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1. 유변학(Rheology) 개론
1.1. 유변학의 정의 및 특성
유변학(Rheology)은 물질의 흐름과 변형에 관한 학문으로, 제품의 생산 과정에서 각종 원료 물질이 외부의 힘(Force)에 의해 어떻게 변형하면서 흐르는지를 다루는 학문이다. 유변학은 화공, 기계, 섬유, 재료, 항공, 고분자 등 공학 뿐만 아니라 물리, 수학, 화학 등 순수과학과 의학, 식품 등 여러 분야와 관련된 대표적인 범학제적 학문이다.
기름, 점토, 수지, 고무, 유리, 아스팔트, 셀룰로오스, 녹말 등 화학적으로 복잡한 구조를 가지며 역학적으로는 고체와 액체의 중간성질을 나타내는 천연물질이나 합성물질에 대하여 그 점성, 가소성, 시소트로피(thixotropy:물체가 외력에 의하여 연화와 경화를 반복하는 성질), 탄성, 점탄성, 접착, 마찰 등의 각종 성질을 다룬다. 이러한 성질은 물질의 구조나 그 분자 또는 원자간의 힘과 밀접한 관계를 가지고 있다. 따라서 역학이나 물성론, 나아가서는 생물학, 콜로이드화학, 고분자학 등에 관련이 깊으며, 그들의 경계영역의 학문이라고 할 수 있다.
유변학은 1922년 미국의 인디아나주 라파예트 대학의 Bingham 교수에 의해 제안된 것으로, 그리스어로 흐른다는 뜻의 리오(rheo)에서 유래되었다. 유변학은 크게 이상고체, 이상액체, 그리고 실제 물질로 구분된다. 이상고체는 훅의 법칙으로 나타낼 수 있는 완성 탄성체로, 가한 힘을 제거하면 원래 형태로 완전히 복원된다. 이상액체는 뉴턴의 법칙으로 나타낼 수 있는 완성 점성체로, 가한 힘이 흐르는데 모두 사용되어 전혀 복원되지 않는다. 실제 물질은 이상고체와 이상액체의 중간적인 성질을 가지며, 점성과 탄성을 모두 나타내는 점탄성(viscoelastic) 물질이다.
유변학은 고분자 재료(플라스틱, 섬유, 고무, 접착제, 도료 등)의 가공, 음식물(예:국수) 제조와 가공, 혈액의 흐름, 콘크리트 혼합물의 이송 등 다양한 분야에 응용된다. 대부분의 고분자용융체 및 용액의 유동 시에는 분자량이 작은 액체의 유동과는 다른 현상들이 나타나는데, 대표적인 예로는 Die swell, Weissenberg effect, hole pressure error, recoil, wall slip 등을 들 수 있다.
이와 같이 유변학은 복잡한 구조와 물성을 가진 물질의 유동 현상을 이해하고 이를 통해 공정 최적화 및 신제품 개발에 기여하는 핵심적인 학문이라고 할 수 있다.
1.2. 유변학의 응용 분야
유변학의 응용 분야는 다음과 같다.
고분자 재료(플라스틱, 섬유, 고무, 접착제, 도료 등)의 가공에 널리 활용된다. 고분자 물질은 점성과 탄성의 중간적인 성질인 점탄성을 나타내므로, 고분자 가공 공정에서 유변학적 특성을 이해하고 분석하는 것이 매우 중요하다. 특히 고분자 용융체의 경우 뉴턴 유체와 다른 거동을 보이는데, die swell, Weissenberg 효과, hole pressure error, recoil, wall slip 등의 현상이 나타난다. 또한 섬유로의 방사 등 우수한 연신 특성을 활용할 수 있다""음식물(예: 국수) 제조와 가공에도 유변학이 응용된다. 음식 재료들은 점성과 탄성을 모두 가지고 있으므로, 이러한 점탄성 특성을 이해하고 제어하는 것이 중요하다. 점도, 항복응력, 복원력 등의 유변학적 특성을 분석하여 최적의 제조 및 가공 조건을 설정할 수 있다""
1.3. 응력과 변형률
유체에 작용되는 힘은 크게 body force와 surface force로 나뉜다. Body force란 중력과 같이 물체의 질량에 작용되는 힘으로서 고르게 작용되므로 직접적으로 물체를 변형시키지 않는다. 반면 surface force란 어떤 면에 작용되는 힘이다. Surface force는 물체의 변형(deformation)을 유도하는 힘으로서 shear stress나 pressure가 이에 해당된다.
한 점(유체의 미소부피)에 작용하는 surface force는 면의 방향에 따라 다르다(예: 압력). 따라서 이러한 힘을 나타내 주기 위해서는 힘이 작용되는 면이 공간상에서 어떤 방향을 하고 있는가를 나타내주어야 하고, 또한 이 면에 작용하는 힘이 공간상에서 어떠한 크기와 방향을 갖고 있는가를 나타내 주어야 한다. 한편 면의 방향은 이 면에 수직인 단위벡터를 사용한다. 한 점에서 생각할 수 있는 방향은 무한가지 이므로 모든 방향으로 작용되는 힘을 규정하는 것은 불가능할 것이다. 수학의 이론에 의하면 독립적인 3방향의 면에 작용되는 각각 3성분, 즉 9성분의 힘을 알면 임의의 방향에 작용되는 힘을 계산할 수가 있다. 이러한 9성분의 단위 면적당 작용되는 힘을 3 x 3 행렬로 나타낸 것을 stress tensor라 한다.
σ = [ σ_xx σ_xy σ_xz ]
[ σ_yx σ_yy σ_yz ]
[ σ_zx σ...
