1. 개요

  제품들의 품질은 색상, 밀도, 안정성, 조성, 고형분 함량, 분자량, ph등 여러요소에 의해 결정되는데 이러한 요소들은 물질의 점도와 관계가 있어 점도를 측정함으로써 procssing, formulation change 등 유체에 대한 유용한 특성과 예측 가능한 정도를 얻을 수 있다. 예를 들면 process 설계에 있어서 유체의 이송 속도, pipe line의 최적화를 위하여 고려될 수 있다. 이와 같이 유체의 점도 특성에 관한 학문을 레올로지(rheology)라 한다. 레올로지의 특성(점도와 다른 특성 관계)은 다음과 같은 목적에 사용될 수 있다.

- 점도가 품질에 직접적으로 관계하는 경우

유체의 적용 : pumping, spraying, coating 작업의 용이성 및 결과는 점도에 따라

- 유체의 특성 판별

어떤 유체의 점도값은 그 물질의 분자량, 화학반응의 점도에 따라 달라지므로 점도를 측정함으로써 분자량 및 조성 등을 평가

- 점도와 관련된 다른 특성 예측

고형분 함량, 비중, 색상 등은 점도와 관련될 수 있으므로 점도를 측정함으로써 이들 특성을 손쉽게 결정할 수 있다.

2. 점도의 정의

  점도는 유체의 흐름에 대한 내부 저항으로 정의된다. 평행한 두 평판 사이에 유체가 채워져 있을때 한쪽 평판을 이동시킨다면 유체의 종류에 따라 평판을 움직이는데 필요한 힘의 크기가 달라진다. 즉 점성이 큰 유체일수록 더 큰 힘이 필요하게 된다.

  뉴톤은 아래 그림을 모델로 점도를 설명하였다. 면적 A가 dx만큼 떨어져 있는 평행한 두 평판 사이에 유체를 채우고 각각 V1, V2의 속도로 평판을 당겼을때 일정한 속도차를 유지하느데 필요한 힘은 거리 dx에 따른 속도의 변화율에 비례한다.

F/A = η dv/dx

이때 비례상수 η은 주어진 물질에 따라 다른 상수값을 나타내며 이를 점도(viscosity)라 한다. 위 식에서 속도 변화률(dv/dx)를 shear rate, 단위 면적당 필요한 힘 F/A를 shear stress라 한다. 즉, 점도는

η = viscosity = shear stress / shear rate

이다. 점도의 단위는

shear stress/shear rate  = dyne*sec/cm2 = 1 poise = 100 centipoise = 100 mpaㆍs

3. 점도의 종류

1) 절대 점도 : 중력에 관계없이 측정되는 점도를 말한다. 단위는 poise나 centipoise를 사용한다.

2) 동점도 ; 중력의 영향 하에서 측정되는 점도값으로 움직이는 유제의 점도를 말한다. 일반적으로 모세관(capillary)를 이용하여 유체를 떨어뜨려 점도를 측정하는 방법으로 단위는 stoke나 centistoke를 사용한다.(stokes = poise/density)

3) 상대 점도 : non - Newtonian 액체의 single shear rate나 single point에서 측정되는 점도값이다. 단위는 poise나 centipoise를 사용한다.

4. 유체의 분류

4.1 뉴톤 플루우

뉴톤은 점도의 정의에서 shear rate에 따른 점도값을 항상 일정하다고 하였다. 이와 같이 서로 다른 속도에서 유체의 점도를 측정할때, 결과 점도값이 동일한 유체를 ‘뉴톤 플루우’라고 하며 뉴톤 플루우의 경우 점도와 shear rate의 관계를 plot라하여 아래의 그림과 같다. 이러한 특성을 가지는 물질은 물, mineral oil, 수은, petroleum 등 단일 조성의 유체들이다.

4.2 논-뉴톤 플루우

뉴톤의 법칙에 위배되는 성질을 가진 유체를 논-뉴톤 플루우라고 한다.

논-뉴톤 플루우는 shear rate가 증가함에 딸라 점도값이 여러 가지 형태로 변한다.

- shear rate가 증가함에 딸라 점도가 낮아지는 pseudopalstic,

- shear rate의 증가에 따라 점도가 상승하는 dilatant,

- 정적 상태에서는 유동성이 없거나 일정한 힘을 가해주면 유동이 일어나는 plastic

- 일정한 shear rate에서 시간에 따라 점도가 감소하는 thixotropy

- 일정한 shear rate에서 점도가 증가하는 rheopectic

이와같이 여러 shear rate에서 점도를 측정하여 사용하려는 유체의 특성 및 공정 조건을 결정하여야 한다.

1) Time- independent

① pseudoplastic

이 부류의 유체는 shear rate가 증가함에 따라 점도가 감소한다. 대개의 논-뉴톤에서 흔히 볼수 있는 형태로서 paint, emulsion, dispersion 등이 해당한다.

② dilatant

shear rate가 증가함에 따라 점도값도 함께 증가하는 형태의 그래프를 갖는 물질들로 pseudoplastic 다음으로 많이 볼수 있다. shear rate에 따른 점도값의 변화를 기록함으로써 유체에 가해진 shear history가 유체의 취급 및 processing 과정에 주는 영향을 사전에 예측할 수 있다. clay slurry, candy comrpound, corn starch 등에 나타난다.

③ bingham plastic

이런 형태의 유체는 정적인 조건 하에서 고체와 같이 행동한다. 유동이 시작되기 전에 일정한 양의 힘을 가해야 한다. 이 힘을 소위 “Yield value"라 한다.

토마토 케첩이 대표적이다. 치약, 케첩, 샴푸 등의 yield value가 너무 높으면 용기에서 유체가 쉽게 빠져 나오지 못한다. plastic 형태의 액은 newtonina, pseudoplastic 혹은 dilatant의 유동 특성을 나타낸다.

2) Time-dependent

① thixotropy

위의 논-뉴톤니안 시료들 중에서 특히 시간에 따라 점도값이 변하는 유체를 thixotropy라한다. grease, heavy printinf ink, paint, lacquer, enamel, varnish 등에서 볼수 있다.

thixotropy는 가역적인 성질을 나타내며 일정한 shearing 상태에서 시간에 따라 점도값이 감소하는 물질이다. thixotropy정도가 약한 물질인 경우는 pumping 또는 circulation에 의해 원래의 상태로 되돌아가지만 그 정도가 심한 물질은 더욱 결력한 교반이 필요하다.

일반적으로 thixotropy의 원인은 ink를 예로, ink의 조성 중 pigement 입자의 positioning이나 alignment의 변화에 의한 것으로 보이면 이로힌해 semi rigid structure를 나타내기 때문인 것으로 알려졌다. 이는 pigment 입자의 물리적인 orientation이 변하는 것으로 교반등에 의해 원래의 상태로 되돌아가는 것으로 알수 있다. 이러한 현상은 pigment 입자의 polarity, particle shape, 접착력, 표면 장력등에 의한 것이다. 이중 입자의 shape는 매우 중요하며 특히 thixotropy 정도는 바늘형이 구형일때 보다 더 심해진다.

② rheopectic

이런 형태의 유체는 thixotropic과 반대로써 일정한 shear rate에서 시간에 따라 점도가 증가하는 형태로 드몰게 나타난다.

시간의 변수에 딸라 일정한 shear rate에서 수초내에 안정한 점도값을 갖는 유체와 수일이 되어야 안정한 값을 가지는 유체가 있다.

shear rate가 변함에 따라 thixotropy는 위의 그림에서 나타난 것처럼 점도가 급격히 상승하다가 다시 떨어지는 형태를 나타내는 반대의 경우도 있다.

5. 유체 특성에 영향을 미치는 요인

1.온 도

유체 운동과 관련된 첫 번째 요인 중의 하나는 온도다. 잘알려진 바와 같이 점도는 온도에 따라 변한다.

2. shear rate

어떤 용액의 특성을 파악하고자 한다면, 먼저 여러 가지 shear rate에서 점도를 측정해봐야 한다. 예를 들면, dilatant를 어떤 system을 통하여 pump로 이송하고자 할때 pimp 내벽에 서 고체로 되어 process가 중단되어 버리는 극단적인 경우도 생각해 볼수 있다. 이런예는 shear ratedpEkfms 점성을 파악하여 대처하는 것이 얼마나 중요한 일인가를 단적으로 보여준다. processing 동안 shear rate에 따라 다양하게 변하는 물질의 예로는 paint, 화장품, 액체 latex, coating , 몇몇 가지 식품들이 있다.

3. 측정 조건

전술한 바와 같이 측정 조건, 즉 viscometer의 model, spindle/speed 조건, sample continer size, guard led의 유무, sample perparation 기술에따라 정확한 점도 측정의 여부가 판가름된다.

4. 시간

thixotropic과 rheopectic 물질은 회전하는 조건에서는 경과된 시간에 따라 점성이 변하지만 대부분의 sample에서는 시간이 경과되어도 점성이 변하지 않는다. 여러 물질들이 화학적 방응에 의해서는 점성이 변하며, 이런 경우는 시간이 필수적으로 고려되어져야 한다. 이 경우 점도 측정은 반응 중의 한 point에서만 이루어져야 한다.

5. 기포

유체의 점도 측정은 유체안의 존재하는 air bubble에 의해 영향을 받는다. 점도계의 spindle에 의해 생성된 기포는 일반적으로 유체의 측정 점도를 증가시킨다. spindle 표면에 접해있는 기포는 spindle과 함께 회전할 수 있으면 이때의 기포는 sensor의 한부분으로 작용하여 spindle이 유체와 접하고 있는 총 표면적을 증가시킨다. 결과적으로 표면적의 증가로서 점도계 torque 값을 증가시키게 되고, torque 값의 증가는 좀더 높은 점도를 산출하게 된다.