콜로이드 응집체의 구조 분석 및 미세유변학적 모델링을 통한 점도 거동 예측 Structure analysis of colloidal aggregates and prediction of shear viscosity of the colloidal suspension through microrheological modeling원문보기
본 연구에서는 유변학적 방법을 이용하여 콜로이드 분산계 내 형성된 응집체의 구조를 분석한 후 점도 예측 모델에 적용하여 거시적 물성인 점도 거동을 예측하였다. 실험은 132nm 지름을 가지는 산화 아연 입자와 하이드로시에틸아크릴레이트로 구성된 분산시스템을 이용하였다. 분산액은 입자 부피분율 범위로 제조하였고, 10sec-1-100sec-1 전단속도로 점도를 측정하였다. 콜로이드 응집체는 입자 간 복합적인 힘이 작용하여 형성된다. 복잡한 매커니즘을 통해 형성된 응집체는 다양한 물리적 성질을 가지므로 응집체를 분석하는 것은 어렵다. 그러므로 응집체를 분석하기 위해서는 정량화된 기준이 필요하다. 본 연구에서는 ...
본 연구에서는 유변학적 방법을 이용하여 콜로이드 분산계 내 형성된 응집체의 구조를 분석한 후 점도 예측 모델에 적용하여 거시적 물성인 점도 거동을 예측하였다. 실험은 132nm 지름을 가지는 산화 아연 입자와 하이드로시에틸아크릴레이트로 구성된 분산시스템을 이용하였다. 분산액은 입자 부피분율 범위로 제조하였고, 10sec-1-100sec-1 전단속도로 점도를 측정하였다. 콜로이드 응집체는 입자 간 복합적인 힘이 작용하여 형성된다. 복잡한 매커니즘을 통해 형성된 응집체는 다양한 물리적 성질을 가지므로 응집체를 분석하는 것은 어렵다. 그러므로 응집체를 분석하기 위해서는 정량화된 기준이 필요하다. 본 연구에서는 프랙탈 차원과 전단의존지수가 포함된 매개변수()를 정의하고, 이를 이용해 응집의 밀집도, 전단에 의한 변형 정도를 분석하였다. 매개변수를 구하기 위해 두 가지 유변 물성을 사용하였다. 고유점도는 응집체의 수력학적 크기를 반영하는 물성으로 전단에 따라 감소한다. 낮은 부피분율에서 취한 고유점도와 전단속도의 관계를 통해 응집 구조를 나타내는 매개변수는 0.262의 값을 얻었다. 입자 부피분율이 높아지면 분산시스템 내부에 존재하는 응집체는 네트워크를 형성하여 흐르지 않는 콜로이드 겔 구조를 형성한다. 본 연구에서 사용된 산화 아연 분산계는 이상에서 콜로이드 겔 구조를 형성하며, 형성된 젤 구조에서는 항복응력이 나타난다. 콜로이드 겔 구조에서 얻은 항복응력과 입자 농도 사이 관계로 를 도출했다. 두 가지 입자 부피분율 범위에서 취한 가 유사한 값을 가진 것으로 보아 유변학적 방법을 사용하여 응집을 분석하는 것이 유효함을 확인할 수 있다. 유변 물성으로 구한 매개 변수를 이용해 거시적 물성인 점도를 예측하고 실험을 통해 얻은 점도 값과 비교하였다. 일반적인 점도 예측 식인 Krieger-Dougherty 식과 Casson 식은 농도 혹은 전단 각각에 대한 관계를 나타낸다. 본 연구에서는 농도와 전단을 동시에 반영하는 모델을 제시하였다. 기존 식과는 다르게 self-consistent 이론을 적용하여 유체가 응집체에 작용하는 힘과 응집체 간 상호작용을 동시에 고려하였다. 예측한 점도와 측정한 값이 유사한 것으로 보아 이 모델은 실제 시스템을 적절히 반영하고 있음을 알 수 있다. 모델링에서 사용되는 피팅 상수는 응집체를 구성하고 있는 입자 간 결합의 강도를 나타내며, 실험 결과 산화 아연 응집체는 단일 결합이 주로 이루어진 약한 응집체임을 알 수 있다.
주요어: 고유 점도, 항복 응력, 유변학적 모델링, 점도 거동 예측
본 연구에서는 유변학적 방법을 이용하여 콜로이드 분산계 내 형성된 응집체의 구조를 분석한 후 점도 예측 모델에 적용하여 거시적 물성인 점도 거동을 예측하였다. 실험은 132nm 지름을 가지는 산화 아연 입자와 하이드로시에틸아크릴레이트로 구성된 분산시스템을 이용하였다. 분산액은 입자 부피분율 범위로 제조하였고, 10sec-1-100sec-1 전단속도로 점도를 측정하였다. 콜로이드 응집체는 입자 간 복합적인 힘이 작용하여 형성된다. 복잡한 매커니즘을 통해 형성된 응집체는 다양한 물리적 성질을 가지므로 응집체를 분석하는 것은 어렵다. 그러므로 응집체를 분석하기 위해서는 정량화된 기준이 필요하다. 본 연구에서는 프랙탈 차원과 전단의존지수가 포함된 매개변수()를 정의하고, 이를 이용해 응집의 밀집도, 전단에 의한 변형 정도를 분석하였다. 매개변수를 구하기 위해 두 가지 유변 물성을 사용하였다. 고유점도는 응집체의 수력학적 크기를 반영하는 물성으로 전단에 따라 감소한다. 낮은 부피분율에서 취한 고유점도와 전단속도의 관계를 통해 응집 구조를 나타내는 매개변수는 0.262의 값을 얻었다. 입자 부피분율이 높아지면 분산시스템 내부에 존재하는 응집체는 네트워크를 형성하여 흐르지 않는 콜로이드 겔 구조를 형성한다. 본 연구에서 사용된 산화 아연 분산계는 이상에서 콜로이드 겔 구조를 형성하며, 형성된 젤 구조에서는 항복응력이 나타난다. 콜로이드 겔 구조에서 얻은 항복응력과 입자 농도 사이 관계로 를 도출했다. 두 가지 입자 부피분율 범위에서 취한 가 유사한 값을 가진 것으로 보아 유변학적 방법을 사용하여 응집을 분석하는 것이 유효함을 확인할 수 있다. 유변 물성으로 구한 매개 변수를 이용해 거시적 물성인 점도를 예측하고 실험을 통해 얻은 점도 값과 비교하였다. 일반적인 점도 예측 식인 Krieger-Dougherty 식과 Casson 식은 농도 혹은 전단 각각에 대한 관계를 나타낸다. 본 연구에서는 농도와 전단을 동시에 반영하는 모델을 제시하였다. 기존 식과는 다르게 self-consistent 이론을 적용하여 유체가 응집체에 작용하는 힘과 응집체 간 상호작용을 동시에 고려하였다. 예측한 점도와 측정한 값이 유사한 것으로 보아 이 모델은 실제 시스템을 적절히 반영하고 있음을 알 수 있다. 모델링에서 사용되는 피팅 상수는 응집체를 구성하고 있는 입자 간 결합의 강도를 나타내며, 실험 결과 산화 아연 응집체는 단일 결합이 주로 이루어진 약한 응집체임을 알 수 있다.
We study the structure of aggregates in colloidal dispersion consisting of zinc oxide particles and hydroxyethyl acrylate. To analysed a structure of zinc oxide colloidal aggregates, we introduce structure parameter which is included fractal dimension and shear dependence exponent. And then is a...
We study the structure of aggregates in colloidal dispersion consisting of zinc oxide particles and hydroxyethyl acrylate. To analysed a structure of zinc oxide colloidal aggregates, we introduce structure parameter which is included fractal dimension and shear dependence exponent. And then is applied to Self-Consistent model to predict shear viscosity behavior. The parameter is analysed by scaling relations based on rheological properties of colloidal dispersion. In this paper, we used intrinsic viscosity and yield stress to determine . The intrinsic viscosity is a property reflecting the hydrodynamic volume of the aggregate and decreases with shear. From the relations between the intrinsic viscosity and the shear rate at low volume fractions, the parameter was obtained as 0.262. As the particle volume fraction increases, aggregates form a network structure which called gel structure. The zinc oxide dispersion formed gel structure at and yield stress appears. From relations yield stress appeared in gel structure and particle volume fractions, the parameter is determined to 0.235. It is concluded that the analysis using rheological method is a suitable method considering that the taken in the two particle volume fraction ranges have similar values. The structure parameter derived in rhological method is utilized in Self-Consistent model to predict shear viscosity of colloidal dispersion as a function of particle volume fraction and shear rate. Different in other shear viscosity model, Self-Consistent model is considered hydrodynamic interaction of aggregates. The modeling was carried out by adjusting the fitting constant so that the predicted viscosity value and the experimentally measured value were similar. The predicted viscosity for Self-Consistent model is similar to the measured value, which indicates that the model reflects the actual system. The fitting constants used in the modeling show the strength of inter-particle bonds forming the aggregates. As a result, zinc oxide aggregates are weak aggregates mainly composed of single bonds.
We study the structure of aggregates in colloidal dispersion consisting of zinc oxide particles and hydroxyethyl acrylate. To analysed a structure of zinc oxide colloidal aggregates, we introduce structure parameter which is included fractal dimension and shear dependence exponent. And then is applied to Self-Consistent model to predict shear viscosity behavior. The parameter is analysed by scaling relations based on rheological properties of colloidal dispersion. In this paper, we used intrinsic viscosity and yield stress to determine . The intrinsic viscosity is a property reflecting the hydrodynamic volume of the aggregate and decreases with shear. From the relations between the intrinsic viscosity and the shear rate at low volume fractions, the parameter was obtained as 0.262. As the particle volume fraction increases, aggregates form a network structure which called gel structure. The zinc oxide dispersion formed gel structure at and yield stress appears. From relations yield stress appeared in gel structure and particle volume fractions, the parameter is determined to 0.235. It is concluded that the analysis using rheological method is a suitable method considering that the taken in the two particle volume fraction ranges have similar values. The structure parameter derived in rhological method is utilized in Self-Consistent model to predict shear viscosity of colloidal dispersion as a function of particle volume fraction and shear rate. Different in other shear viscosity model, Self-Consistent model is considered hydrodynamic interaction of aggregates. The modeling was carried out by adjusting the fitting constant so that the predicted viscosity value and the experimentally measured value were similar. The predicted viscosity for Self-Consistent model is similar to the measured value, which indicates that the model reflects the actual system. The fitting constants used in the modeling show the strength of inter-particle bonds forming the aggregates. As a result, zinc oxide aggregates are weak aggregates mainly composed of single bonds.
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