고분자의 점도 특성, 점성과 뉴턴영역, 전단박화

 

 

 고분자는 점성과 탄성을 모두 지니고 있는 특성을 가졌다. 

 

✅점탄성을 가진 추잉 껌을 늘리면 탄성 때문에 원래대로 돌아가려고 하지만, 시간이 지날수록 탄성은 점성으로 변해 원래대로 돌아가려는 탄성이 감소하면서 모양이 변한다. 고분자는 이러한 특성을 지닌 것이다.

 

✅그래서 레오미터로 점탄성을 찍어보면 아래와 같은 [저장탄성률;G']과 [손실탄성률;G"], [각주파수;ω]에 관한 관계를 얻을 수 있다.

 

✅여기서 저장탄성률과 손실탄성률을 합한 것을 'complex shear modulus'라고 부르며, 복합전단탄성계수와 각주파수의 관계를 통해 복소점도;η*(complex viscosity)에 관한 그래프를 얻을 수 있다. *저장탄성률은 탄성, 손실탄성률은 점성으로 보면 된다.

 

• 2020/12/23 - [과학과 공학 이야기/고분자] - 점탄성; Viscoelasticity 거동, 점성과 탄성

source : TA instrument, Borealis

 

✅복소점도가 감소할수록 점탄성 특성이 낮아지므로, 점점 재료가 끊어진다고 보면 된다. 즉, 복소점도를 통해 점탄성과 관련된 고분자의 강성을 볼 수 있다.

 

 

 '뉴턴 영역'과 '비뉴턴 영역'

 

✅여기서 고분자는 점성에 관한 특이한 성질을 가지고 있는데, 아래와 같이 고분자에 전단력을 가하면 아래와 같은 그래프가 나온다.

 

✅이때 전단율(shear rate)이 거의 0에 가까울 때의 점도를 'η0'이라고 하며, 전단율이 무한대에 가까울 때를 'η∞'라고 한다. 그래프를 보면 전단율이 0에 가까울 때와 무한대에 가까울 때 점도는 일정한 모양을 가진다. 이 두 개의 구간을 '뉴턴 영역 : Newton region'이라고 한다. 

 

✅반면, 전단율이 증가하다가 어느 시점에서 전단력이 급감하게 되는데, 급감이 이루어지는 것을 '전단 박화 : Shear thinning'라고 하며 이 영역을 '비뉴턴 영역 : Non-Newton region'이라고 한다.

 

 고분자의 점도를 예측하는 수식 모델들은 여러 가지가 있는데, 대표적으로 Newtonain, Power-law, Cross, Carreau 등이 있다. 

 

 하지만 Newtonain은 조건에 상관없이 점도가 일정하다고 보며, power-law 모델은 뉴턴 영역을 고려하지 않기 때문에 과장된 결과를 보여줄 수 있다. 이 때문에 점도를 예측하는 수식 모델로써는 'Cross'와 'Carrau' 모델을 많이 사용하고 있다.

 

 

source : MATHEMATICAL MODELING OF FILLED POLYPROPYLENE BY MODIFIED CROSS MODEL