레올로지는 응력하에서 재료의 변형 및 유동에 관한 것입니다. 예를 들어, 재료가 압력을 받으면 얼마나 쉽게 변형되는지 또는 파이프에서 액체를 펌핑하는 것이 얼마나 쉬운지 같은 겁니다. 항복응력과 점도는 레올로지 연구에서 중요한 측면이며 이번에는 셀룰로스피브릴/나노셀룰로스 기술을 사용한 예시를 설명하고자 합니다.
HIGH VISCOSITY AND EXTREMELY SHEAR THINNING BEHAVIOR
레올로지는 주로 점도와 관련됩니다 : 흐름에 제어할 수 있는 재료의 능력. 물과 같은 액체에서 이는 분자사이의 마찰로부터 비롯됩니다. 예를 들면, 분자의 크기와 분자 간의 상호작용 같은 것입니다.
셀룰로스 피브릴 서스펜션은 셀룰로스 섬유와 주위의 물(최종 적용제품에서는 더 많은 성분이겠죠?) 두 가지 성분으로 구성되어 있기 때문에 설명이 조금 필요합니다. 물 자체의 점도는 매우 낮지만 물에 잘 분산된 소량의 셀룰로스 섬유가 전체 그림을 변화시킵니다. 생성된 현탁액의 점도가 훨씬 높아지는 이유는 첫째, 입자가 액체의 유동을 방해하기 때문에 점도가 증가합니다. 둘째로, 셀룰로스피브릴이 단일섬유가 아니라 효과적으로 흐름에 저항하는 연속적이고 강력한 네트워크를 형성하게 됩니다. 이 결과, 현탁액의 점도는 매우 증가합니다.
이렇게 형성된 네트워크가 외부압력이 없을때의(at rest) 셀룰로스피브릴 서스펜션의 높은 점도를 유지시켜 줍니다. 그러나, 서스펜션에 힘을 가하면, 예를 들어 스푼으로 혼합한다던지, 이 네트워크는 끊어지고 점도는 감소합니다. 서스펜션에 더 많은 힘을 가하면 할수록 점도는 감소합니다. Shear thinning 이라고 하는 이 효과는 셀룰로스피브릴의 가시적인 효과중 하나입니다. 이러한 특성은, 점성이 매우 높은 서스펜션을 펌핑하거나 스프레잉할 수 있는 제품에서 효과를 발휘합니다. 아래 그림에서 보는 바와 같이 전단(shear) 하에서 쉽게 유동하고, 전단이 멈추면 피브릴 네트워크는 원래 구조를 회복합니다. 그 결과, 점도는 전단이 가해지기 전에 원래의 값으로 되돌아 갑니다.
Figure 1. Graph showing the shear thinning behavior of 0.5% cellulose fibrils (Exilva, MFC from Borregaard) suspension in water: Viscosity drops from 10 Pas to 0.01 Pas when shear rate is increased from 0.025 to 250 s-1.
셀룰로스피브릴/나노셀룰로스가 다른 레올로지 첨가제와 비교되는 방식에 관심이 있으시다면 이전 블로그를 읽어 보십시오.
HEUR
HASE
FUMED SILICA
"This in turn is how very high viscous suspensions with cellulose fibrils can be pumped or even sprayed". This image shows how a product with cellulose fibrils, to the right, immediately recover its structure after easily being sprayed.
HIGH YIELD STRESS
셀룰로스피브릴/나노셀룰로스 네트워크는 한번 흐르기 시작하기 위해선 상당히 높은 힘이 필요합니다. 레올로지 측면에서 흐름을 시작하기 위해 특정영영당 필요한 힘을 항복응력이라고 합니다. 네트워크를 끊는데 정확히 어느 정도의 힘이 필요한지는 섬유사이의 접촉점 수와 이러한 접촉점에서 얼마나 강한 상호작용이 있는지에 달려 있습니다.
실제로, 다음과 같은 요인들이 네트워크의 강도에 영향을 미칩니다 : 물 속의 셀룰로스 피브릴 농도, 피브릴의 분산상태, 서스펜션의 염농도, 기타 이외 성분들과 pH.. 피브릴이 잘 분산되어 있을 때, 가장 높은 겔 강도를 가지지만 이들은 여전히 강한 상호작용력을 가지고 있습니다.
높은 항복응력은 셀룰로스피브릴/나노셀룰로스를 서스펜션 또는 유제의 안정제로 사용할 수 있게 해줍니다. 이유는, 피브릴이 입자나 방울을 네트워크에 붙잡아 침전이나 부유를 방지시켜 주기 때문입니다.
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