초록 ▼

입자분산계는 페인트, 복합재료, 세라믹 재료, 고분자 재료 등은물론이고 의학과 환경분야에도 많은 응용이 있는 산업 여러 분야에서 매우 중요시되는 부분이다. 그러나 고체의 입자들이 균일한 상이 아닌 분산상태로 존재하는 것이므로 이들에의해서 나타나는 현상은 분산력, 정전기력 및 화학반응 등의 다양한 상호작용을 내포하고있어서 매우 복잡한 거동을 보인다. 특히, 입자의 크기가 1㎛이하의 크기를 가지면서 유체에 분산되어 있는 계는 입자의 브라운운동이 중요시되어 더욱더 복잡해지며 콜로이드라는새로운 복합유체계로 분류하고 있다

입자분산계는 페인트, 복합재료, 세라믹 재료, 고분자 재료 등은물론이고 의학과 환경분야에도 많은 응용이 있는 산업 여러 분야에서 매우 중요시되는 부분이다. 그러나 고체의 입자들이 균일한 상이 아닌 분산상태로 존재하는 것이므로 이들에의해서 나타나는 현상은 분산력, 정전기력 및 화학반응 등의 다양한 상호작용을 내포하고있어서 매우 복잡한 거동을 보인다. 특히, 입자의 크기가 1㎛이하의 크기를 가지면서 유체에 분산되어 있는 계는 입자의 브라운운동이 중요시되어 더욱더 복잡해지며 콜로이드라는새로운 복합유체계로 분류하고 있다. 일반적으로 입자분산계는 입자의 크기와 분산상의물성에 크게 의존한다. 미세한 입자들은 중력의 영향을 거의 받지 않으므로 입자의 표면성질과 브라운운동에 의한 확산이 중요해진다. 특히 분산액은 뉴톤유체에 분산되어 있더라도 입자의 농도가 증가함에 따라서 용매의 뉴톤거동과는 다른 전단담화 혹은 전단탁화와같은 비뉴톤성 거동을 보이며, 농도가 높아질수록 이러한 경향은 더욱 뚜렷하다. 따라서입자분산계가 가지는 안정성의 확보 및 가공공정을 위한 흐름물성의 조사는 필수적이다.본 연구에서는 단분산 실리카 입자를 제조하여 실리카 입자의 표면성질과 이에 따른안정성 및 계면활성제의 흡착 등을 조사하였으며, 동시에 실리카 분산액이 가지는 광유변학적 거동을 조사하였다. Stober et al.이 제기한 솔젤법을 이용하여 단분산의 실리카 입자가 제조되었으며 알콜의 종류, 암모늄 수용액의 농도 변화를 주어 최종적인 입자의 조절할수 있음을 확인하였다. 또, 실리카 입자가 등전위점이 pH2 근처에서 존재함을 확인하였고소량의 계면활성제인 폴리비닐알콜로 입자들을 안정하게 유지할 수 있었다. 또 입자분산계의 미세구조 변화를 조사하기 위하여 단순전단흐름과 진동을 가지는 동적인 레오미터를사용하였다. 거시적 수준의 결과를 주는 레오미터를 보완하기 위해서 미시적 수준의 구조를 판별할 수 있는 광학장치를 이용하였다. 레이저의 투과를 좋게 하기 위하여, 제조된 실리카 입자를 index-matching solvent인 에틸렌글리콜과 글리세린의 50:50 혼합물을 이용하여 투명한 분산액을 제조할 수 있었다.실리카 분산액은 모두 뉴톤거동에서 벗어난 비뉴톤거동인 전단담화 현상을 보였으며입자의 농도가 증가할수록 이러한 경향은 더욱 뚜렷하였다. 고안된 두개의 광학배열을 이용하여 분산계가 가지는 흐름장 유도 이색성을 측정하였으며 이를 이용하여 복굴절과 이색성을 모두 가지는 시료의 측정을 확인하였다. 측정된 이색성은 30% 분산계의 경우 서로비슷한 거동을 나타내었으며, 흐름장의 세기가 증가할수록 그의 흐름방향으로의 미세구조변화가 더 커짐을 확인하였다. 50% 분산액의 경우 미세구조의 변화는 더욱 복잡해져서전단율의 변화에 따른 이색성의 부호 변화와 함께 복잡해진 완화거동을 보여주었다. 이는분산액 내에서 입자들의 움직임이 미세 규모에서 클러스터와 같은 미세영역을 형성한다는것을 보여주는 것이며 이색성의 결과와 흐름장의 정지 시에 나타나는 다중산란현상을 통해서 확인하였다. 또한 전단탁화와 같은 촘촘한 분산계에서 얻어지는 현상의 해석에도 커다란 도움이 되리라 기대한다.

Abstract ▼

Particle dispersion is one of the important and various uses inmany industrial areas such as paints, composite materials, ceramic materials andpolymeric materials including medicals and environmentals. However, solid particlesare dispersed not homogeneously but heterogeneously in solv

Particle dispersion is one of the important and various uses inmany industrial areas such as paints, composite materials, ceramic materials andpolymeric materials including medicals and environmentals. However, solid particlesare dispersed not homogeneously but heterogeneously in solvent. Therefore, there aremany complicated phenomena involved dispersion force, electrostatic repulsion andchemical reaction. Generally, the small size particles are strongly dependent on surfaceproperties and Brownian diffusion under comparatively neglible graviatational force.Also, particle dispersions exhibit non-Newtonian behaviors such as shear thinning orshear thickening though they dispersed in Newtonian medium. The increasement ofconcentration also leads to distinguished non-Newtonian behaviors. For this reason, itis inevitable to examine both the stability of particle dispersions and study theproperties for practical significance.In this research, we prepared monodispersed silica particles and measured thesurface properties including relevant stabilities and adsorption of surfactant. Also, therheo-optical properties were investigated to control final material properties. Sol-gelmethod proposed by Stober et. al. was used for synthesis of silica under the control ofalcohols and concentration of ammonium hydroxide. The isoelectric point of silica waslocated near pH 2 and a few ppm of polyvinyl alcohol as a surfactant affected thestability of silica. To study the microstructural changes of dispersion, two types ofrheometers under steady shear flow and oscillatory flow were used. Optical apparatuswas also used for microscopic views. Index matching solvent, 50:50 mixture ofethylene glycol and glycerine rendered transparency of dispersion for penetrating lasersource.All silica dispersions showed non-Newtonian behavior deviated from Newtoniantrend and the increasement of concentration made non-Newtonian behaviors morepronounced. With two distinctly designed optical alignments, we measuredflow-induced dichroism of silica dispersion and confirmed the possibility for simultaneousdetection of materials which have meaningful birefringence and dichroism. Both of30wt.% dispersions exhibited similar behaviors and the microstructural changes wereenhanced as the flow strength increased. Wen the concentration increases,themicrostructure evolutions become more complicated. The change of sign and thedrastic relaxation of dichroism in 50wt.% dispersion explained that dispersions arecomposed of microdomains like clusters in microscale and this leads to multiplescattering after flow cessation. Furthermore, this research will contribute on theanalysis of shear thickening in dense dispersion.

목차 Contents

• 본 문...7
• 1. 서론...7
• 1-1. 연구배경...7
• 1-2. 기존의 연구...7
• 1-3. 연구목적...8
• 2. 연구방법 및 이론...10
• 2-1. 졸젤법에 의한 입자의 제조와 분석...10
• 2-2. 실리카 표면에서의 계면활성제 흡착...10
• 2-3. 유변학적 결과의 연구...12
• 2-4. 광유변학적 실험...13
• 2-5. 광학장치 해석을 위한 이론...13
• 3. 결과...19
• 3-1. 졸젤법에 의한 입자의 제조와 분석...19
• 3-2. 실리카 표면에서의 계면활성제 흡착...25
• 3-3. 유변학적 결과의 연구...29
• 3-4. 광유변학적 실험...33
• 4. 고찰...41
• 5. 결론...42
• 6. 인용문헌...43
• 연구수행관련 논문발표 목록서...44
• 자체평가서...50