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■ 점도측정의 목적
◇ 품질을 결정한다.
- paint의 경우 점도가 너무 높으면 칠이 안되고, 점도가 너무 낮으면 흘러버린다.
- 인쇄 잉크의 점도가 너무 높으면 인쇄가 깨끗하지 못하다.
- 인쇄 잉크의 점도가 너무 낮으면 번진다.
◇ 특성 연구 및 품질관리
- Compounding시 첨가되는 물질의 종류에 따라 점도 차이가 난다.
- Batch 간의 균일성 검사
◇ Process의 설계
- Pipe line 내의 유체 점도가 너무 크면 pipe가 막힌다.
- 이송하려는 유체의 점도에 따라 pump의 power가 결정된다.
- 시간에 따라 점도가 상승하는 성질의 유체는 취급 시간을 짧게 해야한다.
■ 점도의 정의
점도는 유체의 내부 저항으로 정의된다. 평행한 두 평판 사이에 유체가 채워져 있을 때 한쪽 평판을 이동시킨다면 유체의 종류에 따라 평판을 움직이는데 필요한 힘의 크기가 달라진다. 즉 점성이 큰 유체일수록 더 큰 힘을 필요로 하게 된다.
Isaac Newton에 의한 점도의 정의
F/A = η × (dv/dx)
이때, 비례상수 η는 주어진 물질에 따라 다른 상수로서 이를 점도라 한다.
점도 ( η ) = shear stress/shear rate = F'/S = (F/A) / (dv/dx)
■ 점도의 종류
- 상대점도 : non-newtonian 용액의 점도. 하나의 shear rate에서 측정된 값을 말한다.(단위 : poise)
- 절대점도 : 중력에 관계없이 측정되는 점도. 용액의 절대점도를 말한다.
- 동점도 : 중력의 영향하에서 측정된 점도. 즉, 움직이는 유체의 점도(단위 : centistoke = poise/density)
■ 흐름에 따른 유체의 특성
한 물질의 점도값이 shear rate의 변화에 대해서 무관한 용액. 예로서 회전형 점도계에서 서로 다른 rpm에서 점도를 측정했을 때, 그 측정값이 rpm의 변화에 관계없이 일정한 용액. 주로 물, 수은, petroleum 등, 단일 조성의 유체들은 Newtonian fluid 라고 한다. 이에비해 rpm의 변화에따라 점도값이 변화하는 특성을 가진 유체를 non-Newtonian fluid 라고 하는데 대부분의 유체가 이에 속한다. 한다.
반면 non-Newtonian fluid의 경우, spindle의 종류와 rpm에 따라 측정 점도값이 변하는 즉, shear stress 대 shear rate의 관계가 일정하지 않을므로 shear rate의 변화에 따라서 점도의 변화가 다양하게 나타난다. 이와는 별개로 시간에 대한 영향 여부에 따라 시간의존성을 가진 type과 시간에 무관한 type으로 나뉜다.
즉, 유체의 점도는 온도의 변화뿐만 아니라 측정 조건 즉, spindle의 종류와 spindle의 회전속도, 시간의 경과에따라 다양하게 달라질 수 있다. 따라서 점도 평가를 위해서는 이러한 모든 조건이 일치하여야 동일한 값을 가질 수 있으며, 각 조건에따른 점도의 변화로부터 유체의 특성을 비교 평가할 수 있다.
Newtonian fluid의 shear rate vs shear stress, 점도대 shear rate의 관계
■ non-Newtonian fluid의 점도와 shear rate와의 관계에 따른 유체의 종류
◇ Pseudoplastic
이 부류의 유체는 shear rate가 증가함에 따라
점도가 감소한다.
◇ Dilatant
Shear rate의 증가에 따라 점도값도 함께 증 가하는 형태의 graph를 갖는 물질
◇ Plastic
이런 형태의 용액은 정적인 조건하에서 고체와 같이
행동한다. 유동이 시작되기 전에 일정한 양의 힘을 가해야 한다.
이 힘을 소위 "Yield value"라 한다.
◇ Thixotropy
일정한 shearing 상태에서
시간에 따라 점성이 감소하는 물질
◇
Rheopectic
이 형태의 fluid는 thixotropic과 반대로서 일정한 shear rate에 서 시간에 따라 점도가 증가
■ 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.
■ 점도측정을 할 때 고려해야할 사항(유체 특성에 영향을 주는 요인)
(1) 온도
점도값은 온도에 영향을 받으며, 그 변화 정도는 유체의 종류에 따라
다르다.
따라서, 어떤 유체의 점도를 이야기할 때는 "온도 몇도에서 점도값이 얼마다"라고 명시해주어야 한다.
(2) Shear rate
어떤 용액의 특성을 파악하고자 한다면, 먼저 여러 가지 shear
rate에서 점도를 측정해 보아야 한다. shear rate에 따라서 다양하게 변하는 물질(non-Newtonian fluid)로는 paint,
화장품, latex, coating등이 있다.
(3) 측정 조건
점도계의 모델,
spindle, speed 조건, sample container size, guard leg의 유무, sample 온도등의 변화하면 점도값은
달라질 수 있다.
(4) 시간
회전하는 조건에서 시간에 따라 점성이 변하는 sample에
대해서 반드시 시간을 고려해 주어야 한다.
(5) 조성 및 첨가제
물질의 조성은 자체 점도의
중요한 변수이며, 조성이 변하거나 다른 물질이 첨가되면 당연히 점성은 바뀌어진다.
(6) 기포의 영향
유체의 점도 측정은 유체 안에 존재하는 air bubble에 의해 영향을 받는다. 이것은 점도가 예상치 보다 증가 또는
감소하는 원인이 되므로 측정전에 제거하여야 한다.
◇ 정확한 측정값을 얻기 위한 torque의 선택
점도값이 shear
rate의 변화와 관계없이 항상 일정한 성질을 나타내는 유체(Newtonian fluid)의 경우 정확한 측정을 위해서는 다음을 생각하자.
① RV 점도계로 1번 spindle을 사용 1rpm에서 torque값 10%와 점도값 1000 cps일 때
② RV 점도계로
1번 spindle을 사용 5rpm에서 torque값 50%와 점도값 1000 cps일 때
두 경우 모두 같은 측정값을 얻었으나
Brookfield 점도계의 측정 오차는 torque값의 ±1%이므로
①의 경우
9-11 torque = 900 - 1100cps
②의 경우
49-51 torque = 980 - 1020cps
로서 torque 값이 높을수록 정확성이 크게 된다.
■ 점도 data의 비교
Newtonian fluid의 경우는
Brookfield 점도계로서 보다 정확한 점도를 측정하기 위해서는(측정의 정확성을 높이기 위해서는) 높은 torque를 나타내는 조건에서
측정하는 것이 좋다. 그러나 non-Newtonian fluid의 경우는 해당하는 각각의조건에서의 점도값의 변화정도를 비교하는 것이 목적이므로
"어떤 조건에서(온도, spindle 종류, 회전속도, 측정시간 등) 측정한 점도가 얼마다" 라고 이야기 하여야 한다.
■ Rheological Properties
어느 한
조건에서의 유체의 점도를 측정하는 것은 그러한 조건에서의 유체의 특성으로서 대부분의 유체는 조건의 변화 즉, 유체에 가해준 shear rate,
흐름속도등 여러 요인에의해 다른 거동 특성을 나타낸다. 유체의 이러한 특성을 파악하는 것은 그 유체를 연구하고 취급하는데 있어서 중요하다.
따라서 이러한 목적을 위해서는 다양한 조건에서의 실험 data를 구하여야 하고 이의 평가가 필요하다. | 
회전식 점도계
Portable & Tabletop (VT-06)
