유변학 기술 노트-유변학과 입자파라미터와의 상관관계에 대한 이해1



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유변학과 입자 파라미터와의 상관관계에 대한 이해 

 

  미립자물질의 물성은 사이즈 분포와 제타포텐셜(입자의 전하를 측정) 모두 코팅물질의 레올로지에 영향을 미친다. 시험결과는 위의 영향에 대한 몇몇 다른 타입의  코팅들을 다루었고,레올로지는 Malvern Bohlin Gemini rheometer 로 측정하였다. 입자사이즈와 제타포텐셜은 각각 Malvern Mastersizer 2000 과 Malvern Zetasizer Nano ZS 로 측정하였다.

 

  이번 자료에서 사용한 예는 대부분의 조건에서 매우 일반적인 것을 고려하였고, 이론은 코팅시스템에 관련되어 폭넓게 적용될 수 있다.

 

  물질의 “유동성”은 그것의 점도 혹은 흐름에 대한 저항으로 나타난다. 특정 물질의 점도를 말할 때 점도는 단지 하나의 값을 나타내는 것이 아니고 전단응력의 함수로 나타나는 것을 인지하는 것이 매우 중요하다.

 

  전단응력은 물질이 1s-1 이하의 작은 전단응력이나 100s-1 이상의 높은 전단응력을 받을 때의 변형에 대한 지표를 제공한다.

 

  Table1 에 코팅물질에 대한 공정과 그에 따른 전단속도범위를 요약하여 나타내었다.

 

 

  전단속도와 관련하여 생각 했을 때, 코팅시에 쓰이는 물질은 아래의 카테고리를 따른다.

 

– Shear thickening (전단속도가 증가함에 따라 점도가 증가하는 현상);
– Newtonian (모든 전단속도에서 일정한 점도를 가지는 현상);
– Shear thinning (전단속도가 증가함에 따라 점도가 감소하는 현상);

 

입도와 유변학의 관계

 

  첫번째 고려해야 할 사항은 PSV(pressure-sensitive adhesive:상온의 조건에서도 점착성을 가지면서 약한 압력으로 접착될 부분(피착재)에 접착하는 물질)의 점도이다. 라텍스 입자의 경우 두 개의 다른 사이즈가 있다. Fig 1 에서 알 수 있듯이 입자사이즈가 증가 할수록 PSA 의 점도가 두드러지게 감소한다.

 

 

  이것은 오로지 평균입자사이즈의 변화에 대한 결과라는 것을 알아야 한다. 부피분율(혹은 PSA 에 첨가된 라텍스의 질량)은 고정되어있다. 주어진 라텍스의 질량에 있어서, 입자의 사이즈에 따라서 개수가 결정될 것이다. 즉 750 마이크로 사이즈의 라텍스보다 175 마이크로 사이즈의 라텍스 입자가 더 많을 것이다.

 

  이것은 일반적인 입자간 상호반응이고 거대물질에서는 상호반응이 적을 것이고 이는 기계적 혹은 전기적/화학적 상호작용일 것이다. 그러므로 작은 입자들은 같은 부피분율 내에서는 더 많은 수의 입자가 존재할 것이고 상호작용도 많을 것이다.

 

  상호작용을 좁은 범위의 구조로 생각했을 때 기본적으로 점도가 증가하는 것으로 측정된다. 전단속도는 변형인자로 고려할 수 있으며 낮은 전단속도는 더 높은 전단속도에 비해 작은 변형을 유발할 것이다. 그러므로 약한 힘에 의한 낮은 전단속도와 강한 힘에 의한 높은 전단속도는 다르다. Fig 1 은 또한 낮은 전단속도에서 가장 큰 점도차이를 가진다는 것도 보여주는데 이는 입자상호작용이 약하고 쉽게 깨지기 때문이다.

 

  따라서 이 두 시스템은 높은 전단속도에서는 입자의 상호작용이 적어지기 때문에 비슷한 점도를 나타낸다.

 

  수지 기반의 잉크(활석을 필러로 사용한 잉크)인 경우 시스템 내에서 점도가 변할 것이다. Fig 2 에 잉크 원액은 일반적인 newtonian 점도를 나타낸다. 첨가된 수지는 꽤 단단한 물질이므로 이러한 고분자의 상호작용은 매우 큰 점도를 나타내게 되는데 이러한 힘은 전단에 저항하는 고분자 얽힘으로 나타나기 때문에 가장 작은 shear thinning 으로 나타난다.

 

 

  19 마이크로의 활석 입자의 경우 큰 사이즈의 입자는 상대적으로 작은 상호작용을 하기 때문에 초기 점도는 newtonian 경향을 나타내면서 약간 증가한다. 그러나 5 마이크로의 작은 입자가 들어간 경우는 입자개수가 많아지기 때문에 높은 점도의 증가를 보인다. 다시 한번 말하자면 이러한 입자 상호작용은 일반적으로 약하다. 그러므로 이러한 shear thinning 은 낮은 전단속도에서 높은 점도로 나타나게 된다.

 

부피분율과 분산도의 영향

 

  지금까지 제시한 것은 필러의 일정한 부피분율에 대해서 논의했다. 기본적으로 일정한 입자가 시스템에 들어간 것이다. 단순하게 입자의 부분율을 증가시키면 일반적으로 점도계로 측정된 점도는 증가할 것이다. 그러나 만약에 실질적으로 레올로지를 측정했을 때, 점도와 전단속도간의 관계는 좀 더 많은 정보가 필요하다. Fig 3 은 다양한 전단속도에서 잉크의 점도는 입자의 부피분율이 증가할 수록 증가하는 것을 보여준다. 그러나 유동성 역시 변하는 것을 확인할 수 있다.

 

 

  일반적으로 낮은 부피분율(40%이하)에서는 시스템 내의 입자개수는 서로 상호교환이 없을 만큼 낮기때문에 newtonian 특성을 계속 가지게 된다. 50% 정도에서는 입자의 개수가 서로 강한 상호작용을 하기 때문에 점도가 증가하는 현상을 보인다. 전에 논의한 바와 같이 이러한 상호작용은 약하다고 기술할 수 있고 높은 전단속도에서 이러한 약한 구조를 깨버리는 shear thinning 결과를 보인다.

 

  60% 이상의 높은 부피 분율을 가지는 시스템은 분명히 더 많은 상호작용을 하게 되고 낮은 전단속도에도 높은 점도를 나타내며 shear thinning 거동을 보인다. 그러나 이러한 복잡한 시스템에서의 입자이동에 대한 기계적인 어려움을 고려해야 한다. 이러한 양상은 높은 전단속도에서 두드러지게 나타나고 점도의 증가로 나타난다. 이때 shear thickening 또는 dilatant 특성을 보인다.

 

  부피분율에 의존하는 점도는 Krieger-Dougherty equation 으로 나타낼 수 있다. η는 서스펜전의 점도를 나타내고, ηmedium 은 기본용매의 점도를 나타낸다. φ 는 서스펜전 내에 존재하는 고체물질의 부피분율을 나타내고 φm 은 이러한 부피분율의 최대값을 나타낸다.

 

 

  또한 [η]는 용매의 intrinsic viscosity(고유점도)를 나타내고 구형 입자의 경우는 2.5 의 값을 나타낸다. Krieger-Dougherty equation 은 일정한 부피분율을 가지더라도 입자의 물성에 따라서 바뀔 수 있다. 이번 경우에는 최대부피분율(또는 패킹)에 직접적인 영향을 미치는 입자사이즈 분포 또는 입자간 거리범위이다. 단일분산된 구형입자가 채워진 시스템의 경우 최대 부피분율은 64%근처이다. 그러나 이것 역시 입자 주위에 흐름에 의해 효과적으로 증가한다(즉 부피분율의 비가 낮을 때). “쉽흐른다”는 단순하게 점도가 감소하는 것으로 생각할 수 있다. 이것을 다른 방법으로 해석하면 큰 입자들의
움직임을 작은 입자들이 효과적으로 윤활제 구실을 하기 때문이라고 할 수 있다.

 

  Fig 4 는 이것이 흥미로운 결과를 나타내는 것을 알 수 있다. 고정된 부피볼륨에서 큰 입자와 작은 입자로 이루어진 다분산 시스템의 점도는 각각의 점도보다 낮을 수 있다는 것을 보여준다. 두 가지의 상반된 효과가 나타나는데 하나는 입자 사이즈에 의존하는 상호작용하는 입자의 개수와 다분산 효과이다.

 

 

  코팅 시스템에서는 단순히 다분산도를 높이거나 첨가제의 양을 증가할 경우, 필러나 안료의 첨가 후에도 주어진 환경에서 점도를 유지할 수 있다.

  다분산의 효과는 다른 공급자가 코팅물질의 첨가제를 대체할 때 고려해야 한다. 공급자가 동일한 입자사이즈를 사용하는 것이기 때문에 분포에는 영향을 미치지 못한다. 그러므로 레올로지 특성은 변화가 없게 된다. 예를 들어 Mastersizer 2000 으로 측정할 경우 입자사이즈 뿐만 아니라 입자사이즈 분포도 측정 가능하다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


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