Wormlike micelle 용액이 겪는 유동 이력에 따른 신장 유변 물성 변화 연구

Abstract

계면활성제 분자는 구형, 원통형, 분기 사슬형 그리고 길고 유연한 wormlike micelle까지 복잡하고 동적으로 변하는 다양한 형태로 자기 조립 현상을 나타낸다. Wormlike micelles 용액은 계면 활성제의 농도가 높은 경우에 형성되는 복잡 유체의 일종이며 상대적으로 낮은 농도에서 얽힘을 형성하고 유변학적 특성이 고분자 용액과 유사하다. 그러나 계면 활성제 분자 사이의 약한 이온 결합에 의해 형성되는 wormlike micelle 사슬은 가역적, 연속적으로 부서지고 재형성될 수 있는 동적 미세 구조를 가지고 있다. 또한, 유동에 의한 micelle의 늘어남 및 정렬은 유동에 의해 유도되는 사슬 절단, 구조 형성 및 탄성 불안정성을 포함한 새로운 현상들을 초래한다. 한편 다양한 응용 분야에서 강력한 신장 구성 요소에 따라 유체 미세 구조의 크고 빠른 변형이 일어나기 때문에 복잡한 신장 흐름 역학을 이해하는 것이 중요하다. Wormlike micelle 용액의 전단 흐름 역학은 비교적 활발히 연구되어 이해되고 있으나 신장 흐름 역학은 아직 이해되지 않고 있는 측면이 많다. 특히 wormlike micelle 용액의 신장 유변 물성에 대해 유체가 겪는 유동 이력 효과에 대한 이해는 매우 제한적이다. 본 연구에서는 Dripping-onto-substrate/capillary break-up extensional rheometry 기법과 정교하게 유동 이력을 조절할 수 있는 압력에 기반한 유량 제어 방법을 결합하여 wormlike micelle이 겪는 유동 이력에 따른 신장 유변 물성 변화를 살펴보았다. 기존 상업적인 CaBER와 달리 초기 변형 단계(initial step strain)에 의해 미세구조의 파괴가 존재하지 않는다는 점과 저점도, 저탄성 유체의 신장 유변 물성 측정이 가능하다는 장점이 있다. 기존 문헌의 DoS-CaBER에는 용액의 높은 퍼짐성으로 인한 droplet depinning 및 구동 방식에서 발생하는 긴 response time 문제점이 존재하여 본 연구에서는 개선된 DoS-CaBER를 사용하였다. 사용된 wormlike micelle 용액은 cetylpyridinium chloride/sodium salicylate(CPyCl/NaSal)을 NaCl 수용액에 일정한 비율(염/계면활성제=0.5)로 첨가하여 다양한 농도로 제조하여 신장 유변 물성의 농도 의존성을 파악하였다. 또한, 낮은 특성 전단율부터 높은 특성 전단율까지 유동 이력 정도에 따른 신장 유변 물성 변화를 관찰하였다. 본 연구에서는 서로 다른 농도의 wormlike micelle 용액이 동등한 유동 이력들을 겪는 경우들을 비교했을 때, 농도 및 특성 전단율 증가에 따라 신장 점도 및 신장 완화 시간의 증가가 발생했다. 또한, 특정 농도의 wormlike micelle 용액의 경우 viscous-capillary와 elasto-capillary 전이 영역에 위치해 다른 농도 결과와 다른 양상을 보였다. 본 연구의 결과들은 핀치 오프 동역학이 중요시되는 다양한 산업 현장의 핵심 제조 공정(예: 코팅, 분사, 적하, 분배, 인쇄)에서 용액의 신장 유변 물성 특성화에 응용될 수 있다. 관을 따라 흐르는 유체가 겪은 유동 이력에 따라 신장 유변 물성의 변화가 초래되기 때문에 가해지는 특성 전단율 계산을 통해 신장 유변 물성을 제어할 수 있다는 가능성을 제시하였다. 또한, 상업적인 신장 유변 물성 장비의 한계점을 보완한 DoS-CaBER 장비의 문제점을 분석하여 개선된 DoS-CaBER를 새롭게 제시한 것에 의의가 있다.