화학공학실험 보고서: 점도측정

문서 내 토픽

1. 점도(Viscosity)의 개념 및 측정

점도는 유체가 흐를 때 인접한 층간의 상대적 운동을 방해하는 유체의 성질이다. 전단응력과 속도 기울기 사이의 비례상수로 정의되며, CGS 단위계에서는 poise(g/cm·s), SI 단위계에서는 Pa·s(N·s/m²)로 표현된다. 본 실험에서는 우베로드 점도계를 사용하여 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC) 용액의 점도를 측정하고, 상대점도, 비점도, 환원점도, 대수점도 등 다양한 점도 지표를 계산하여 고유점도를 도출했다.
2. Hagen-Poiseuille 방정식과 층류 흐름

Hagen-Poiseuille 방정식은 모세관에서 층류 흐름의 평균속도를 구하는 데 사용된다. 층류는 레이놀즈 수가 2100 이하일 때 발생하며, 유체가 규칙적이고 느린 운동으로 소용돌이 없이 흐르는 형태다. 본 실험에서는 이 방정식을 통해 상이한 점도를 갖는 두 용액이 같은 액주를 흐를 때 점도의 비가 시간의 비와 같음을 확인했다.
3. 고유점도(Intrinsic Viscosity) 측정 및 분자량 계산

고유점도는 묽은 고분자 용액의 환원점도 또는 대수점도를 고분자 농도 0으로 외삽하여 얻는 값이다. Huggins 모델과 Kramer 모델을 이용하여 농도-점도 그래프를 작성하고 c=0으로 외삽하면 고유점도를 구할 수 있다. 본 실험에서 CMC의 고유점도는 20.317로 측정되었으며, Mark-Houwink-Sakurada 방정식([μ]=KM^a)을 적용하여 CMC의 분자량을 357,173.3174 g/mol로 계산했다.
4. 모세관 점도계의 종류 및 특성

모세관 점도계는 압력 강하를 기반으로 측정하며, 모세관 내 흐르는 액체의 속도를 측정하여 점도를 구한다. 우베로드 점도계(Ubbelohde viscometer)는 미지 시료가 일정부피를 흐르는 시간을 측정하여 비점도, 환원점도, 대수점도를 측정할 수 있다. 오스왈드형 점도계(Ostwald viscometer)는 표준액과의 비교를 통해 미지 액체의 점도를 측정한다. 적은 시료량으로도 정밀도 높은 측정이 가능하다.

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1. 점도(Viscosity)의 개념 및 측정

점도는 유체의 흐름에 대한 저항을 나타내는 중요한 물성치로, 유체의 내부 마찰력을 정량화합니다. 점도 측정은 재료의 품질 관리, 공정 최적화, 제품 성능 예측에 필수적입니다. 동점도와 절대점도의 구분, 온도와 압력에 따른 변화 이해가 중요합니다. 현대 산업에서는 회전 점도계, 모세관 점도계 등 다양한 측정 방법이 활용되며, 각 방법의 장단점을 이해하고 적절히 선택하는 것이 정확한 측정을 위해 필수적입니다. 특히 비뉴턴 유체의 경우 전단속도에 따른 점도 변화를 고려해야 하므로, 측정 조건의 표준화가 매우 중요합니다.
2. Hagen-Poiseuille 방정식과 층류 흐름

Hagen-Poiseuille 방정식은 원형 관을 통한 층류 흐름의 유량을 계산하는 기본적이고 강력한 도구입니다. 이 방정식은 점도, 압력 강하, 관의 기하학적 특성 사이의 관계를 명확히 보여주며, 실제 공학 응용에서 매우 유용합니다. 그러나 실제 흐름은 난류, 입구 효과, 비뉴턴 거동 등으로 인해 이상적인 조건과 다를 수 있습니다. 따라서 이 방정식을 적용할 때는 층류 조건(낮은 레이놀즈 수)이 만족되는지 확인하고, 필요시 보정 계수를 적용해야 합니다. 기본 원리의 이해는 유체역학 학습에 필수적입니다.
3. 고유점도(Intrinsic Viscosity) 측정 및 분자량 계산

고유점도는 용질 분자의 크기와 형태를 반영하는 중요한 매개변수로, 고분자의 분자량 결정에 광범위하게 사용됩니다. Mark-Houwink 방정식을 통해 고유점도로부터 분자량을 계산할 수 있으며, 이는 상대적으로 간단하고 경제적인 방법입니다. 그러나 정확한 측정을 위해서는 여러 농도에서의 점도 측정이 필요하며, 온도, 용매, pH 등의 조건을 엄격히 제어해야 합니다. 고유점도 측정은 고분자의 구조 변화, 분자량 분포, 용매 상호작용을 이해하는 데 유용하며, 품질 관리와 연구 개발에서 중요한 역할을 합니다.
4. 모세관 점도계의 종류 및 특성

모세관 점도계는 Ostwald, Ubbelohde, Cannon-Fenske 등 여러 종류가 있으며, 각각 특정 응용에 최적화되어 있습니다. Ubbelohde 점도계는 중력 효과를 최소화하여 높은 정확도를 제공하고, Cannon-Fenske는 자동화에 용이합니다. 모세관 점도계는 상대적으로 저렴하고 사용이 간단하며, 뉴턴 유체의 측정에 매우 효과적입니다. 그러나 측정 시간이 길고, 비뉴턴 유체에는 부적합하며, 온도 제어가 중요합니다. 현대에는 자동화된 모세관 점도계가 개발되어 처리량과 정확도를 동시에 향상시키고 있으며, 표준화된 절차 준수가 신뢰성 있는 결과를 위해 필수적입니다.

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