The electrostatic and rheological properties of precipitated calcium carbonate suspension adsorbed with surfactant layers were investigated.
In this experiment, alkyl polyglycoside (APG) and sodium stearate was used as coating materials of calcium carbonate particle. The pH of suspension was adjusted to 6, 8, and 12 by using HCl and NaOH standard solution to investigate the pH effect (various surface charge effects) on adsorption of APG surfactant onto calcium carbonate particle.
As an electrostatic property of particle, zeta potential was measured by using electrophoretic method and viscosity of suspension was investigated using rheometrics with Coutte geometry. From the measurement of suspension viscosity, yield value of suspension with surfactant concentration was determined using Casson equation. The dispersion stability of suspension was determined by measurement of settling time and compared with other properties of calcium carbonate suspension.
Total potential energy of calcium carbonate in aqueous medium was calculated using DLVO theory and the minimum surface potential to disperse calcium carbonate particle stably without surfactant adsorption was revealed as 28mV.
The adsorption amount of APG onto calcium carbonate particle was exhibited to depend on surface charge of particle. The higher surface charge, the more amount of APG was adsorbed onto particle surface and by the adsorption of APG molecules, the surface potential of calcium carbonate particle was markedly decreased. This indicates that APG molecule has a negative charge in solution. In low APG concentration, the dispersion stability of suspension does not show a relationship with zeta potential at all suspension pHs and exhibits very poor stability. This indicates that the hydrophobic interaction among particles caused by hydrophobic surface property destabilizes the suspension, and this destabilization region continued to monolayer coverage of surfactant layer. After this monolayer saturation, the adsorption amount abruptly increases caused by formation of admicelles or bilayer of surfactant on surface. The surface area per molecule calculated from above information is estimated to be $55Å^2$. Up to this monolayer surface concentration, the dispersion stability shows proportionality with zeta potential.
Yield value of suspension shows proportionality with dispersion stability in whole concentration and this confirms that suspension with low dispersion stability has large interparticle interactions, so relatively higher shear stress was needed to break the network structure of suspension.
The relationship between Yield value and the square of zeta potential value derived from DLVO theory was not shown in calcium carbonate suspensions adsorbed with APG surfactant. The steric hindrance effect and hydrophobic interaction between particles may cause this.
Finally, the change of aggregate size of calcium carbonate particle adsorbed with APG in diluted suspension was well consistent with dispersion stability.
수용액 중에서 알킬 폴리글리코사이드가 흡착된 침강성 탄산칼슘 입자의 분산안정성을 실험하였다. 균일한 크기를 가진 입자를 제조하기 위하여 카보네이션 반응을 이용하여 약 0.09 마이크로미터 크기의 단분산성 칼사이트 입자를 제조하였다.
분산안정성을 조사하기 위하여 입자의 계면활성제의 흡착량, 침상속도, 제타전위, 서스펜션의 yield value, 그리고 서스펜션 중에서의 응집체의 크기가 측정되었다.
그 결과 탄산칼슘 입자에 대한 알킬 폴리글리코사이드의 흡착량은 서스펜션의 pH에 의존하며 탄산칼슘 입자표면이 양으로 하전되어 있는 pH에서 높은 흡착량을 보이는 것에서 알킬 폴리글리코사이드는 수용액중에서 음으로 하전 되어 있는 것으로 보인다. 이 결과 입자의 제타전위는 양에서 음으로 크게 변화한다.
서스펜션의 침상속도를 측정하여 안정성을 관찰한 결과 알킬 폴리글리코사이드의 농도가 상대적으로 낮은 영역에서는 제타전위와 관계없이 아주 낮은 분산안정성을 보이며, 이것은 초기에 친수성을 띄는 탄산칼슘과정에서 입자사이에 소수성 알킬 사슬 사이의 상호작용으로 인하여 입자의 응집이 일어나는 것으로 사료된다. 하지만 계면활성제의 단분자막이 형성된 다음 알킬 사슬사이의 상호작용으로 인하여 이차의 흡착이 일어나게 되며, 친수성 그룹인 글루코스링이 수용액 중으로 향하게 되므로 입자 표면이 다시 친수성을 띄게 되어 입자의 분산성은 향상된다.
이와 같은 고체 표면상의 알킬 폴리글리코사이드의 배향의 변화로 인하여 서스펜션의 yield value는 단분자층이 형성되는 농도에서는 제타전위와 큰 상관관계를 보이지 않으나 이중층이 형성된 농도에서는 제타전위와 반비례 관계를 보인다. 즉, 제타전위의 절대값이 클수록 서스펜션중에 형성된 네트웍 구조는 쉽게 깨어지게 된다. 특히 yield value는 서스펜션의 침강속도와 밀접한 연관을 보이고 있으며, 이는 불안정한 계일수록 입자사이의 상호작용으로 인하여 구조가 강하게 형성됨을 의미한다.
이러한 결론으로부터 탄산칼슘 표면위에 흡착된 알킬 폴리글리코사이드의 분자당 표면적을 구할 수 있으며, 그 결과는 약 $55Å^2$ 이었으며 문헌상의 값과 유사함을 확인할 수 있었다. 마지막으로 응집체의 크기를 측정한 결과 입자의 분산안정성이 좋지 않은 서스펜션 중에서는 입자가 상대적으로 큰 응집체를 형성하고 있었으며 이는 서스펜션의 침강속도에 의한 분산안정성과 밀접한 연관관계를 보여주고 있다.
