시료 내부 구조와 전단 박하 거동 측정

시료 내부 구조와 전단 박하 거동

측정하려는 시료에 따라서 고분자 시료 내부의 구조와 전단 박하(shear-thinning) 거동이 달라지게 됩니다. 그렇기 때문에 시료에 대한 특성을 알고 분석을 진행해야 정확한 해석이 가능해집니다. 오늘은 시료의 종류에 따른 고분자 시료 내부 구조와 전단 박하 거동 측정 방법에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

 

 

1. 폴리머

비가교 폴리머가 정지 상태일 때 긴 단섬유 분자는 수축이 되어 공과 같은 형태를 띠게 됩니다. 분자 가장자리에 있는 사슬은 서로 꼬임 상태가 되고 전단 하에서는 꼬인 공 형태의 분자 모양이 럭비공 모양과 같은 타원형 모양으로 바뀌게 됩니다. 이처럼 변형되면서 꼬여 있던 분자가 풀리고 개별 분자는 꼬인 초격자 구조보다 유동 저항이 더 적기 때문에 전단 속도가 높아지면서 전단 박하(shear-thinning) 유동 거동이 나타나고 점도 값이 낮아지게 됩니다.

 

폴리머 구조

 

나선형 분자의 지름이 5~50nm이고 몰 질량이 100kg/mol, 단섬유 분자의 길이가 1㎛~1000nm, 지름이 0.5nm인 폴리에틸렌의 크기 비율은 2000:1로 나타납니다. 이 문제를 보다 쉽게 이해하려면 두께가 1mm이고 길이가 2m인 고무줄을 생각해보면 됩니다.

 

 

2. 바늘 및 구형 현탁액

현탁액 내부에 바늘 모양이나 혈소판형 입자가 들어있다고 가정하고 상호 작용력이 없는 경우 현탁액의 입자 방향은 무질서하게 존재합니다. 여기에 전단을 작용하면 흐름 방향과 평행하게 입자가 정렬이 됩니다. 따라서 입자끼리 서로를 밀어내며 이동할 수 있고 정지되었을 때의 정렬되지 않은 상태에 비해 개별 입자의 유동 저항이 더 적으므로 전단 속도가 높아지면 전단 박하 유동 거동이 나타나면서 점도가 낮아지게 됩니다.

 

바늘 및 혈소판 모양의 입자

 

예를 들어 금속성 자동차 코팅의 안료 입자 지름이 30㎛이고 두께가 1㎛라면 크기 비율은 30:1이 됩니다. 이를 보다 쉽게 이해하려면 컵받침 모양을 생각해보시면 됩니다. 

 

 

3. 응집된 1차 입자 현탁액

응집된 1차 입자 초격자 구조가 들은 현탁액의 경우에는 현탁액 내 응집체 또한 정지 상태에서 분산액 부분을 둘러싸서 고정시키고 있습니다. 전단 하에 초격자 구조는 점점 1차 입자로 해체되고 크기가 작은 초격자 구조에서는 유동 저항이 더 적으며 고정돼 있었던 분산액이 이제 자유롭게 이동할 수 있게 됩니다. 그렇기 때문에 전단 박하 유동 거동이 나타나면 전단 속도가 높아지면서 점도는 낮아지게 됩니다.

 

고분자 응집체 응용

 

단일 1차 입자 크기가 10nm이고 집합체의 크기가 100nm라면 비교적 강한 결합을 통해 연결된 1차 입자입니다. 전체 크기가 최대 100㎛인 응집체는 밀도가 낮기 때문에 비교적 느슨하게 결합된 집합체라고 판단할 수 있습니다. 이처럼 응집된 1차 입자 현탁액을 통해서 다양한 정보를 해석할 줄 알아야 합니다.

 

 

4. 분산 방울이 포함된 유화액

정지상태에서 유화액 내부의 구 모양의 발 울은 흐르기 시작할 때 방울의 크기와 모양은 적용된 전단에 따라 달라집니다. 변형이 지속되면 분산 방울은 타원형으로 변하고 방울에 흐름 방향은 작은 횡단면이 나타나므로 유화액의 점도가 낮아져서 전단 박하 유동 거동이 발생하게 됩니다.

 

유화액 구조

 

전단력이 높을 때는 방울 분할이 발생되기 때문에 점도가 상승할 수 있습니다. 이러한 현상은 방울이 파괴되면서 용량별 표면적이 증가한다고 해석할 수 있습니다. 두 액상 간의 계면에서 상호 작용력이 강하면 실험자가 원하지 않는 결과를 초래할 수 있습니다. 예를 들면 핸드크림이나 로션을 바를 때 끈적이는 느낌을 들 수 있습니다. 정의한 전단 조건에 따라서 투명 물질을 광학적으로 확인할 수 있는 방법으로는 유동현 미경이 있습니다. 

 

 

오늘은 시료 내부 구조와 전단 박하 거동 측정방법에 대해서 알아보았습니다. 순수한 물을 제외하고 대부분의 액체는 다양한 성분들이 포함되어 있습니다. 이러한 폴리머나 현탁액, 유화액을 해석하기 위해서는 시료 내부의 구조와 전단 박하 거동을 머릿속으로 그릴 줄 알아야 합니다. 계속해서 이러한 방법으로 실험을 하다 보면 경험이 쌓이고 시료를 분석할 때 어떤 물질이 포함되어 있는지를 알 수 있게 됩니다. 내용이 이해가 안 가면 위의 내용을 다시 읽어보고 정확히 이해하고 다음 단계로 넘어가야 합니다.