점도계-rheometer 완전분석

소개글

점도계-rheometer 완전분석에 대한 보고서 자료입니다.

목차

□ rheology의 의미 / 기본원리
● 점성
● 유변학의 응용
● 저분자물질과 고분자 물질과의 차이

본문내용

N：지수법칙상수 또는 유동거동지수
속도 구배(-r)는 감소 추세임이 잘 알려져 있으므로 (-)부호를 생략하는 경우가 많다.
Rheometer
Brookfield 점도계
Brookfield 점도계는 측정하려는 유체에 spindle을 담그고 일정한 속도로 회전시킬 때 발생하는 torque 값을 측정하는 형태로서, shear rate는 Brookfield 점도계의 회전속도, spindle의 종류에 따라 결정되는 값이다. shear stress는 유체의 내부 저항 즉, Brookfield 점도계의 torque 값에 따라서 달라진다
- Brookfield 점도계 -
정확한 측정값을 얻기 위한 torque의 선택
점도값이 shear rate의 변화와 관계없이 항상 일정한 성질을 나타내는 유체로서 이러한 경우에 대해 정확한 측정을 위해서 미리 실험하여야 한다.
① RV 점도계로 1번 spindle을 사용 1rpm에서 torque값
10%와 점도값 1000cps일 때
② RV 점도계로 1번 spindle을 사용 5rpm에서 torque값
50%와 점도값 1000cps일 때
두 경우 모두 값은 측정값을 얻었으나 이 경우 측정 오차는
torque 값의 ±1%이므로
①의 경우 9-11 torque = 900 - 1000cps
②의 경우 49-51 torque = 980 - 1020cps 로서 torque
값이 높을수록 정확성이 크게된다.
회전식 점도계
회전식 점도계는 동심을 가진 지름이 다른 두 개의 실린더로 구성되며 환형의 공간에 점성도를 측정하고자 하는 액체를 채운다. 그러면 일정한 토크에서 다른 한 개의 실린더의 회전수에 따라 점성도의 크기가 달라지므로 환형속에 차 있는 액체의 점성도를 측정할 수 있다. 이러한 경우 기계적인 마찰손실량의 크기를 구하느냐 하는 것에 정확한 측정의 어려움이 따른다.
이제 외부 원통이 일정한 속도로 회전하면 내부원통도 점성작용으로 인하여 회전하는 데 스프링의 복원력과 점성력이 평형이 될 때 내부원통은 정지한다.
그림과 같이 R, h, 및 R/R을 작다고 가정하면 외부원통의 회전속도를 v라고 할때 토크(torque) T는
을 얻는다. 여기서 첫째항은 원통벽 사이에 적용하는 전단응력으로 인하여 생기는 토크이고, 둘째항은 원통 밑바닥 사이에 작용하는 전단응력으로 생기는 토크이다.
위식에서 R, h, R, h 등은 장치 고유의 상수이고 회전각속도 는 v에 비례하므로
또는,
와 같이 된다. 또 내부원통이 회전한 각도 편향각을 θ라 할때 T=k1 인 관계가 성립하므로
- 회전식 점도계 -
로 된다. 즉, 회전각속도와 편향각에 의하여 점성계수를 측정할 수 있다. 여기서 k₁과 K는 비례상수이다.
Saybolt 점도계
이것은 주로 유류의 점성계수를 측정하는데 사용되는 미국의 표준형 점도계이다.
위 식에 의하면 배출관 속의 압력 측정과 지름을 측정하여야 하는데 실제로는 어렵고 또 지름을 균일하게 만드는 것도 힘들기 때문에 실용방법에 있어서는 짧은 모세관을 통하여 일정한 체적 V=60cc가 흐르는데 요하는 시간을 측정하여 동점성계수의 척도로 삼는다. 이 시간을 Saybolt Universal초 (SUS,SSU,SUV) 라고 한다.
v와 Saybolt초(s) t 사이에는 다음과 같은 근사 관계식이 성립한다.
따라서 V 를 측정할때에는 먼저 코르크로 배출구를 막은 후, 액체를 채우고, 다음에 마개를 연다. 이 순간부터 용기속에 일정한 양(60cc)의 액체가 흘러내릴 때까지의 시간(t)을 측정하면 위의 식에서 V 를 계산할수 있다.
Ostwald 점도계
점성계수가 낮고 실험실 등에서 정밀을 요하는 표준점도계로서는 유리로 만든 Ostwald점도계가 있다. 이 점도계의조작법은 먼저 시험유체를 채우고, 다음에 흡상시켜서 액면이 내려오는데 걸리는 시간을 측정하면 된다. 그러나 Hagen-Poiseullie의 식에 의하면 모세관의 굵기와 길이, 속도 등을 측정하여야 하므로, 실제로는 복잡하고 곤란하다. 따라서 상대적인 비교법을 쓴다.
즉 점도의 절대값을 알고 있는 액체와 점도를 구하려는 액체를 위의 방법으로 각각 측정하여 비교한다. 액체가 흘러내리는 힘은 자중에 의한 것이므로, 만일 두 액체를 항상 같은 체적만큼 장티에 넣는다면, 그 힘은 이들 액체의 비중에 비례한다. 지금 기준에 되는 액체를 물이라 하고 점도, 비중, 유하시간, 또 측정하려는 액체의 것을 각각 μ, s, t라 하면, 점도의 비는 같다.
- Ostwald 점도계 -
Capillary 점도계
모세관을 통하여 유체를 흐르게 하는 데 소요되는 압력과 유속을 변화시켜 shear thinning 거동을 보이는 유체의 점도 측정(특히 고분자 용융체)의 점도를 측정
γw = (4Q/πa3)[(3/4) + (1/4)(d ln Q/d lnσw)]
γw :shear rate at wall
Q: volumetric flow rate
a: capillary 반경
σw :shear stress at wall
σw = △P/(2L/a)
△P: pressure drop, L: capillary길이
일반적으로 L/a가 20이상일 때(대부분의 capillary rheometer의 die) 위와 같은 식의 적용이 가능함.
만일 L/a 값이 크지 않은 경우 다음과 같은 Bagley 보정이 필요함.
σw = △P/(2L/a + nb)
nb: Bagley 보정치
Slit rheometer
Slit(폭:b, 높이:h)를 통하여 유체를 흐르게 하는 데 소요되는 압력과 유속을 변화시켜 shear thinning 거동을 보이는 유체의 점도 측정(특히 고분자 용융체)의 점도를 측정
γw = (2Q/bh2)[2 + (d ln Q/d lnσw)]
σw = (h/2)(dP/dl)
참고문헌
http://www.shindosc.co.kr/
http://www.reportworld.co.kr/
유변물성 측정기술, Rheometry 한국유변학회, p235～238
(2001)
유체역학, 김경천 외 3명, 인터버젼, p16～19 (1999)
유체역학, 이승목외 2명, 동화기술, p89～90 (1997)
유체역학, 신정철, 구민사, p413～417 (2000)

키워드

점도계,   rheometer,   점도,   유변학,   rheology