少粉っぽい個所も残されてますが、初の取り組みとしては、とりあえず、まずまず

のような気がします。

想定が正しい方向であったのではないかと、装置の改善、追加工などで、試してみたい

ことがいくつか出てきました。

人体を考えると、体温くらいの温度でも、十分に組織化させられるのではないか、とか、

その温度くらいまでは加熱しても良いかな、とか、そんな想像もふくらみます。

SDGsについては、原因と結果の因果関係が不明確な開発課題があることが指摘されて

いたり、パワーゲームの要素や、出来レース的なみかたもあったりと、このような

取り組みの問題点として、わからなくもないとは思います。

ただ、ファッション業界では、流行色が実はあらかじめ決められているように、企業や

経済活動的には、暗中模索でギャンブル的になってしまうよりは、開発の指針が明確に

されていることは、正直ありがたい、と思うのは事実かと思います。

時に、テーマを与えられることで、今回の投稿のように、ワクワクしたり、楽しく

なってくるようなこともあるように思います。

ここまで読んでいただきありがとうございました。