レオロジー

レオロジー（/ r iː ˈ ɒ l ə dʒ i / ;ギリシャ語の ῥέω (rhéō)  「流れ」と -λoγία (-logia) 「研究」に由来）は、主に流体（液体または気体）状態における物質 の流れの研究であるが、加えられた力に応じて弾性的に変形するのではなく塑性流動で反応する条件下の「柔らかい固体」または固体としても研究される。[1] レオロジーは、固体と液体の両方の材料の変形と流れを扱う物理学の分野である。 ^[1]

レオロジーという用語は、1920年にラファイエット大学の教授であったユージン・C・ビンガムが、同僚のマルクス・ライナーの提案から作った造語である。^{[2] [3]}この用語は、ヘラクレイトス（しばしばシンプリシウスに帰せられる）の 格言「万物は流れる」 （πάντα ῥεῖ、「すべてのものは流れる」^{[4] [5]}）に触発され、最初は液体の流れと固体の変形を説明するために使用された。これは、泥、ヘドロ、懸濁液、ポリマーやその他のガラス形成物（例：ケイ酸塩）などの複雑な微細構造を持つ物質、多くの食品や添加物、体液（例：血液）やその他の生物学的物質、食品などの ソフトマターのクラスに属するその他の物質に適用される。

ニュートン流体は、特定の温度に対して単一の粘性係数を持つという特徴があります。この粘度は温度によって変化しますが、ひずみ速度によって変化することはありません。このような一定の粘度を示す流体はごく一部です。ひずみ速度 (相対流速) によって粘度が変化する流体の大部分は、非ニュートン流体と呼ばれます。

レオロジーは一般に、応力とひずみまたはひずみ速度の変化率を関連付けるために必要な最小限の関数を特徴付けることによって、非ニュートン流体の挙動を説明します。たとえば、ケチャップは振盪（または材料内の異なる層の相対的な動きが実際に粘度の低下を引き起こす他の形式の機械的撹拌）によって粘度を下げることができますが、水はそうではありません。ケチャップは、ヨーグルトやエマルジョン ペイント（米国の用語ではラテックスペイントまたはアクリルペイント）と同様に、せん断減粘性材料であり、チキソトロピーを示します。つまり、撹拌などにより相対流速が増加すると粘度が低下します。他の非ニュートン材料の中には、レオペクティ（相対変形とともに粘度が増加する）という逆の挙動を示すものもあり、せん断増粘材料またはダイラタント材料と呼ばれます。アイザック・ニュートン卿が粘度の概念を生み出したため、ひずみ速度に依存する粘度を持つ液体の研究は、非ニュートン流体力学とも呼ばれることがよくあります。^[1]

材料のレオロジー挙動の実験的特徴付けはレオメトリーとして知られていますが、レオロジーという用語は、特に実験者によってレオメトリーと同義で頻繁に使用されます。レオロジーの理論的側面は、材料の流動/変形挙動とその内部構造（例：ポリマー分子の配向と伸長）の関係と、古典的な流体力学や弾性では説明できない材料の流動/変形挙動です。

実際には、レオロジーは主に、弾性と（ニュートン）流体力学を適切に組み合わせることで、弾性、粘性、塑性挙動の組み合わせを示す材料の流れを特徴付けるために連続体力学を拡張することに関係しています。また、材料のミクロまたはナノ構造、たとえば溶液中のポリマーの分子サイズと構造、または固体懸濁液中の粒子サイズ分布に基づいて（連続体力学的スケールで）機械的挙動を予測することにも関係しています。流体の特性を持つ材料は、面積あたりの力として定義される応力を受けると流れます。応力にはさまざまな種類があり（たとえば、せん断応力、ねじり応力など）、材料はさまざまな応力に対して異なる反応を示します。理論的レオロジーの多くは、外部の力とトルクを内部応力、内部ひずみ勾配、および流速と関連付けることに関係しています。^{[1] [6] [7] [8]}

レオロジーは、塑性および非ニュートン流体力学という一見無関係な分野を、これらのタイプの変形を受ける材料が静的平衡状態では応力（特にせん断応力。せん断変形を解析する方が簡単なため）に耐えられないことを認識することによって統合します。この意味では、塑性変形を受ける固体は流体ですが、この流れには粘性係数は関連していません。粒状レオロジーは、粒状材料の連続体力学的記述を指します。

レオロジーの主な仕事の 1 つは、測定によってひずみ(またはひずみ速度) と応力の関係を確立することですが、経験的データを使用する前に、いくつかの理論的展開 (フレーム不変量の保証など) も必要です。これらの実験技術はレオメトリーと呼ばれ、明確に定義されたレオロジー材料関数の決定に関係しています。このような関係は、確立された連続体力学の方法による数学的処理に適しています。

単純なせん断応力場から生じる流れや変形の特性評価は、せん断レオメトリー（またはせん断レオロジー）と呼ばれます。伸張流れの研究は伸張レオロジーと呼ばれます。せん断流れは研究がはるかに容易であるため、伸張流れよりもせん断流れのほうがはるかに多くの実験データを利用できます。

• 流体と固体の特性は長時間にわたって関連しています。
  一定の応力の適用（いわゆるクリープ実験）を検討します。
  • 材料がある程度変形した後、最終的にそれ以上の変形に抵抗する場合、それは固体とみなされます。
  • 対照的に、物質が無限に流れる場合は流体とみなされる。
• 対照的に、弾性および粘性（または中間の粘弾性）挙動は、短時間（過渡的挙動）に関連しています。
  ここで再び、一定の応力の適用について考えてみましょう。^[9]
  • 材料の変形ひずみが加えられた応力の増加に伴って直線的に増加する場合、材料は回復可能なひずみを示す範囲内で線形弾性です。弾性は本質的に時間に依存しないプロセスであり、ひずみは応力が加えられた瞬間に時間遅延なく現れます。
  • 材料の変形ひずみ速度が加えられた応力の増加に伴って直線的に増加する場合、その材料はニュートン力学的に粘性があります。これらの材料は、加えられた一定応力と最大ひずみとの間の時間遅延によって特徴付けられます。
  • 材料が粘性成分と弾性成分の組み合わせとして動作する場合、その材料は粘弾性です。理論的には、このような材料は弾性材料のような瞬間的な変形と、流体のような遅延時間依存の変形の両方を示すことができます。
• 塑性は、材料が降伏応力を受けた後に観察される動作です。
  低い応力が加わると固体として動作する材料は、材料の降伏応力と呼ばれる特定の応力レベルを超えると流動し始める場合があります。この塑性閾値がかなり高い場合は、塑性固体という用語はよく使用され、閾値応力がかなり低い場合は降伏応力流体が使用されます。ただし、この 2 つの概念に基本的な違いはありません。

スペクトルの一方の端には、非粘性または単純なニュートン流体があり、もう一方の端には硬い固体があります。したがって、すべての材料の挙動は、これら2つの端の間のどこかにあります。材料の挙動の違いは、材料が変形したときに材料に存在する弾性のレベルと性質によって特徴付けられ、これにより、材料の挙動が非ニュートン領域になります。無次元のデボラ数は、流れにおける非ニュートン挙動の程度を説明するために設計されています。デボラ数は、緩和の特性時間（材料と温度などの他の条件に完全に依存）と実験または観察の特性時間の比として定義されます。^{[3] [10]}小さなデボラ数はニュートン流れを表しますが、中程度のデボラ数では非ニュートン（粘性効果と弾性効果の両方が存在する）挙動が発生し、高いデボラ数は弾性/硬い固体を示します。デボラ数は相対量であるため、分子または分母によって数値が変わる可能性があります。たとえば、緩和時間が極めて短い流体や実験時間が非常に長い流体では、非常に小さなデボラ数が得られます。

流体力学において、レイノルズ数は慣性力( ) と粘性力 ( )の比率の尺度であり、結果として、与えられた流れの条件におけるこれら 2 種類の効果の相対的な重要性を定量化します。レイノルズ数が低い場合、粘性効果が優勢となり、流れは層流になりますが、レイノルズ数が高い場合、慣性が優勢となり、流れは乱流になることがあります。しかし、レオロジーは、一定の粘度ではなく、流れと時間によって変化する流体を扱うため、レイノルズ数の計算は複雑になることがあります。 ${\displaystyle v_{s}\rho }$${\displaystyle {\frac {\mu }{L}}}$

これは流体力学において最も重要な無次元数の一つであり、通常は他の無次元数とともに、動的相似性を判断する基準として使用されます。異なる流体で流量も異なる可能性のある 2 つの幾何学的に類似した流れパターンが、関連する無次元数に対して同じ値を持つ場合、それらは動的に類似していると言われます。

通常は次のように与えられます。

${\displaystyle \mathrm {Re} ={\frac {\rho {\frac {u_{s}^{2}}{L}}}{\mu {\frac {u_{s}}{L^{2}}}}}={\frac {\rho u_{s}L}{\mu }}={\frac {u_{s}L}{\nu }}}$

どこ：

• u _s – 平均流速、[ms ⁻¹ ]
• L – 特性長さ、[m]
• μ – (絶対) 動的流体粘度、[N sm ⁻² ] または [Pa s]
• ν – 流体の動粘性: , [m ² s ⁻¹ ]${\displaystyle v={\frac {\mu }{\rho }}}$
• ρ – 流体の密度、[kg m ⁻³ ]。

レオメーターは、材料、通常は溶融物または溶液である流体のレオロジー特性を特徴付けるために使用される機器です。これらの機器は、流体に特定の応力場または変形を課し、結果として生じる変形または応力を監視します。機器は、定常流または振動流、せん断および伸張の両方で動作できます。

レオロジーは、材料科学、工学、地球物理学、生理学、人類生物学、製薬学に応用されています。材料科学は、セメント、塗料、チョコレートなど、複雑な流動特性を持つ多くの産業上重要な物質の製造に利用されています。さらに、塑性理論は金属成形プロセスの設計においても同様に重要です。レオロジーの科学と、高分子材料の製造および使用における粘弾性特性の評価は、工業部門と軍事部門の両方で使用される多くの製品の製造に不可欠です。液体の流動特性の研究は、単純液体、軟膏、クリーム、ペーストなどのさまざまな剤形の製造に携わる薬剤師にとって重要です。応力が加わった状態での液体の流動挙動は、薬学の分野で非常に重要です。流動特性は、製品の優位性を維持し、バッチ間のばらつきを減らすための重要な品質管理ツールとして使用されます。

これらの原理をゴム、プラスチック、繊維の加工^[11]と使用における実際の問題に適用できる可能性を示すために例を挙げることができる。ポリマーはゴムとプラスチック産業の基本材料を構成し、繊維、石油、自動車、製紙、製薬産業にとって極めて重要である。ポリマーの粘弾性特性は、これらの産業の最終製品の機械的性能と、生産の中間段階での加工方法の成功を決定する。

ほとんどのポリマーやプラスチックなどの粘弾性材料では、液体のような挙動の有無は、の特性に依存し、適用される荷重の速度、つまり力が加えられる速さによって変わります。シリコン製のおもちゃ「シリー パティ」は、力を加える時間速度によってまったく異なる挙動を示します。ゆっくりと引っ張ると、高粘性液体に見られるのと同様に、連続的に流れます。一方、強く直接叩かれると、ケイ酸塩ガラスのように砕け散ります。

さらに、従来のゴムはガラス転移を起こします(ゴムガラス転移と呼ばれることが多い)。たとえば、スペースシャトルチャレンジャー号の事故は、異常に寒いフロリダの朝にガラス転移温度よりはるかに低い温度で使用されていたゴム製の O リングが原因でした。そのため、十分に曲がることができず、2 つの固体燃料ロケットブースターのセクション間を適切に密閉することができませんでした。

ゾルの​​粘度を適切な範囲に調整することで、光ファイバーセンサーや断熱材に使用される光学品質のガラス繊維と耐火性セラミック繊維の両方を延伸することができます。加水分解と凝縮のメカニズム、および構造を線状または分岐構造に偏らせるレオロジー要因は、ゾルゲル科学技術 の最も重要な問題です。

地球物理学の科学分野には、溶岩の流れの研究と土石流（流動性泥流）の研究が含まれます。この学問分野は、長期間にわたってのみ流動を示す固体地球物質も扱います。粘性挙動を示すものはレイドとして知られています。たとえば、花崗岩は室温では降伏応力を無視して塑性流動することができます（つまり粘性流動）。長期クリープ実験（約10年）によると、常温での花崗岩とガラスの粘度は10 ²⁰ポアズのオーダーです。 ^{[12] [13]}

生理学には、複雑な構造と組成を持ち、したがって幅広い粘弾性流動特性を示す多くの体液の研究が含まれます。特に、血液レオロジーと呼ばれる血流の専門的な研究があります。これは、血液とその成分（血漿と赤血球、白血球、血小板などの形成成分）の流動特性の研究です。血液の粘度は、血漿粘度、ヘマトクリット（細胞成分の99.9％を構成する赤血球の体積分率）、および赤血球の機械的挙動によって決まります。したがって、赤血球の力学は、血液の流動特性の主な決定要因です。（眼の硝子体は、特に加齢に伴う硝子体の液化、または共沈の研究中に、レオロジーの観察の対象となります。）^[14]

血液レオロジーにおける主要な特性は、定常せん断流におけるせん断流動化である。血液が示すその他の非ニュートン流体レオロジー特性には、擬塑性、粘弾性、チキソトロピーなどがある。^[15]

現在、血流予測とずり流動化反応を説明する主要な仮説が 2 つあります。この 2 つのモデルは、可逆的な赤血球凝集の駆動力も実証しようとしていますが、そのメカニズムはまだ議論されています。赤血球凝集は、血液の粘度と循環に直接影響します。^[16]血液レオロジーの基礎は、他の生体液のモデリングにも情報を提供します。^[15]ブリッジングまたは「クロスブリッジング」仮説は、高分子が物理的に隣接する赤血球を連銭構造に架橋することを示唆しています。これは、赤血球表面への高分子の吸着によって発生します。^{[15] [16]}枯渇層仮説は、反対のメカニズムを示唆しています。赤血球の表面は、枯渇層が重なり合うことで生じる浸透圧勾配によって結合しています。^[15]連銭凝集傾向の影響は、全血レオロジーにおけるヘマトクリットとフィブリノーゲン濃度によって説明できます。 ^[15]研究者が体外での細胞相互作用を測定するために使用する技術には、光トラッピングやマイクロ流体工学などがあります。^[16]

粘度の変化は、高粘度症、高血圧、鎌状赤血球貧血、糖尿病などの疾患と関連していることが示されています。^[15] 血液レオロジー測定とゲノム検査技術は、予防策と診断ツールとして機能します。^{[15] [17]}

血液レオロジーは加齢の影響、特に血液流動性の低下とも相関関係があり、研究では身体活動が血液レオロジーの肥厚を改善する可能性があることが示されています。^[18]

多くの動物はレオロジー現象を利用している。例えば、砂の粒度レオロジーを利用して「泳ぐ」サンドフィッシュや、粘着性移動のためにカタツムリの粘液を使用する陸生腹足類などである。特定の動物は、獲物を動けなくするためにベルベットワームが生成する粘着性粘液や、捕食者を阻止するためにヌタウナギが分泌する高速ゲル化水中粘液など、特殊な内因性複合流体を生成する。^[19]

食品レオロジーは、チーズ^[20]やジェラート^[21]などの食品の製造と加工において重要です。適切なレオロジーは、多くの一般的な食品、特にソース^[22] 、ドレッシング^{[23 ]、} ヨーグルト^[24]、フォンデュ^{[25]を美味しく}食べるために重要です。

増粘剤（しゅうねんざい）は、水性混合物に添加すると、味などの他の特性を大幅に変更することなく粘度を高める物質である。コシを与え、安定性を高め、添加成分の懸濁を改善する。増粘剤は食品添加物として、また化粧品やパーソナル衛生用品によく使用される。増粘剤の中にはゲル化剤もあり、ゲルを形成する。増粘剤は、液体溶液、エマルジョン、懸濁液を濃くし、安定させるために使用される物質である。増粘剤は、弱い凝集性の内部構造を形成するコロイド混合物として液相に溶解する。食品増粘剤は、多くの場合、多糖類（デンプン、植物性ガム、ペクチン）またはタンパク質をベースにしている。^{[26] [27]}

コンクリートやモルタルの作業性は、フレッシュセメントペーストのレオロジー特性に関係しています。コンクリート配合設計で使用する水の量が少ないほど、硬化したコンクリートの機械的特性は向上しますが、水セメント比を下げると、混合や塗布のしやすさが低下する可能性があります。これらの望ましくない影響を回避するために、通常は高性能減水剤を添加して、フレッシュペーストの見かけの降伏応力と粘度を低下させます。高性能減水剤を添加すると、コンクリートやモルタルの特性が大幅に向上します。^[28]

ポリマーに様々なタイプの充填剤を組み込むことは、コストを削減し、得られる材料に望ましい機械的、熱的、電気的、磁気的特性を与えるための一般的な手段です。充填剤入りポリマーシステムが提供する利点は、レオロジー挙動の複雑さが増すことを伴います。^[29]

通常、充填剤の使用を検討する場合、一方では固体状態での機械的特性の改善と、他方では溶融加工の難しさの増大、ポリマーマトリックス内での充填剤の均一な分散を達成することの問題、および配合の追加ステップによるプロセスの経済性との間で妥協する必要があります。充填ポリマーのレオロジー特性は、充填剤の種類と量だけでなく、その粒子の形状、サイズ、およびサイズ分布によっても決まります。充填システムの粘度は、一般に充填剤の割合が増加すると増加します。これは、ファリス効果による広い粒子サイズ分布によって部分的に改善できます。もう 1 つの要因は、充填剤とポリマーの界面での応力伝達です。界面接着は、ポリマーと充填剤粒子の両方によく接着するカップリング剤によって大幅に強化できます。したがって、充填剤の表面処理の種類と量は、充填ポリマーシステムのレオロジー特性と材料特性に影響を与える追加のパラメーターです。

実際のひずみと測定されたひずみの間には大きな差が生じる可能性があるため、高充填材料のレオロジー特性評価を行う際には壁面滑りを考慮することが重要である。^[30]

レオロジストは、複雑な液体の流れや柔らかい固体の変形を研究する学際的な科学者またはエンジニアです。これは主要な学位科目ではなく、レオロジストとしての資格はありません。ほとんどのレオロジストは、数学、物理科学（化学、物理学、地質学、生物学など）、工学（機械工学、化学、材料科学、プラスチック工学、土木工学など）、医学、または特定の技術（特に材料や食品）の資格を持っています。通常、学位を取得する際にレオロジーについて少し勉強しますが、レオロジーに携わる人は、大学院での研究中に、または短期コースに出席して、専門家協会に参加することで、この知識を広げていきます。

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• 「レオロジーの起源：短い歴史の旅」2019年8月19日にWayback Machineにアーカイブされました。著者：Deepak Doraiswamy、DuPont iTechnologies
• RHEOTEST Medingen GmbH – Fritz Höppler 時代のレオロジー機器の短い歴史とコレクション
• [2] 2018年12月20日にWayback Machineにアーカイブ- 猫のレオロジーについて

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