[논문]Poly(vinyl alcohol) hydrogel의 비 뉴톤 유변학적인 성질

김남정

Poly(vinyl alcohol) hydrogel의 비 뉴톤 유변학적인 성질
Non-Newtonian Rheological Properties of Poly(vinyl alcohol) hydrogel 원문보기

Elastomers and composites = 엘라스토머 및 콤포지트, v.44 no.3, 2009년, pp.323 - 328

초록
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고분자 용융 같은 물질의 유변학적인 성질은 전단 흐름에서 복잡한 비 뉴톤 유동 현상을 보인다. 이들 유동성질은 유동단위와 유동부분 사이의 상호작용의 특성에 의하여 결정된다. poly(vinyl alcohol) hydrogel의 비 뉴톤유동 곡선을 cone-plate 레오메타로 여러 온도와 여러 농도 조건에서 얻었다. PVA hydrogel의 유동 곡선을 비 뉴톤 유동식에 적용시켜 유동 파라메타를 얻었다. 유동현상은 전단 속도가 증가함에 따라 전단박화의 틱소트로피 현상을 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The rheological properties of complex materials such as polymer melts show complicated non-Newtonian flow phenomena when they are subjected to shear flow. These flow properties are controlled by the characteristics of flow units and the interactions among the flow segments. The non-Newtonian flow curves of poly(vinyl alcohol) hydrogel were obtained in various concentrations and temperatures by using a cone-plate rheometer. By applying non-Newtonian flow equation to the flow curves for PVA hydrogel samples, the rheological parameters were obtained. The PVA hydrogel samples are shear thinning under increasing shear rate modes which result in thixotropic behavior.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 여러 온도와 농도에서의 PVA hydrogel 계가 전단 속도가 증가함에 따라 틱소트로피 현상이 나타내는 것을 Ree-Eyring 틱소트로피 유동 방정식을 이용하여 이론적인 유변학적인 파라메타를 구하여, 미시적인 유변성질과 유동 메카니즘을 고찰하였다.
본 연구에서는 여러 온도와 농도에서의 PVA hydrogel 계가 전단 속도가 증가함에 따라 틱소트로피 현상이 나타내는 것을 틱소트로피 유동 방정식을 이용하여 유변학적인 파라메타를 구하여, 미시적인 유변성질을 고찰하였다. 이러한 유변학적인 파라메타로부터 자체 확산 계수 D와 홀 부피 V_h를 구할 수 있으며, 유동계의 점탄성 비율과 응력완화현상 및 유동구조의 변화를 메카니즘적으로 고찰할 수 있다.

가설 설정

여기서, G는 spring constant이고, S는 구조적 변화가 일어나는 molecular displacement로서, S = γṠ/kf＇으로 표현되며, 이때의 γ는 비례상수이다. 그런데 그 때의 S에 대한 식은 전단 응력에 의해 행해진 단위 시간당 molecular 또는 granular displacement가 전단 속도에 직접적으로 비례한다는 가정으로부터 얻어진 것이다. 변형에너지는 activation free energy에 대한 조건에서 disentanglement (앞으로는 D로 약칭)와 entanglement(앞으로는 E로 약칭)사이의 구조적 변화 과정에 따라 달라진다.

제안 방법

Bang 등은 전단 속도에 따라 다일레이턴시에서 틱소트로피로 전환되는 유동 메카니즘을 연구하면서 다일레이턴시에서의 파라메타와 틱소트로피에서의 파라메타의 값이 근사적으로 같다는 가정을 하고 고찰하였으나 본 연구에서는 틱소트로피 특성을 나타내는 틱소트로피 현상만을 고찰하였다. poly(vinyl alcohol) hydrogel은 낮은 전단 속도에서는 Newtonian 유동을 나타내지만, 높은 전단 속도에서는 non-Newtonian 유동으로의 전환 현상을 나타내며, 그 전환점은 전단 속도가 약 200～300의 범위에서 일어나는 것을 그림에서 유동곡선이 전단 속도 200～300 전에서는 직선을 보이다가 그 이상에서 곡선을 나타내는 것으로 알 수가 있다.
Brookfield사의 Model DV-Ⅲ rheometer로부터 얻은 응력 완화 곡선은 일정한 변형율로 전단 속도가 증가함에 따라 전단 응력값이 변하는 정도를 보여주는 up-curve와 전단 속도가 감소함에 따라 전단 응력값이 변하는 정도를 보여주는 downcurve로 나타내는데, 본 연구에서는 up-curve에 대한 값만을 취하여 고찰하였으며, 실험에 의해 얻은 값에 근거하여 근사적인 유동 파라미터 값을 구한 후, (11)식의 Ree-Eyring 유동방정식에 완화시간 (β2)0, structure factor C2, 전단 모듈러스 X2/α2의 각 파라메타 값을 대입함으로써 전단속도에 따른 이론적인 전단응력 값을 구하였다.
각각의 poly(vinyl alcohol) hydrogel들은 100 ㎖ 비커에 수집되었고, 수분이탈을 방지하기 위하여 para film ‘M’을 이용하여 봉인하였다.
레오메타로부터 얻은 응력 완화 곡선은 일정한 변형율로 전단 속도가 증가함에 따라 전단 응력값이 변하는 값을 이론적인 유동식에 대입하여 유동파라메타 완화시간 (β2)0, structure factor C2, 전단 모듈러스 X2/α2를 구하고, 각 파라메타 값을 다시 유동식에 대입하여 전단속도에 따른 이론적인 전단 응력 값을 구하였다.
본 실험에 사용된 poly(vinyl alcohol)은 Flucka Chemie AG(Switzerland)의 제품을 사용하였으며, 분자량은 15,000과 49,000을 사용하였다. 시약은 poly(vinyl alcohol)과 물 무게비로 5 wt%, 15 wt%, 25 wt%, 35 wt% 및 45 wt%의 농도로 증류수에 용해시켜 제작하였다. 각각의 poly(vinyl alcohol) hydrogel들은 100 ㎖ 비커에 수집되었고, 수분이탈을 방지하기 위하여 para film ‘M’을 이용하여 봉인하였다.
5 ㎖를 주입하여 시약들의 유변성을 측정하였다. 유변성 측정을 위하여 사용된 레오메타는 초기 전단 속도 값과 최종 전단 속도값을 각각 0.1으로, 전단 속도의 전환점은 1,500으로, 전단 속도에 따른 측정 간격을 10으로, 각 전단 속도에서의 측정 시간은 5초로 설정하여 측정하였다. 실험은 10 ℃, 20 ℃, 30 ℃, 40℃, 50 ℃에서 이루어졌으며 오차범위는 ±0.
제조한 시약을 5 ㎖ 주사기를 이용하여 레오메타에 0.5 ㎖를 주입하여 시약들의 유변성을 측정하였다. 유변성 측정을 위하여 사용된 레오메타는 초기 전단 속도 값과 최종 전단 속도값을 각각 0.
준비된 poly(vinyl alcohol) hydrogel들은 programmable rheometer(Brookfield사 Model DV-Ⅲ)를 이용하여 유변성을 측정하였으며 구동 소프트웨어로는 rheocalc for windows(version 1.01)를 사용하였다. 사용한 spindle은 CP52(cone angle : 3.
실험 오차를 최소화하기 위하여 동일한 조건에 대한 실험을 5회 이상 반복하였다. 파라미터의 계산은 레오메타 구동 소프트웨어(Rheocalc for windows)로부터 얻은 결과 값을 이용하여 자체 제작한 소프트웨어로 계산하였다.

대상 데이터

본 실험에 사용된 poly(vinyl alcohol)은 Flucka Chemie AG(Switzerland)의 제품을 사용하였으며, 분자량은 15,000과 49,000을 사용하였다. 시약은 poly(vinyl alcohol)과 물 무게비로 5 wt%, 15 wt%, 25 wt%, 35 wt% 및 45 wt%의 농도로 증류수에 용해시켜 제작하였다.
사용한 spindle은 CP52(cone angle : 3.0º)로 최대 shear rate : 500/sec, 최대 shear stress : 1966 dyne/cm2까지측정이 가능하다.
0º)로 최대 shear rate : 500/sec, 최대 shear stress : 1966 dyne/cm²까지측정이 가능하다. 항온조는 Brookfield사의 TC500을 사용하였다.

이론/모형

유동단위 2에 대해서 (3)식을 다시 써보면, D→E와 같은 구조적 변화에 관한 전단 응력 f₂는 다음과 같이 나타내진다. 이 식을 틱소트로피 이론식으로 유동 곡선에 적용하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	폴리비닐알콜(PVA)의 사용처는?	최근에는 생의학적인 측면1-3과 분리공정에 고분자를 적용시키기 위한 친수성 고분자 구조에 많은 관심이 집중되고 있으며, 여러 친수성 고분자 중 poly(vinyl alcohol)을 가교시켜4 만든 막에 의한 생의학적 분야5의 응용이 많이 연구되고 있다. 폴리비닐알콜(PVA)은 섬유, 접착제 등으로 이용되고 있는 중요한 고분자이며, PVA의 분자량은 가수분해도에 따라 다양한 종류로 시판되고 있다. PVA의 단량체인 비닐알코올은 불안정하여 존재하지 않기 때문에 PVA는 비닐알코올로부터는 제조할 수 없고 폴리비닐아세테이트(PVAc)를 메탄올 용매 중에서 알칼리 또는 산을 촉매로 하여 에스테르 교환반응으로 제조한다.
	PVA의 분자량은 무엇에 따라 시판되고 있는가?	최근에는 생의학적인 측면1-3과 분리공정에 고분자를 적용시키기 위한 친수성 고분자 구조에 많은 관심이 집중되고 있으며, 여러 친수성 고분자 중 poly(vinyl alcohol)을 가교시켜4 만든 막에 의한 생의학적 분야5의 응용이 많이 연구되고 있다. 폴리비닐알콜(PVA)은 섬유, 접착제 등으로 이용되고 있는 중요한 고분자이며, PVA의 분자량은 가수분해도에 따라 다양한 종류로 시판되고 있다. PVA의 단량체인 비닐알코올은 불안정하여 존재하지 않기 때문에 PVA는 비닐알코올로부터는 제조할 수 없고 폴리비닐아세테이트(PVAc)를 메탄올 용매 중에서 알칼리 또는 산을 촉매로 하여 에스테르 교환반응으로 제조한다.
	여러 온도와 농도에서의 PVA hydrogel 계가 전단 속도가 증가함에 따라 틱소트로피 현상이 나타내는 것을 Ree-Eyring 틱소트로피 유동 방정식을 이용하여 이론적인 유변학전인 파라메터를 구하여 미시적인 유변성질과 유동 메카니즘을 고찰한 결과는?	유동 파라메타에서 C2는 고분자의 내부구조에 밀접한 관계를 가지고 있는 structure factor를 나타내고, (β2)0값은 flow에 크게 영향을 미치는 완화 시간이며, X2/α2는 shear modulus이다. structure factor C2는 농도가 증가할수록 커지며, 높은 농도에서 내부 구조의 영향이 증가되어 전단응력이 증가됨을 알 수 있고, 온도에는 큰 변화가 없음을 알 수 있다. 완화 시간(β2)0값은 온도가 높을수록 작아져 유동현상이 커지는 경향을 보이며 농도가 증가하면 그 값이 증가해 유동현상이 작아지는 것으로 고찰된다. X2/α2로 나타내지는 shear modulus는 농도가 증가할수록 커지며, 온도가 증가할수록 작아지는 경향을 나타내고 있다. 이와 같은 유동 파라메타 값으로부터 유동계의 점탄성 비율과 응력완화현상, 자체확산 및 유동구조의 변화를 메카니즘적으로 고찰할 수 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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