분산이란? 습식 분산 최적화를 위한 방법 개발-1



레이저 회절 입자 크기 측정을 위한 

습식 또는 액체 분산 방법 개발  

 

 

입자 특성 분석 기법으로부터 재현 가능한 결과를 얻을 수 있는지 여부는 다음 세 가지 요인에 따라 결정됩니다. 

 


 대표성 있는 시료 채취
 안정적 상태의 분산
 적합한 측정 조건

 


이러한 각 요인의 중요도는 측정 대상 입자의 크기에 따라 달라집니다. 미세 입자의 경우 분산제 및 분산 에너지가 더 중요하고, 굵은 물질의 경우에는 시료 채취가 더 중요합니다.

 

그림 1 습식 분산에서 미세 입자 또는 굵은 입자의 측정과 연관된 위험 인자를 보여 줍니다.  


 


 

 

분 산 

 


시료 분산 방법은 측정하려는 대상에 따라 달라집니다. 물질에 포함된 응집의 크기 및 범위를 수량화하는 것이 중요하면 부분적으로 분산된 상태에서 측정해야 할 수 있습니다. 일차 입자 크기가 중요하면 응집체를 제거하기 위해 시료가 완전히  

 

분산되어야 합니다. 이 과정의 첫 번째 단계에서는 적합한 분산제를 선택합니다. 레이저 회절 측정을 위해 분산제는 다음 조건을 충족해야 합니다. 

 

    –  분산이 가능하도록 시료의 습윤 상태를 양호하게 유지합니다. 

 –  시료를 용해시키지 않습니다. 


 –  거품을 포함하지 않습니다. 


 –  적합한 점도를 갖습니다. 


 –  레이저 광선을 통과합니다. 


 –  시료와 다른 굴절률을 갖습니다. 


 –  장비에서 사용되는 물질과 화학적으로 융화됩니다. 

 


가장 널리 사용되는 분산매는 물입니다. 그러나 시료의 습윤 정도 또는 용해율이 저조할 수 있기 때문에 물이 모든 시료에 적합한 것은 아닙니다.  

 

경험 법칙에 따르면 분산매에서 시료의 용해도는 시료와 반대 극성의 분산매를 사용하여 최소화될 수 있지만 이를 위해서는 입자가 젖어 있어야 하는데, 극성의 차이가 클 경우 계면 활성제의 도움 없이는 입자를 젖게 하는 것이 더 어렵게 됩니다. 

 

극성이 높은 것부터 차례로 된 분산매 목록이 표 1에 나와 있습니다. 

 

표 1 :  분산매의 극성도

 

 분산매

극성도 

 물/탈염수

 극성이 매우 높음

 유기산

 

 알콜(메탄올/ 에탄올/ 이소프로필 알콜)

 중간

 단순한 알칸(헥산/ 헵탄/ 이소옥탄/ 시클로헥산)

 

 긴 사슬 알칸 및 알켄(도데칸/ 광물성 기름/ 해바라기유/ 야자유)

 극성이 매우 낮음

 

  

 

 

액체 속의 분산 분말

 


분말을 액체 속에서 분산시키기 위한 세 가지 기본 단계는 다음과 같습니다. 

 


 시료 적시기
 잘 분산되도록 에너지 추가
 분산 안정화

 


시료 적시기 

 


새로운 물질을 테스트할 경우, 여러 가지 분산매로 비커 테스트를 수행하여 시료가 잘 적셔지는지 점검하는 것이 좋습니다. 이러한 시각적 검사는 다양한 분산매에서 입도 측정을 수행하는 것보다 빠릅니다.

 

입자와 분산제 사이의 젖은 상태가 양호하면 액체에서 입자의 균일한 부유를 확인할 수 있고, 젖은 상태가 불량하면 분말 위에 액체의 액적이 보이거나 상당한 규모의 응집 및 침강이 나타날 수 있습니다. 

 


분말이 분산제에 의해 잘 적셔지는지 여부는 입자와 액체 사이의 표면 장력에 따라 결정됩니다. 따라서 계면 활성제를 사용하여 표면 장력을 줄이면 보다 잘 적실 수 있습니다. 표 2에는 입체적 및 전기 입체적 계면 활성제의 예가 나와 있습니다. 

 


표 2: 분산을 향상시키는 계면 활성제 

 안정화

메커니즘 

 

예 

 

 입체적

 입자 표면에 흡착될 수 있는 긴 사슬 분자를 추가

 Igepal CA-630, Tween 20/80, Span 20/80

 전기 입체적

 하전된 긴 사슬 분자를 추가

 음이온: SDS(도데실 황산 나트륨), AOT(bis-2
에칠헥실 설포석시네이트 나트륨)

 양이온: CTAB(세트리마이드)

 

 

 

 

계면활성제를 사용하는 경우 농도를 조절하는 것이 중요합니다. 일반적으로 계면 활성제 용액 1-2 방울(몇 퍼센트 w/v보다 고농도가 아님)이면 입자 습윤 상태를 향상시킬 수 있습니다. 계면 활성제를 너무 많이 사용하면 거품 및 방울이 생겨 큰 입자로 해석될 수도 있습니다. 

 

 

에너지를 사용하여 시료 분산시키기 

 


시료를 적실 적합한 분산제를 찾은 후에는 장비에서 시료의 분산 상태를 평가해야 합니다. 이 과정을 분산 적정이라고 하며, 일반적으로 3단계로 이루어집니다. 

 


1. 시료 적정의 효과를 평가하기 위한 일련의 반복 측정
2. 시료에 대한 초음파의 영향을 평가하기 위한 일련의 측정
3. 초음파 이후의 측정 안정성을 평가하기 위한 일련의 반복 측정 

 


그림 2에는 물에서의 분산 적정을 보여 주는 예가 나와 있습니다. 1단계에서는 교반기 속도에 따른 점진적 분산을 보여 주고, 2단계에서는 초음파를 사용했을때 더 빨라진 분산을 보여 주며 3단계에서는 초음파가 꺼진 이후 입도가 안정적임을 보여 줍니다. 

 

 

 

 

분산 적정은 그림 3에서와 같이 응집체가 분산됨에 따라 변화되는 입도 분포의 변화를 보여 줍니다. 시료가 분산되면 그림 4에서와 같이 각 응집체가 여러 개의 일차 입자로 분할되기 때문에 obscuration(시스템의 입자 농도와 관련됨) 또한 증가하게 됩니다. 

 

 

 

 

 

 

 

 

유기 용매에서 측정하는 경우에는 단계적으로 초음파를 가해야 합니다. 예를 들어, 측정 이전에 1분 동안 초음파를 가한 이후에 일정 시간 동안 분산매의 온도가 안정되도록 합니다.  

 

그렇지 않으면 분산매의 온도 구배로 인하여 큰 입자 크기에서 잘못된 피크가 관찰될 수 있습니다. 이 과정은 초음파로 인한 크기의 증가가 더 이상 관찰되지 않을 때까지 반복되어야 합니다. 

 


분산 적정을 통해 시료를 일차 입자 크기로 분산시키는 데 필요한 초음파 출력 및 시간을 측정할 수 있습니다. 전체 분산 적정이 균일하고 초음파를 가하는 동안 입자 크기의 감소가 관찰되지 않는 경우, 초음파를 사용하지 않아도 시료가 이미 완전히 분산되어 있는 것일 수 있습니다.  

 

반대로 초음파를 가하는 동안 안정적인 입자 크기에 도달하지 않는 등 입자 크기의 지속적 감소가 관찰되면 초음파에 의해 일차 입자로 분할되는 중일 수 있습니다.  

 

가능하면 분산 장치로부터 시료를 채취하여 현미경 또는 자동화된 정적 입자 이미지 처리 장비로 검사함으로써 시료의 분산 상태를 점검해야 합니다. 초음파 이전 및 이후에 관찰을 수행하면 응집체가 분산되었는지 또는 깨짐으로 인해 입자 모양이 변경되었는지 알 수 있습니다. 

 

 


분산 안정화 

 


3단계에서 입자 크기는 안정적으로 유지되어야 합니다. 레이저 회절 측정에 대해 기대하는 반복성은 측정 정밀도 섹션에서 다루어집니다. 입자 재응집으로 인해 입자 크기가 증가하기 시작하면 분산을 안정화시키기 위해 첨가제가 필요할 수 있습니다. 

 


헥사메타인산 나트륨, 구연산 암모늄 및 피로인산 나트륨 등의 첨가제는 입자 표면에 전하를 추가하여 현탁액을 안정시키는 데 도움이 될 수 있습니다. 일반적으로 첨가제는 1w/v% 미만의 농도로 사용됩니다. 

 

 

 


에멀젼 분산

 

에멀젼을 측정할 경우 분산에 도움이 되는 두 가지 주요 요인이 있습니다.  

 

첫째, 이상적인 분산매는 시료를 분산시키기 위해 사용한 것과 동일한 계면 활성제 및 안정제를 포함하는 것입니다.  

둘째, 시료를 탱크에 바로 추가하면 용해 쇼크로 인해 응집이 일어나기 때문에 안정적으로 분산시키려면 사전 분산이 필요할 수도 있습니다. 

 

초음파는 유화를 심화시키고 시료에 대한 결과의 대표성을 떨어뜨리기 때문에 에멀젼에는 초음파를 사용하지 않아야 합니다. 

 


또한 교반 속도가 너무 높으면 액적이 부서지기 때문에 분산 장치에서 교반기의 속도를 조절하는 것이 중요합니다. 교반 속도의 영향은 측정 조건 섹션에서 다루어집니다. 

 

 

시료채취

 


모든 입자 특성 분석 기법에서는 장비에 투입할 시료가 대량의 물질을 대표하는지 확인하는 것이 중요합니다. 굵은 입자 또는 다양한 크기를 포함하는 시료의 측정에서는 시료채취가 오차의 가장 큰 원인이 됩니다. 

 




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