회전형 레오미터와 모세관형 레오미터의 원리 및 차이

 

 레오미터는 고분자의 점탄성 특징을 측정하는 대표적인 장비다. 점탄성에 관련한 내용은 아래 포스팅을 참고하면 되겠다.

 

• 2020.12.23 - [과학과 공학 이야기/고분자] - 점탄성; Viscoelasticity 거동, 점성과 탄성
• 2021.02.14 - [과학과 공학 이야기/고분자] - 고분자의 점도 특성, 점성과 뉴턴영역, 전단박화
• 2021.09.03 - [과학과 공학 이야기/고분자] - 고분자의 고체 점탄성 : Generalized Maxwell model, 일반화된 맥스웰 모델

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 레오미터는 대표적으로 크게 두 가지로 나뉘는데, 첫 번째는 '회전형 레오미터', 두 번째는 '캐필러리(모세관형) 레오미터'이다.

 

 이 두 장비는 측정 원리가 다르고, 이에 따른 측정 범위에 차이가 있다.

 

 

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 우선 회전형 레오미터는 시편을 원판 위에 올려놓고 회전운동을 통해 shear rate을 가하는 방식이다.

 

 대표적으로 TA사의 DHR-3을 볼 수 있는데, 홈페이지 브로셔를 보면 알 수 있듯이, 각속도와 주파수 측정이 모두 가능하다. 단, 각속도는 0~300 rad/s, 주파수는 최대 100 Hz까지 가능하며 비교적 범위가 좁게 느껴질 수 있다.

 

source : TA instrument

 

 최대 주파수는 100Hz까지 가능하지만, 실제로 측정하게 되면 회전이 너무 강해 원판 위의 시료가 분산되고, 불안정한 결과를 얻을 수 있다.

 

 회전운동을 수행하여 전단력을 인가하는 방식이라, shear rate에 따른 점도 외에 oscillation에 따른 storage & loss modulus 측정이 가능하다.

 

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 두 번째는 캐필러리(모세관형) 점도계이다. 회전운동을 수행하여 전단력을 인가하는 DHR과는 달리, 캐필러리 레오미터는 수직방향으로 전단력을 인기하여 샘플을 구멍을 통해 압출시키는 형태이므로 oscillation 실험이 불가능하며, 관찰 대상이 되는 shear rate의 범위 역시 DHR보다 훨씬 높다.

 

 캐필러리 레오미터의 원리는 크게 세관식과 자유낙하식이 있다.

 

ㄱ. 세관식 점도계

 

 1. 관로 중간의 가느다란 관을 통해 일정 체적의 액체를 흘려 그 흐르는 시간으로부터 점도를 구한다. 이를 '세관식 점도계'라고도 한다.

 

 1-1. 단위 시간당 흐르는 유체의 체적(유량)을 Q, 세관의 직경과 길이를 D(2r), L, 관의 양단에 압력을 P1, P2라고 했을 때, 이 차이는 ΔP라고 할 때, 유량은 압력 구배의 비례하고, 이를 통해 점도를 구함. 이는 '포아즈이유의 법칙'이라 불리며, 물리법칙에 의해 정의하므로 '절대점도법'이라고도 한다.

 

 1-2. 그리고 구한 유량을 통해 점도를 구할 수 있다.

 

source : 한국에이엔디(주)

 

 ㄴ. 자유낙하를 이용한 점도 측정

 

source : 한국에이엔디(주)

 

 일정 체적의 시료가 자유낙하에 의해 모세관을 통과해 흘러가는 시간 t를 측정하여 동점도 v를 구한다. 또한, 각각 모세관 점도계에는 점도계 정수라는 'C'가 정해져 있는데, 이 정수는 교정용 표준용액을 교정하여 정해진 정수다.

 

 

 

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 일반적으로 회전형 레오미터보다 캐필러리 레오미터가 측정하는 시료가 더 많이 필요한 것으로 알고 있고, shear rate 범위와 고정 온도 외 L by D와 shear rate 포인트 등을 지정해주는 것으로 알고 있다.