JP7292643B2

JP7292643B2 - 観察装置、観察システム、及び観察方法

Info

Publication number: JP7292643B2
Application number: JP2019104458A
Authority: JP
Inventors: 竜也楠本; 杜継葛西; 幹人竹中
Original assignee: Idemitsu Kosan Co Ltd; Kyoto University
Current assignee: Idemitsu Kosan Co Ltd; Kyoto University
Priority date: 2019-06-04
Filing date: 2019-06-04
Publication date: 2023-06-19
Anticipated expiration: 2039-06-04
Also published as: JP2020197474A

Description

本発明は、液体に含まれる成分の配向を観察する観察装置、観察システム、及び観察方法に関する。

従来、定置された試料にＸ線を照射して、試料からの散乱Ｘ線を測定し、試料の形態や大きさを測定する手法が知られている。（特許文献１参照）。

特開２００６－１１７７６７号明細書

液体に含まれる成分は、液体が流れる環境に応じた配向状態を有する場合もある。所定の環境下における配向状態を観察するためには、その環境を再現して観察する必要がある。しかし、従来、流体中の成分の配向状態を観察するという発想自体がなく、勿論、そのような流体中の成分の配向状態を観察する装置もなかった。

本発明は、このような状況においてなされたもので、流体中の成分の配向状態を観察するという新たな着想に基づいて、流体中の成分の配向状態を観察する観察装置、観察システム、及び観察方法を提供することを目的とする。

本発明は、液体が通過可能な流路と、流路を通過する液体に剪断速度を付与する剪断速度付与部と、液体に対して照射されるＸ線を透過可能なＸ線透過部とを有し、液体中の成分の配向を観察する観察装置である。

本発明によれば、流体中の成分の配向状態を観察するという新たな着想に基づいて、流体中の成分の配向状態を観察する装置、システム、及び方法を得る。

観察装置を概略的に示す正面図である。図１のＩＩ－ＩＩ線による観察装置の断面図である。図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線による観察装置の断面図である。

以下、本発明の一態様による観察装置１００について図１から３を用いて説明する。観察装置１００は、後述される剪断速度に耐える硬度、Ｘ線透過性、及び耐熱性（１５０℃程度）を有する素材から成る第１のブロック１１０と第２のブロック１２０とを主に備え、図示されない小角Ｘ線散乱装置及びポンプと共に用いられる。観察装置１００の素材は、イミド結合を含むポリマー、ダイヤモンド、窒化シリコン、石英、又は鉄が好ましく、ポリエーテルイミド又はポリイミドがより好ましい。以下、図においてＸ軸方向を幅方向といい、Ｙ軸方向を奥行き方向といい、Ｚ軸方向を高さ方向という。

第１のブロック１１０は、直方体形状を有し、直方体の第１の側面１１１に開口する有底円筒状の第１の孔１１２を有する。第１の孔１１２の直径ｒは、例えば０．５～５ｍｍ（好ましくは１～３ｍｍ）である。第１の孔１１２は、第１の側面１１１から第１のブロック１１０を貫通せず、第１の孔１１２の底面１１２ａは、第１の側面１１１に対向する第２の側面１１３との間に所定の距離を空ける。

第２のブロック１２０は、第１のブロック１１０と同じ直方体形状を有し、直方体の第３の側面１２１と、第３の側面１２１に対向する第４の側面１２３とを有する。第３の側面１２１には、有底円筒状の第２の孔１２２が開口し、第４の側面１２３には、第２のブロック１２０の高さ方向全長に渡って延びる溝１２４が設けられる。第２の孔１２２は、第３の側面１２１から溝１２４まで貫通せず、第２の孔１２２の底面１２２ａは、溝１２４との間に所定の距離を空ける。第２の孔１２２の直径ｒは、例えば０．５～５ｍｍ（好ましくは１～３ｍｍ）である。第２の孔１２２の底面１２２ａと溝１２４との間の素材が第１の窓１０１を成す。

第１のブロック１１０と第２のブロック１２０は、第２の側面１１３と第４の側面１２３とを、例えば接着剤等で密着させることにより一体化され、これにより観察装置１００が形成される。また、第４の側面１２３の溝１２４の開口部は第２の側面１１３によって塞がれ、これにより、流路１０２が形成されるとともに、第１の孔１１２の底面１１２ａと溝１２４との間の素材が第２の窓１０３を成す。すなわち、流路１０２は、観察装置１００の本体を高さ方向に貫通する貫通孔である。流路１０２と直交する方向に対する第１の窓１０１の厚さＴ１及び第２の窓１０３の厚さＴ２は、それぞれ独立して、好ましくは０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下、より好ましくは１ｍｍ以上５ｍｍ以下、さらに好ましくは１ｍｍ以上３ｍｍ以下である。厚さＴ１及びＴ２が０．５ｍｍ以上であることにより、液体が流路を通過する際の圧力に耐える硬度になるという意義がある。また、１０ｍｍ以下であることにより、Ｘ線が散乱、減衰することなく液体に到達できるという意義がある。

流路１０２の大きさは、通過する液体に所定の剪断速度を与える程度の大きさである。ここで、剪断速度は、少なくとも１０^３ｓｅｃ^－１以上、あるいは、少なくとも１０^７ｓｅｃ^－１以下であることが好ましく、１０^３ｓｅｃ^－１以上１０^７ｓｅｃ^－１以下であることがより好ましい。剪断速度が少なくとも１０^３ｓｅｃ^－１以上であることにより、流体成分を配向させて構造変化を観察しやすいという意義がある。また、１０^７ｓｅｃ^－１以下であることにより、液体が流路を通過する際の圧力が上昇し過ぎず、また液体成分が流量に入りやすいという意義がある。流路１０２の長手方向長さＨは、好ましくは３ｍｍ以上１５ｍｍ以下、より好ましくは４ｍｍ以上１３ｍｍ以下、さらに好ましくは５ｍｍ以上１２ｍｍ以下である。長手方向長さＨが３ｍｍ以上であることにより、観察したい物質が配向するという意義がある。また、１５ｍｍ以下であることにより、流体が流路を通過する際の圧力が上昇し過ぎず、流体成分が流路内で流れ易いという意義がある。

第１の孔１１２には、Ｘ線照射装置が挿入され、第２の孔１２２には、Ｘ線受光装置が挿入される。Ｘ線照射装置が出射したＸ線は、第１の窓１０１、流路１０２を流れる液体、及び第２の窓１０３を介してＸ線受光装置に入射する。第１の窓１０１及び／又は第２の窓１０３がＸ線透過部を成す。

流路１０２において、少なくとも第１の窓１０１及び第２の窓１０３に対応する部位における、Ｘ線の照射方向に対する長さＷは、流路１０２を流れる流体の粘度に応じて適宜選択される値であって、好ましくは１０μｍ以上２０００μｍ以下、より好ましくは４０μｍ以上５００μｍ以下、さらに好ましくは６０μｍ以上１５０μｍ以下である。長さＷが１０μｍ以上であることにより、液体成分が流路内を流れる事が可能という意義があり、２０００μｍ以下であることにより、観察したい物質が配向するという意義がある。ここで、Ｘ線の照射方向は、Ｘ線受光装置がＸ線を受光可能である方向全てを含む意味であって、高さ方向に直交する方向であることが好ましいが、Ｘ線受光装置がＸ線を受光可能であれば、高さ方向に直交する方向でなくてもよい。また、流路１０２において、少なくとも第１の窓１０１及び第２の窓１０３に対応する部位における、Ｘ線の照射方向に直交する長さＤは、好ましくは４００μｍ以上２０００μｍ以下、より好ましくは６００μｍ以上１６００μｍ以下、さらに好ましくは８００μｍ以上１２００μｍ以下である。あるいは、流路１０２において、少なくとも第１の窓１０１及び第２の窓１０３に対応する部位における、Ｘ線の照射方向に直交する断面の面積は、好ましくは４０００μｍ^２以上４００００００μｍ^２以下、より好ましくは１６０００μｍ^２以上１００００００μｍ^２以下、さらに好ましくは２４０００μｍ^２以上３０００００μｍ^２以下である。長さＤが４００μｍ以上であることにより、観察したい物質への焦点が合わせやすいという意義がある。長さＤが２０００μｍ以下であることにより、観察スポットが広くなり過ぎず観察したい箇所に焦点を合わし易いという意義がある。

図１を参照すると、観察装置１００は、図示されないアタッチメントを介して図示されないポンプに接続される。アタッチメントは、例えばステンレスから成る、第１の固定ブロック２１０、第２の固定ブロック２２０、第１の継手２３０、第２の継手２４０を主に備える。第１の固定ブロック２１０と第２の固定ブロック２２０とは、観察装置１００を高さ方向に挟持し、図示されないボルトによって、互いに固定される。また、第１の固定ブロック２１０及び第２の固定ブロック２２０は、観察装置１００を挟持した状態において流路１０２に連通する第１の貫通穴２１１と第２の貫通穴２２１とを備える。第１の貫通穴２１１の一端は流路１０２に接続され、他端には第１の継手２３０がねじ込まれる。第２の貫通穴２２１の一端は流路１０２に接続され、他端には第２の継手２４０がねじ込まれる。第１の継手２３０はポンプの吐出口に接続される。第２の継手２４０は例えばタンク等を介して、ポンプの吸入口に接続される。これにより、第１の継手２３０を介して、流路１０２に液体を連続的に流すことが可能となる。
ここで、本発明において観察対象となる「液体」は、溶媒に所定の成分を溶解又は分散させた液体である。
液体に含まれる成分は、液体の種類によって、適宜選択されるものである。
例えば、液体が潤滑油である場合、溶媒は基油であり、成分は、例えば粘度指数向上剤や流動点降下剤としての機能を有するポリマーである。
なお、本明細書において、液体に含まれる成分は、液体に溶解している成分や、液体に分散している成分を含む意味である。

次に、観察装置１００を用いた、液体に含まれる成分の配向を観察する手法について、ポリマーを含む潤滑油を例にして説明する。第１の継手２３０から潤滑油が流路１０２に流入すると、流路１０２の大きさによって、例えば１０^３ｓｅｃ^－１以上の剪断速度を得る。そうすると、潤滑油に含まれるポリマーが剪断速度に応じて配向する。この状態において、Ｘ線照射装置から出射されたＸ線は、第１の窓１０１、流路１０２を流れる潤滑油、及び第２の窓１０３を介してＸ線受光装置に入射する。そして、Ｘ線受光装置に入射した散乱パターンを観察すれば、潤滑油に含まれるポリマーの配向状態がわかる。

次に、本発明の一実施形態による実施例を示して、その効果について説明する。なお、本発明の技術的範囲は、これらの実施例によりなんら限定されるものではない。

実施例で用いられた観察装置１００はポリエーテルイミドから製作され、これにより第１の窓１０１及び第２の窓１０３がポリエーテルイミドから製作された。流路１０２と直交する方向に対する第１の窓１０１の厚さＴ１及び第２の窓１０３の厚さＴ２は１ｍｍであり、流路１０２において、少なくとも第１の窓１０１及び第２の窓１０３に対応する部位における、Ｘ線の照射方向に対する長さＷは、８０μｍであった。また、流路１０２において、少なくとも第１の窓１０１及び第２の窓１０３に対応する部位における、Ｘ線の照射方向に直交する長さＤは、１０００μｍであった。そして、流路１０２に、剪断速度１０^３ｓｅｃ^－１で、ポリマーを含む潤滑油を流し、ＳＰｒｉｎｇ-８の小角Ｘ線散乱装置を用いて散乱測定を行った。照射されたＸ線の波長は０．１ｎｍ、スポット径は０．１ｍｍであった。パス長は２．５ｍ、ディテクターは２次元フォトンカウンティング型検出器（PILATUS（pixel apparatus for the SLS）-2）を用い、９０秒間測定した。
なお、潤滑油は、ポリアルファオレフィンとポリ（メタ）アクリレート（質量平均分子量＝２３万）を混合して調製した。ポリ（メタ）アクリレートの潤滑油基準の含有量が１質量％となるよう調製した。
また、比較例は、φ２．５ｍｍの円筒形の石英ガラス製観察装置を用い、当該観察装置に前記潤滑油を充填し、静止状態で観察した以外は、実施例と同様の条件で、ＳＰｒｉｎｇ８の小角Ｘ線散乱装置を用いてＸ線撮影を行った。

表１の「実施例」－「散乱パターン」に得られた画像を示す。
一方で、比較例では、実施例と同じ大きさを持つ流路１０２に、同じ潤滑剤を流さずに停止させた状態で、ＳＰｒｉｎｇ-８を用いてＸ線撮影を行った。表１の「比較例」－「散乱パターン」に得られた画像を示す。
また、散乱データをもとにギニエプロット解析を行い、ポリ（メタ）アクリレートの慣性半径を測定した。

表１に示された「散乱パターン」を参照すると、比較例による「散乱パターン」は、流動方向及び垂直方向に偏平せず円形を成すため、ポリマーが配向してないことがわかるとともに、ポリマーの大きさ（慣性半径）は流動方向及び垂直方向に対して７．５ｎｍであることがわかる。他方、実施例による「散乱パターン」は、流動方向に垂直な方向に偏平しているため、ポリマーが配向していることがわかるとともに、ポリマーの大きさは流動方向に対して８．３ｎｍ、垂直方向に対して６．６ｎｍであることがわかる。ここで、流動方向はＺ軸方向であって、「散乱パターン」に示された画像中の矢印が示す方向であり、垂直方向はＹ軸方向であって、前記矢印が示す方向と前記画像面内において直交する方向である。

このように、本実施形態によれば、流動場において一定以上の剪断速度（又はせん断応力）を液体に掛け、液体に含まれる成分の配向状態を観察（測定）することが可能となる。

なお、第１のブロック１１０と第２のブロック１２０の素材は、ポリエーテルイミド、ポリイミド、又はダイヤモンドに限定されず、Ｘ線が透過可能な素材であれば良い。また、観察蔵置１００は第１のブロック１１０と第２のブロック１２０とから成るものでなくてもよく、１つのブロックに流路及び有底筒状の孔を形成したもの、あるいは３以上のブロックを用いたものであってもよい。

第１の孔１１２第２の孔１２２は、円筒状に限定されず、角筒型など、他の形状であってもよい。

なお、第１の孔１１２には、Ｘ線受光装置が挿入され、第２の孔１２２には、Ｘ線照射装置が挿入されてもよい。

なお、本明細書および図中に示した各部材の大きさは例示であって、これらの大きさに限定されない。また、各部材の素材は例示であって、これらの素材に限定されない。

ここに付随する図面を参照して本発明の実施形態が説明されたが、記載された発明の範囲と精神から逸脱することなく、変形が各部の構造と関係に施されることは、当業者にとって自明である。

本願発明は、以下の［１］から［１３］の発明を含む。
［１］
液体が通過可能な流路と、
前記流路を通過する液体に剪断速度を付与する剪断速度付与部と、
前記液体に対して照射されるＸ線を透過可能なＸ線透過部と、
を有する、液体中の成分の配向を観察する観察装置。
［２］
前記Ｘ線透過部は、前記流路の流れ方向において、前記剪断速度付与部が占める範囲内に設けられる発明１又は２に記載の観察装置。
［３］
前記剪断速度は、１０^３ｓｅｃ^－１以上である発明１又は２に記載の観察装置。
［４］
前記Ｘ線透過部は、Ｘ線透過性を有する素材から成る発明１から３のいずれかに記載の観察装置。
［５］
前記Ｘ線透過性を有する素材は、ポリエーテルイミド、ポリイミド、又はダイヤモンドである発明４に記載の観察装置。
［６］
前記流路は、少なくとも前記Ｘ線透過部に対応する部位において、前記Ｘ線の照射方向に対して、１０μｍ以上２０００μｍ以下の長さを有する発明１～５のいずれかに記載の観察装置。
［７］
前記Ｘ線透過部は、前記流路と交わる方向に沿って設けられる有底筒孔の底部と前記流路との間に設けられ、
前記有底筒孔に前記Ｘ線を出射可能なＸ線装置が挿入される
発明１～６のいずれかに記載の観察装置。
［８］
前記流路は、本体に設けられた貫通孔であって、
前記流路と直交する方向に沿って、前記本体の外側面から前記流路に向けて、有底筒孔が設けられ、
前記Ｘ線透過部は、前記有底筒孔の底部と前記流路との間に設けられ、
前記有底筒孔に前記Ｘ線を出射可能なＸ線装置が挿入される
発明１～７のいずれかに記載の観察装置。
［９］
前記流路と直交する方向に対する前記Ｘ線透過部の厚さは０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下である、発明１～８のいずれかに記載の観察装置。
［１０］
前記液体は、溶媒にポリマーを含ませた液体から成る、発明１～９のいずれかに記載の観察装置。
［１１］
前記液体は潤滑油である、発明１～１０のいずれかに記載の観察装置。
［１２］
発明１から１０のいずれかに記載の前記観察装置と、
前記流路を流れる液体にＸ線を照射するＸ線照射手段と、
前記液体を透過したＸ線を受光するＸ線受光手段と、
前記Ｘ線受光手段が受光したＸ線の散乱パターンを測定する測定手段と、
を備える、液体中の成分の配向を観察する観察システム。
［１３］
液体に含まれる成分の配向を観察する観察方法であって、
流路を通過する液体に所定の剪断速度を与えて成分を配向させ、
前記流路の少なくとも一部を形成するＸ線透過部を透過させたＸ線を、前記流路を流れる流体に照射し、
前記流路を流れる流体を透過した後に、前記流路の少なくとも一部を形成するＸ線透過部を透過したＸ線を受光し、
受光したＸ線の散乱パターンを測定する、観察方法。

１００観察装置
１０１第１の窓
１０２流路
１０３第２の窓
１１０第１のブロック
１１１第１の側面
１１２第１の孔
１１２ａ底面
１１３第２の側面
１２０第２のブロック
１２１第３の側面
１２２第２の孔
１２３第４の側面
１２４溝

Claims

液体中の成分の配向を観察する観察装置であって、
前記配向は、前記成分を構成する単一の要素をＸ線撮像したときの慣性半径が、前記液体の流動方向に対する垂直方向と、前記流動方向とで異なるか否かを観察され、
前記観察装置は、
液体が通過可能な流路と、
前記流路を通過する液体に剪断速度を付与する剪断速度付与部と、
前記液体に対して照射されるＸ線を透過可能なＸ線透過部と、
を有する、観察装置。
前記Ｘ線透過部は、前記流路の流れ方向において、前記剪断速度付与部が占める範囲内に設けられる請求項１に記載の観察装置。
前記剪断速度は、１０^３ｓｅｃ^－１以上である請求項１又は２に記載の観察装置。
前記Ｘ線透過部は、Ｘ線透過性を有する素材から成る請求項１から３のいずれかに記載の観察装置。
前記Ｘ線透過性を有する素材は、ポリエーテルイミド、ポリイミド、又はダイヤモンドである請求項４に記載の観察装置。
前記流路は、少なくとも前記Ｘ線透過部に対応する部位において、前記Ｘ線の照射方向に対して、１０μｍ以上２０００μｍ以下の長さを有する請求項１～５のいずれかに記載の観察装置。
前記Ｘ線透過部は、前記流路と交わる方向に沿って設けられる有底筒孔の底部と前記流路との間に設けられ、
前記有底筒孔に前記Ｘ線を出射可能なＸ線装置が挿入される
請求項１～６のいずれかに記載の観察装置。
前記流路は、本体に設けられた貫通孔であって、
前記流路と直交する方向に沿って、前記本体の外側面から前記流路に向けて、有底筒孔が設けられ、
前記Ｘ線透過部は、前記有底筒孔の底部と前記流路との間に設けられ、
前記有底筒孔に前記Ｘ線を出射可能なＸ線装置が挿入される
請求項１～７のいずれかに記載の観察装置。
前記流路と直交する方向に対する前記Ｘ線透過部の厚さは０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下である、請求項１～８のいずれかに記載の観察装置。
前記液体は、溶媒にポリマーを含ませた液体から成る、請求項１～９のいずれかに記載の観察装置。
前記液体は潤滑油である、請求項１～１０のいずれかに記載の観察装置。
請求項１から１０のいずれかに記載の前記観察装置と、
前記流路を流れる液体にＸ線を照射するＸ線照射手段と、
前記液体を透過したＸ線を受光するＸ線受光手段と、
前記Ｘ線受光手段が受光したＸ線の散乱パターンを測定する測定手段と、
を備える、液体中の成分の配向を観察する観察システム。
液体に含まれる成分の配向を観察する観察方法であって、
前記配向は、前記成分を構成する単一の要素をＸ線撮像したときの慣性半径が、前記液体の流動方向に対する垂直方向と、前記流動方向とで異なるか否かを観察され、
流路を通過する液体に所定の剪断速度を与えて成分を配向させ、
前記流路の少なくとも一部を形成するＸ線透過部を透過させたＸ線を、前記流路を流れる流体に照射し、
前記流路を流れる流体を透過した後に、前記流路の少なくとも一部を形成するＸ線透過部を透過したＸ線を受光し、
受光したＸ線の散乱パターンを測定する、
観察方法。