유변학 기술 노트-유변학과 입자파라미터와의 상관관계에 대한 이해2

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제타전위와 유변학의 관계 

 

  입자사이즈, 분포 및 모양이 같을지라도 제타전위 같은 입자특성은 물질의 레올로지 특성에 분명한 효과가 나타난다. 디스퍼전 내의 입자는 정전기적힘, 반데르발스힘, 중력의 지배하에 놓이게 된다. 일반적으로 중력은 1μm 사이즈보다 작으면 무시할 수 있다. 즉 입자들이 충분히 무겁지 않기 때문에 중력의 영향을 받지 않게 된다.

 

  제타전위로 정의할 수 있는 정전기적힘은 입자간 반발하는 힘때문에 발생한다. 반데르발스힘은 입자가 인력이 작용하는 것이지만 상대적으로 작은 효과를 가진다. 입자들은 DLVO(Derjaguin, Landau, Verwey and Overbeek)이론의 총체적인 영향을 받게 된다.(Fig 5a 와 b 를 참조)

 

 


 

  1 마이크로미터 이하의 작은 입자를 포함하고 있는 시스템에서는 제타전위가 증가할수록 점도가 증가한다. 제타전위가 증가한다는 것은 양전하나 음전하 어느 한쪽이 증가하는 것과 관계없이 반발력이 증가하는 것을 의미한다(Fig 6 참조). 입자들이 더 규칙적인 구조를 형성하면 흐름에 대한 거대한 저항이 생긴다. 이러한 구조의 강도는 상대적으로 낮다. 몇몇의 입자 움직임에 관여하거나 높은 전단속도 하에서 깨지게 된다. 결과적으로 제타전위의 점도에 대한 효과는 높은 전단 조건에서는 주목할 만한 것이 아니다.

 

  1 마이크로 이상의 큰 입자의 경우(제타전위가 높더라도) 정전기적 척력과 입자들이 뭉치는 인력보다는 중력의 영향이 강력하게 작용한다. 이러한 경우 침전이 발생하게 되고 서스펜전은 불안정한 상태가 되고 ‘caked’침전을 유발한다. 제타전위를 제거하는것이 효과적인 접근이다.

 

  낮은 제타전위(제타전위가 0mV 인 등전위점에 근접하는 경우) 입자간에 서로 결합할 수 있도록 충분히 가까워지는 경우 반데르발스 힘이 작용한다. 강력한 구조를 가진 경우(자가지지형 겔) 전형적인 코팅시스템에서와 같이 강력한 고체물질이 사용된다. 입자들은 서로 가까이 붙어있지만 유착된 상태는 아니다. 수화(水和)된 층은 입자들이 너무 가까이 근접하는 것을 막아준다.(2 차 최저점-Fig 5 참조)

 

  낮은 전단속도에서는 항복점(Fig6 참조)이라는 큰 값에 도달할 때 까지는 물질이 고체처럼 거동한다. 높은 전단속도라 하더라도 구조는 예상했던 점도보다 충분히 오래 지속된다.

 

 

 

  1 마이크로 보다 큰 입자의 안정성에 대한 원리는 실리카 같은 금속산화물 디스퍼전에서 확인할 수 있다. 이 시스템은 DLVO 에 의해 언급된 힘만으로는 중력에 의한 침전을 설명하기에는 불충분하다.

 

 

  Fig 71 마이크로보다 큰 표준 실리카 파우더의 입자사이즈를 나타낸다. 그러므로 등전위점은 몇몇의 다른 pH(염산으로 개질)에서 희박용액의 제타전위를 측정 했을 때 1.17 의 매우 낮은 산성으로 로 나타난다.(Fig8 참조) 70 중량%의 농축된 샘플을 레오미터로 측정하였다.(Fig 9 와 10)

 

 

 

  전단속도와 점도의 그래프에서 pH 가 등전위점(pH=1.17)에 접근해 있기 때문에 높은 점도는 나타낸다. 모두 shear thinning 을 나타내고 서로 약한 상호작용을 하기 때문에 전단속도가 증가하면 깨진다. 점도역시 높은 부피분율 때문에 나타나는 전단속도 최대점에서 초반에 shear thickening 특성처럼 약간의 점도 상승이 나타난다. 가장 낮은 pH 의 결과도 가장 높은 전단속도에서 상당히 높은 점도를 나타낸다. 이러한 pH 는 높은 pH 에 비해 높은 전단속도에서 깨지지 않을 만큼 충분히 강하기 때문이다.

 

점도그래프(Fig 9)에 제로전단점도가 나타나지 않기 때문에 고체처럼 거동하고 항복 응력이 나타낸다. 이 샘플들의 pH 가 감소하기 때문에 내부구조가 강해지기 때문에 점도와 전당응력의 관계 그래프에서 초반에 분명한 항복응력 특성이 나타난다.

 

 

항복응력은 점도피크의 전단응력으로 측정되는데 이는 물질이 힘을 흡수하는 것을 멈추고 흐르기 시작하는 곳을 말한다. Fig 10 에서 명확하게 확인할 수 있듯이 실리카가 등전위점에 접근하면서 항복응력이 나타나고 감소하기 시작한다. 항복응력은 샘플의 안정성에 대한 강도를 나타내는 지표이기 때문에 낮은 pH 의 샘플이 제일 안정하다고 할 수 있다.

 

 

 

 

요  약

 

  Malvern의 Bohlin Gemini 또는 Kinexus 의 최신 레오미터를 사용한 연구는 코팅시스템에서의 레올로지 물성을 쉽게 측정 할 수 있다. 그렇지만 코팅시스템에서의 가장 핵심적인 요소인 고체 분율의 입자특성을 측정할 수 있기 때문에 레올로지 특성을 예측 할 수 있고 조절까지 가능하다.

 

  Malvern의 Mastersizer 2000 으로 측정한 평균입자 사이즈와 분포는 물질의 점도뿐만 아니라 물질의 흐름특성에도 즉각 반응한다. 유사하게 말번사의 Zetasizer Nano 로 측정한 제타전위와 등전위점도 코팅시스템에서의 상분리 방지를 최적화 할 수 있다. 또한 항복응력과 같은 다른 레올로지 물성과 마찬가지로 높은 안정성을 제공한다.

 

 

 

 

 

 

 


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