전단 박화 점도를 가지는 콜로이드 분산액의 미세채널 유동에서 입자 수직 이동 현상 연구

Abstract

콜로이드 분산액은 브라운 운동의 영향을 받는 작은 입자가 용매에 분산된 것으로 물질의 한 상태이다. 콜로이드 분산액은 자연계 및 생명 현상은 물론 식품, 페인트, 화장품 및 전자 재료와 같은 산업적으로 관련된 광범위한 제품에서 발견 및 적용될 수 있으며, 콜로이드 분산액의 적절한 응용을 위해서는 유변학적 특성을 분석하고 예측하는 것이 제품의 품질을 향상시키고 생산성을 높이는데 중요하다. 콜로이드 분산액에서는 특정 부피 분율 이상에서 전단 박화나 전단 농화 현상 같은 비선형적 유변물성이 관찰된다. 이러한 유변학적 특성을 예측하기 위해 많은 연구가 이루어지고 있으며, 많은 실험적 연구와 이론적 예측이 이루어지고 있다. 이전 연구에서 전단 점도가 전단율에 상관없이 일정한 나노 입자로 구성된 콜로이드 분산액에서 수직 응력 차이에 의해 마이크론 크기의 입자가 채널 중앙으로 집속되는 현상이 보고되었다. 본 연구에서는 전단 박화 현상을 보이는 콜로이드 분산액에서 입자의 수직 이동 현상을 연구하였다. 연구에 사용한 콜로이드 입자는 온도감응성 고분자의 일종인 PNIPAm[Poly(N-isopropylacrylamide)]이다. PNIPAm은 하한 임계 온도 이하에서는 내부에 물을 머금어 팽윤된 상태가 된다. 또한 hairy 구조를 가지고 있어 short range에서는 steric hindrance로 인한 반발력으로 응집을 막아주어 분산 안정화되는 것으로 알려져 있다. 단분산의 PNIPAm 입자를 합성 및 정제하여 얻은 입자를 물에 분산시킨 후, 분산액의 전단 유변 물성을 분석하였다. 또한 전단 박화 현상을 보이는 PNIPAm 수용액에 소량의 마이크론 크기의 폴리스티렌 입자를 첨가한 후, 미세 유체 채널에서 콜로이드 입자 농도와 유량에 따른 폴리스티렌 입자의 수직 이동 특성을 관찰하였다. 본 연구에서는 전단 박화 현상을 보이는 콜로이드 분산액에서 단면이 사각형인 미세채널에서 마이크론 크기를 가지는 입자가 유량 조건에 따라 채널의 중앙과 벽 사이의 공간으로 이동하는 것을 관찰하였다. 이상의 결과는 콜로이드 분산액이 가지는 유변 물성에 대한 이해를 높이고, 특히 콜로이드 분산액의 전단 박화가 입자의 수직 이동에 대한 이해를 높일 것으로 기대한다. 또한 생체 고분자 분산액과 같은 물질에서 입자를 집속 시키거나 분리하는 공정 조건을 개발하는데 활용할 수 있을 것으로 기대한다.