複雑流体（非ニュートン流体）の基礎

はじめに

現代の製造業において、複雑流体、特に非ニュートン流体は多くの場面で不可欠な役割を果たしています。
その一例として、食品加工、化学工業、医薬品の製造に使用される各種の液体製品が挙げられます。
しかし、非ニュートン流体という用語が示すように、これらの流体は、その挙動が単純ではなく、通常の流体力学の知識だけでは理解しきれない特性を持っています。
この記事では、製造業の現場における非ニュートン流体の基本を解説し、その特性や応用例を示し、またその取り扱いにおけるポイントについて述べます。

非ニュートン流体とは？

非ニュートン流体とは、その名前の通り、ニュートンの粘性法則に従わない流体を指します。
ニュートン流体では、粘性は一定で、流体の変形速度に比例して剪断応力が増加します。
一方、非ニュートン流体は、流動特性が剪断率に依存するため、その挙動が複雑です。

代表的な非ニュートン流体の種類

非ニュートン流体にはいくつかのタイプがあります。
代表的なものとして以下のような種類があります。

1. **ダイラタント流体（せん断増粘流体）**
この流体は、せん断速度が増すほど粘性が増加します。
トウモロコシ澱粉と水の混合物がその例です。

2. **擬塑性流体（せん断減粘流体）**
せん断速度が上がると粘性が下がる性質を持ちます。
ペイントやチョコレートシロップが例として挙げられます。

3. **ビンガム流体**
一定のせん断応力が加わるまで固体のように振る舞い、それを超えると流体のように流れ出します。
歯磨き粉や粘土がその代表例です。

非ニュートン流体の取り扱いに必要な知識

非ニュートン流体を取り扱う際には、以下のポイントに留意する必要があります。

1. 粘度特性の理解

非ニュートン流体の粘度は一定ではなく、せん断速度に依存するため、製造プロセスの各段階で粘度特性を正確に把握しておくことが重要です。
粘度変化が製品品質に与える影響を理解し、工程設計や装置選定に反映させる必要があります。

2. 流れ環境の管理

非ニュートン流体の流れ特性は、配管の形状や流速にも大きく影響されます。
流体がスムーズに流れるようにするためには、設計段階から適切な配管設計や攪拌手法を採用することが求められます。

3. 温度の影響

多くの非ニュートン流体は温度に敏感で、温度の変化によって流動特性が大きく変わる場合があります。
したがって、温度管理は、製品の安定性を保つために欠かせません。

製造業における非ニュートン流体の応用例

非ニュートン流体は多くの製造工程で使用されています。
以下は、その具体的な応用例です。

食品産業

食品産業では、ソースやドレッシングなど、多くの食品が非ニュートン流体です。
その流動特性を理解し、適切に管理することが品質安定につながります。
例えば、マヨネーズなどの擬塑性流体はせん断速度により粘度が変化するため、製造過程で攪拌を調整することが重要です。

化学工業

化学工業では、ペイントや洗剤など、多数の製品が非ニュートン流体に分類されます。
擬塑性流体の粘度特性を利用して、その塗布性や作業時の省力化を追求しています。
また、ダイラタント流体は、耐衝撃性を活かした特殊塗料の開発に役立てられることもあります。

医薬品分野

ジェル状の軟膏や目薬、注射剤なども非ニュートン流体の一種です。
製造時の混合や輸送プロセスにおいて適切な流動制御が不可欠です。
特に医薬品では、品質や濃度が分散しないように正確な工程管理が求められます。

非ニュートン流体に対応した設備と技術

非ニュートン流体を取り扱うためには、特別な設備と技術が必要です。

1. 特殊なポンプと計量システムの使用

通常のポンプでは、せん断速度による粘性の変化に対応できないことがあり、要求される流量や圧力制御が難しい場合があります。
したがって、特にダイラタント性や擬塑性流体に対応した特殊ポンプの採用が必要です。

2. 計装と制御システムの最適化

プロセスの各ステージで流れの状況をリアルタイムに監視できるよう、最新の計装技術と制御システムの適用が求められます。
これにより、流体の挙動を正確に把握し、品質の最高水準を維持できます。

まとめ

非ニュートン流体の基礎を理解し、製造プロセスにおけるその応用を正しく設計することは、製品の品質向上や生産効率の向上に直結します。
複雑な特性を持つ非ニュートン流体は、製造業の現場での深い知識と検討が必要な分野ですが、そのポテンシャルを最大限に引き出すことが、競争力となるキーを握っています。
製造業の各分野での適応技術や知識を広く共有し、業界全体での進化を促進することが重要な課題となっています。