제타 전위란? -1 : 제타전위 측정법 소개

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소개

제타포텐셜은 suspension 안의 모든 입자를 나타내는 물리적 물성이다. 또한  uspension 과 emulsion 의 거동을 명확히 보여줄 수 있다. 제타포텐셜에 대한 이해는 Trial formulation 을 만드는 시간을 줄여준다. 또한 장기적인 안정성을 예측할 수 있게 해준다.

Colloid Science

 

물질의 근본적인 상태 3 가지는 고체, 액체, 기체상태이다. 만약에 이들 상태 하나가 다른 상태에 정교하게 분산될 때 이것은 Colloidal system 이라고 한다. 이러한 물질은 대단히 실용적인 중요도를 내포한 특별한 물성을 나타낸다.  

 





Colloidal system 은 aerosols, emulsions, colloidal suspensions, association colloids 를 포함한 다양한 예를 보인다. 몇몇 확실한 조건에서는 dispersion 에 있는 입자는 다른 입자와 결합하여 결합체를 형성하고 사이즈가 증가하여 중력의 영향하에 놓이게 된다.

초반에 형성된 결합체는 floc 이라고 하며 이의 형성과정을 flocculation(응집)이라 한다. Floc 은 침전이나 상분리가 일어날 수도 있고 일어나지 않을 수도 있다.
이러한 결합체가 점점 밀도가 높게 형성되면 응고한다 라고 한다.  

 



입자간 결합은 매질보다 밀도가 더 높을 때 침전이 일어나고 매질보다 밀도가 낮을 때는 크림을 형성하여 분리가 일어난다. 이러한 응집과 응고과정은 종종 상호교환이 일어나기도 한다.

보통 응고반응은 가역적인 반응을 보이는 응집과는 다르게 비가역적으로 deflocculation(해교)이 일어난다.

그림 1 에 이러한 과정을 나타내었다. 

 

 

 

콜로이드 안정성 및 DVLO 이론 

1940 년에 과학자 Derjaguin, Verwey, Landau 및 Overbeek 이 colloidal 시스템 내에서의 안정성에 관련된 이론을 개발했다. DVLO 이론은 용액 내에서의 입자 안정성은 그 입자의 총 에너지함수에 에 의존한다고 제안했다.

 

 는 아래의 몇몇 기여도에 따라 결정된다.

 

  

 

 는 용매에 기인하는 포텐셜 에너지이고, 총 포텐셜에너지의 마지막 몇몇 나노입자들의 분리에 관여되는 가장 기여도가 작은 텀이다. 더 중요한 인자는  와 사의의 균형으로, 이는 인력과 척력의 분포를 나타낸다. 포텐셜적으로 좀 더 크고 큰 거리에 영향을 미치는

 

  

 





으로 나타내고 A 는 Hamaker 상수이며 D 는 입자 분리를 의미한다.

 

 



척력을 나타내는 포텐셜인    은 좀 더 복잡한 식을 가진다.

 

  

 





a 는 입자 반경, π 는 용매의 용해도이고 κ 는 이온조성, ζ 는 제타전위를 나타내는 함수이다.  



 
 



DVLO 이론은 colloidal 시스템에서의 안정성은 입자간에 브라운 운동시에 존재하는 반데르발스의 인력과 전기이중층에 의한 척력의 합으로 결정된다. 이 이론은 두 입자가 접근하는 것을 막는 척력과 두 입자가 결합하려는 것에 기인하는
에너지장벽을 나타낸다. 

 

하지만 이러한 에너지 장벽을 넘지 못한 입자는 인력이 작용하여 비가역적으로 서로 뭉치게 된다.따라서, 만약에 입자가 충분히 높은 반발력을 가지면 dispersion 은 응집이 일어나지 않게 되고 colloidal 시스템은 안정하게 될 것 이다.  

 



그러나 반발 메카니즘이 존재하지 않는다면 응집이나 응고가 일어나서 결국에는 침전이 일어날 것이다.  

 

 

 

만약에 제타전위가 감소하면 (고농도의 염인경우) 입자 사이에 더 약하고 포텐셜적으로 가역적인 결합이 있을 경우 “2 차  최저점”이 생성될 가능성이 있다.(figure 2 (b))

 





이러한 약한 floc 은 브라운 운동에 의해 깨지지 않을만큼 안정하지만, 강제적인 교반등에 의한 외부적인 힘이 작용하면 분산이 일어난다.

그러므로 colloidal 시스템의 안정성을 유지하는 것은 반발력이 지배적으로
작용해야 한다. colloidal 시스템의 안정성은 어떻게 이룰 수 있는가?

dispersion 의 안정성에 영향을 미치는 두 개의 근본적인 메카니즘이 있다.

입체적 반발-이것은 입자 표면에 흡착된 고분자와 입자표면이 가깝게 접근하는 것을 방해하는 고분자를 포함한다. 충분히 흡착이 일어날 경우, 고분자 층 사이의 입체적 반발로 인해 코팅된 두께가 충분히 입자분리를 유지할 수 있고 이러한 분리가 일어나면 반데르발스의 힘이 너무 약해서 두 입자가 결합을 일으킬 수 없다.

 

 

 

정전기적 혹은 전하안정성-시스템 내의 전하 분포에 기인하는 입자상호작용 효과이다. 각각의 메카니즘은 개개의 시스템에 유리한 점이 있다. 입체 안정성은 간단하고 적합한 고분자만 있으면 가능하다.  

 

하지만 고분자는 가격이 비싸질 수 있고 예를 들어 세라믹 슬립은 캐스팅과 소결시에 고분자는 타버려서 메카니즘에 맞지 않는 경우가 있다. 또한 이것은 수축을 일으키며 결점으로 작용 한다. 정전기적 혹은 전하안정성은 단순한 시스템내의 이온의 밀도를 바꾸는 안정화나 응집시스템에 장점이 있다.  

 

이것은 가역적 프로세스이고 비싸지 않다. 제타전위는 오랫동안 colloidal 입자간의 상호작용 정도를 측정하는 좋은 지표로 알려졌고, 제타전위의 측정은 일반적으로 colloidal 시스템의 안정성 확인에 사용해왔다.  

 

표면 전하  

 

수용성 매체에 있는 대부분의 colloidal dispersion 은 전하를 옮긴다. 입자의 기본 성질과 그 주위환경에 의존하는 표면전하에 대한 많은 원인이 있지만 우리는 더 중요한 메카니즘에 대해 고려할 것이다.

  표면그룹의 이온화 

 

입자 표면의 acid 그룹의 분해는 표면에 음전하를 띠게 한고 반대의 과정은 입자표면에 base 그룹의 분해에 의해 염기 양전하를 띠게 한다.


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