Rheometer

본문내용

성을 잘 나타내주고 있다.. Deborah 수가 0이면 고분자 물질을 점성유체로 간주할 수 있으며 Deborah 수가 무한대로 되면 후크(Hooken)탄성체로 간주할 수 잇다. 그 사이인 점탄성 특성을 보이는 구간은 크게 두 가지로 구분되는데, 변형이 작으면 선형 점탄성 특성을 보이며 변형이 크면 비선형 점탄성 특성을 보인다. 일반적으로 Deborah 수가 1보다 크면, 즉 고분자가 점탄성 특성을 보이면 공정중에 완화 되는데 요구되는 충분한 시간을 가질 수 없다.
Ⅳ. 측정기기 (Rheometer)
1. Brookfield Viscometer(회전형 점도계)
- 비커의 유체에 잠겨 회전하는 bob(작은 실린더)에 걸리는 torque를 C라고 하면
Ω1: angular velocity
b = r1/r0
n = d(ln C)/d(ln Ω1)
γ'범위: 0.1～10 sec-1
r1: bob의 반경
- 비교적 점도가 낮은 유체의 점도 측정에 널리 사용됨
2. Cone-and-Plate rheometer
- Cone 형상의 상부와 plate 형상의 하부 사이에 시료를 위치시키고 하부 plate를 회전시키면서 torque를 측정함
θ: cone의 각도(〈4。)
a: cone의 반경
-비교적 점도가 높은 유체의 낮은 γ＇범위(〈10sec-1)의 점도 측정에 널리 쓰임.
3. Parallel plate Viscometer
평행한 평판 사이의 비틀림 흐름의 경우
가장자리 에서의 면찰 속도 (r=a) :
이 점도계는 두 평행원판 사이의 간격 h에 유체를 채운다음 위판을 의 각도로 회전시키면서 아래판에 작용하는 토크(T) 와 thrust(F)를 측정하고 전단응력, 수직응력차, 저장 탄성률, 손실 탄성률 등을 구하는 장치이다. 이 점도계는 cone-and-plate 점도계와 마찬가지로 정상상태 파도상태 및 진동상태의 방식으로 작동시키면서 각종 전단 유변물성을 측정할 수 있지만 cone-and-plate와는 달리 유동장 내에서의 전단속도가 일정하지 않고 반지름 방향에 따라 선형적으로 증가하는 불균일한 유동을 보이므로 반지름 방향에 있는 특정한 위치에서의 전단응력과 수직응력 차이를 구하는 것이 필요하다..
3. Capillary rheometer(모세관 점도계)
-모세관을 통하여 유체를 흐르게 하는 데 소요되는 압력과 유속을 변화시켜 shear thinning 거동을 보이는 유체의 점도 측정(특히 고분자 용융체)의 점도를 측정한다.
γw :shear rate at wall
Q: volumetric flow rate
a: capillary 반경
σw :shear stress at wall
(△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.
nb: Bagley 보정치
-원통관을 따라 생기는 압력 기울기 ()(Poisenille 방정식)
♣ 압력 기울기 dP/dl을 정의하고 측정할 때의 주의 사항 :
반지름에 대한 관 길이의 비>100 이 아닌 한 입구와 출구 효과를 고려해야 한다.
이것은 다음과 같은 원인 때문에 발생한다.
(i) 입구까지 수렴하는 흐름에서 생기는 점성과 관성에 의한 손실
(ii) 관 내부에서 정상 상태 속도 분포에 도달하기까지 입구 속도의 재배열
(iii) 출구에서 생기는 위와 같은 유사한 효과
4. Slit rheometer
- Slit(폭:b, 높이:h)를 통하여 유체를 흐르게 하는데 소요되는 압력과 유속을 변화 시켜 shear thinning 거동을 보이는 유체의 점도 측정(특히 고분자 용융체)
5. 지수형 점도계
대표적으로 Synchroletric Viscometer를 들 수 잇다. 현탁계의 경우에는 벽면 미끄러짐 문제가 심각하게 나타나며, 또한 항복응력의 문제도 있으므로 아래 그림과 같은 날개형 점도계를 사용한다. 토크 점도계로 불리는 회분식 혼합기도 회전형 점도계라 할 수 있다. 원통형 교반 용기안에 두 개의 서로 반대방향으로 회전하는 날(blade)을 설치하고 회전시 필요한 토크를 측정하여 점도를 예측한다.
6. 동심원통 점도계 (그림 27.)
서로 다른 속도로 회전하고 있는 동심원통 사이에 유체가 들어있는 경우 유체는 전단유동을 겪게 되며, 특히 동심원통 사이의 거리가 작을 때는 전단속도가 거의 일정하게 되어 측정된 토크로부터 전단점도를 쉽게 계산해 낼 수 있다. 그런데 안쪽 원통을 바깥쪽 원통보다 더 빠르게 회전시키면 원심력에 의한 영향으로 Taylor instability 라고 일컫는 유동의 불안정성을 초래할게 되어 전단 유동을 만들기 어렵다. 그러므로 동심원통 점도계는 일반적으로 바깥쪽 원통을 회전시키면서 고정된 안쪽 원통에서 토그를 측정하도록 설계되어 있으며, 비교적 점도가 작은 유체에 사용된다.
7. Saybolt 점도계
이것은 주로 유류의 점성계수를 측정하는 데 사용되는 미국의 표준형 점도계이다.
배출관 속의 압력 측정과 지름을 측정하여야 하는데 실제로는 어렵고 또 지름을 균일하게 만드는 것도 힘들기 때문에 실용방법에 있어서는 짧은 모세관을 통하여 일정한 체적이 흐르느데 요하는 시간을 측정하여 동점성계수의 척도로 삼는다. 이 시간을 Saybolt Universal 초라 한다.
■ 참고문헌
1. http://www.cheric.org/ippage/e/ipdata/2004/06/file/e200406-301.pdf
2. http://instrument.or.kr/information/info_sub2.asp?root=6&id=756
3. http://www.korinstech.com/
4. C. D. Han, Rheology in Polymer Processing, Academic Press, New York, 1976.
5. 유체역학 , 이승목 외 , 동화기술, 1998
6. 응용 유체역학 , 김래현 등 , 대웅, 1998
7. 유변학 , 문탁진 , 인응사 , 1998
8. 단위조작실험 , 허광선 등 , 보문당 , 1996

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