The effects of the surfactant type, i.e., CTAB(cationic), SDS(anionic), and GA(polymeric), on the stability of 0.1 vol.% $Al_2O_3$ nanofluids were investigated. The changes in size and zeta potential of nanoparticles in nanofluids with pH, surfactant concentration, and time were experimen...
The effects of the surfactant type, i.e., CTAB(cationic), SDS(anionic), and GA(polymeric), on the stability of 0.1 vol.% $Al_2O_3$ nanofluids were investigated. The changes in size and zeta potential of nanoparticles in nanofluids with pH, surfactant concentration, and time were experimentally observed. The nanofluids adding CTAB, which ionizes of the same charge with the bare particle surface, was found to have the best stability regardless of the surfactant concentration, whereas those with SDS became unstable under low surfactant concentration conditions, i.e. lower than the critical micellel concentration(CMC), before the charge reversal occurred. With higher SDS concentration over CMC, they became stable. Gum Arabic, which had been used often to stabilize the nanofluids, was also tested. In result, it was found that the type and concentration of surfactants to add should be selected considering pH and the sign of the bare particle surface charge.
The effects of the surfactant type, i.e., CTAB(cationic), SDS(anionic), and GA(polymeric), on the stability of 0.1 vol.% $Al_2O_3$ nanofluids were investigated. The changes in size and zeta potential of nanoparticles in nanofluids with pH, surfactant concentration, and time were experimentally observed. The nanofluids adding CTAB, which ionizes of the same charge with the bare particle surface, was found to have the best stability regardless of the surfactant concentration, whereas those with SDS became unstable under low surfactant concentration conditions, i.e. lower than the critical micellel concentration(CMC), before the charge reversal occurred. With higher SDS concentration over CMC, they became stable. Gum Arabic, which had been used often to stabilize the nanofluids, was also tested. In result, it was found that the type and concentration of surfactants to add should be selected considering pH and the sign of the bare particle surface charge.
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가설 설정
입경해석 시, 평균 에러율(Avg. Residual)의 차수에 따라 Marquadt법과 NNLS법으로 선택적으로 재해석 하였으며 제타 전위값은 입자크기에 비해 Debye 길이가 입자크기에 비하여 작다고 가정하여 Smoluchowski식(3,4,5,6)을 이용하였다.
제안 방법
1vol.% Al2O3+Water (pH=5) 나노유체에 일반적으로 사용되는 계면활성제(SDS, CTAB)와 GA(Gum Arabic)를 첨가하여 시간에 따른 입자크기 및 제타 전위를 일정시간 간격으로 측정하고 pH 값에 따른 입자 크기 및 제타 전위의 변화를 측정하여 분산안정도에 영향을 주는 인자에 대한 연구를 수행하였다.
이 농도를 임계마이셀농도(Critical Micelle Concentration)이라 하는데(3) 본 연구에서 첨가한 SDS와 CTAB의 CMC를 Table 1에 도시하였다. GA는 첨가한 산화알루미늄 질량의 25wt%, 50wt%, 100wt%로 각각 첨가하여 계면활성제 첨가 샘플과 비교하였다.
) 나노입자(2 ~ 15nm)를 사용하여 DI water(pH=7)에 계면활성제와 함께 첨가하여 분산시켜 pH5로 적정하였다. pH 적정 후, Ultrasonic(ULH-700S, JEIOTECH)으로 20kHz로 한시간동안 분산한 뒤 측정하였다. 측정에는 Otsuka electronics(Japan)사의 ELS-Z를 사용하였다.
계면활성제 종류 및 농도에 따른 Al2O3 + Water 나노유체의 분산안정도를 시간, pH, 이온농도에 따른 입자 크기 및 제타 전위로 평가하였다.
본 연구는 산화알루미늄(Al2O3) 나노입자(2 ~ 15nm)를 사용하여 DI water(pH=7)에 계면활성제와 함께 첨가하여 분산시켜 pH5로 적정하였다. pH 적정 후, Ultrasonic(ULH-700S, JEIOTECH)으로 20kHz로 한시간동안 분산한 뒤 측정하였다.
대상 데이터
계면활성제는 크게 양이온 계면활성제(Cationic surfactant)와 음이온 계면활성제(Antionic surfactant), 그리고 비이온 계면활성제(Non-ionic surfactant)로 나뉜다. 본 연구에서는 음이온 계면활성제로 SDS를, 양이온 계면활성제로 CTAB을 사용하였으며 고분자 흡착에 의한 영향을 고려하기 위하여 GA(gum Arabic)을 비교 첨가제로 사용하였다.
pH 적정 후, Ultrasonic(ULH-700S, JEIOTECH)으로 20kHz로 한시간동안 분산한 뒤 측정하였다. 측정에는 Otsuka electronics(Japan)사의 ELS-Z를 사용하였다.
성능/효과
(1) pH에 따른 분산안정도는 SDS와 CTAB은 pH값이 증가함에 따라 입자크기가 커지고 불안정해지는 경향을 보였으나 GA의 경우는 이와 반대로 pH값이 높아짐에 따라 분산안정도가 향상되는 결과가 나왔다.
(2) 다양한 pH조건에서, Al2O3 입자표면과 같은 극성을 띄는 CTAB 계면활성제의 경우 농도에 관계없이 안정적인 제타 전위와 입자크기를 보였으며, 입자표면과 반대되는 극성을 가진 SDS를 첨가하는 경우, CMC이상의 농도를 첨가해 주어야만 입자의 분산 안정성이 확보됨을 관찰하였다. 적은 양의 CTAB을 공급하여 분산시키는 경우, 현탁액의 이온농도를 낮게 가져갈 수 있어, 나노유체의 장기보존에 유리하다고 판단된다.
(3) pH5에서 계면활성제의 농도에 따라 입자크기 및 제타 전위의 차이가 나타남을 관찰하였다. 이는 계면활성제 농도를 임계마이셀농도(CMC)를 기준으로 SDS, CTAB, GA로 각각 측정하였을 때, SDS1과 GA25는 CMC농도 아래에서 강한 응집이 일어난 반면, CTAB의 경우는 모든 CMC농도에서 안정적인 분산안정도를 보였다.
(4) GA의 경우 세가지 wt%에 대한 측정 결과 GA25에서 심한 응집이 나타났으며 GA50과 GA100에서는 SDS, CTAB과 비슷한 입자크기 및 제타 전위 값을 가지는 것으로 나타났다.
(5) 입자크기의 경우 계면활성제를 넣지 않은 Reference 샘플과 CMC이상 농도를 첨가한 샘플은 주어진 측정시간(180시간)에는 큰 차이가 나지 않았으나, 이온성 계면활성제의 영향에 의한 입자하전의 차이로 제타 전위의 차이가 나는 것으로 나타났다. 따라서 분산안정도를 시간에 따른 입자 크기 및 제타 전위의 결과로 볼 때, 계면활성제를 CMC이상 농도를 넣은 나노유체가 높은 하전으로 인한 안정적인 제타 전위 값으로 인해 Ref.
SDS1과 GA25를 제외하고는 대부분의 입자가 180시간동안 안정적인 입자 분포 및 크기를 유지하는 것으로 나타났다.
결과로 CMC이상에서의 계면활성제 농도는 입자하전에는 영향을 미치지만 입자크기에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
이 결과로부터 나노입자 분산 안정도에 첨가 전해질의 양도 영향을 주고 있음을 알 수 있다. 이는 첨가 전해질 양의 증가에 따라 입자간의 정전기적 반발력은 감소하기 때문인 것으로 사료된다.
2는 pH에 따른 제타 전위의 결과로 양이온 계면활성제인 CTAB과 음이온 계면활성제인 SDS 첨가에 따른 입자대전에의 영향을 나타낸다. 즉, 양이온 계면활성제를 사용한 입자는 표면 대전이 (+), 음이온 계면활성제를 사용한 입자는 (-)로 각각 대전이 됨을 알 수 있다. 이는 계면활 Fig.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
계면활성제를 이용한 입자의 분산안정도 제어란?
이중에서 계면활성제를 이용한 입자의 분산안정도 제어는 분산안정도 뿐만 아니라 입자의 극성 또한 제어할 수 있고 나노유체 외에도 애멀젼에서도 적용이 가능하여 주목을 받고 있는 방법 중 하나이다. (1,2)
나노입자의 분산안정성 제어는 무엇을 통해 이루어지는가?
나노입자의 분산안정성 제어는 용액의 pH조절, 계면활성제를 이용한 제어, 입자표면의 개질(플라즈마, flashing)등을 통해 이루어진다.(3)
나노입자를 이용한 열전달 향상에서 나노유체가 가지는 문제점은?
우선 나노유체의 가장 큰 문제점인 입자들간의 응집 및 침전으로 인해 높은 열전달 향상에도 불구하고 열전달 향상 효과가 시간이 갈수록 떨어지는 단점으로 나노유체의 시스템 적용에 한계가 있다. 또한 열전달 향상 효과의 시간 지속성 감소 뿐만 아니라 응집 및 침전으로 인해 열시스템의 작동이 중단되는 문제점으로 인해 분산안정도 문제에 대한 근본적인 연구 및 대책이 필요하다.
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