In this study, the adsorption behavior of polymeric stabilizers on the alumina particles and effects of adsorbed polymer on the alumina suspension stability were investigated. The stability of suspension was measured using the UV absorbance and viscosity of suspension. And the IR spectroscopy studies were performed for one kind of polymers. The adsorption experiment was performed at 28.5± 0.5℃ for about 24 hours.
In the adsorption of poly(acrylic acid) (PAA), this polymer shows high affinity for alumina. The adsorbed amount of PAA increases abruptly and then increases gradually. The adsorbed amount increased as the pH of suspension decreased. But the stability of PAA-adsorbed suspension increased with decreasing pH due to the electrostatic repulsion forces between the particles. The amount of adsorbed poly(ethylene oxide)(PEO) and poly(vinylpyrollidone)(PVP) is rather small compared with the adsorbed PAA. And the adsorbed amount is nearly independent of pH for these polymers. The amount of adsorbed poly(vinyl alcohol)(PVA) was more than the PEO and PVP but still less than PAA. However, the adsorption behavior of PVA showed a contrary trend with PAA. That is, the adsorbed amount of PVA increased as pH increased.
The stability increased as the pH increased regardless of the adsorbed amount of PAA in the stability measurements of PAA-adsorbed suspension. This is because the adsorption of PAA makes the IEP of particle shift into near pH 3. Therefore, the alumina particle has a high |ξ| value at high pH. Bridging flocculation occurred in low concentration range, but this phenomenon was overcome as the concentration increased. In the case of PEO and PVP, low molecular weight polymers have little effect on the stability. But, when polymers with high molecular weight are added, it can be observed that the stability of suspension increases as polymer concentration increases at low pH. When PVA, which is usually used as a binder, was added to alumina suspension, rapid settlement was observed. And this rapid settlement accelerated as the PVA amount and pH increased.
The simultaneous adsorption experiment was also carried out in this study. In the simultaneous adsorption of PAA and PVP, PAA adsorption is preferential to PVP adsorption. Therefore, the stability of this suspension is mainly dominated by PAA amount and pH. Nevertheless, a slight increase in stability also was observed as PVP amount increased. PAA,sodium salt (or poly(methacrylic acid)(PMA), sodium salt) and PEO was also adsorbed simultaneously on alumina. The suspension using PAA salt showed higher stability. And higher molecular weight of PEO makes stability increase for both case.
Rheological behavior of suspension with PEO or PVP was investigated. When PEO(M.W.=200,000) was added, viscosity of suspension was kept at constant value at low pH but showed rapid decreasing as the shear rate increased at high pH, i.e., shear thinning. The shear thinning was also observed at low pH even weakly after 5 days. When low molecular weight of PVP was added, the shear thinning was observed even at low pH.
The adsorption characteristics of PAA were studied through FT-IR analysis of the PAA-adsorbed alumina sample. From this analysis, it can be verified how PAA adsorbed on alumina surface through hydrogen or chemical bonding.
본 연구에서는 마이크로대의 크기를 갖는 알루미나 현탁액의 분산 안정성에 대해 고분자 용액의 첨가가 미치는 영향에 대해 알아보았다. 분산을 위한 고분자로는 PAA, PMA, PEO, PVP 가 사용되었으며, 주로 경화제로 사용되는 PVA의 영향 또한 살펴보았다.
현탁액의 안정성을 측정하기 전에 알루미나 입자에 대한 고분자의 흡착 거동에 대해 조사하였다.
1. PAA의 경우 다른 고분자들에 비해 알루미나 표면으로 빠르게 흡착이 일어남을 알 수 있었다. pH 가 증가함에 따라 알루미나 표면과 PAA 분자가 모두 음전하를 띠게 되어 입자와 고분자간 반발력이 생겨 흡착이 줄어들게 됨을 확인할 수 있었다. 또한 투입된 고분자의 농도가 증가할수록 흡착되는 고분자의 양도 같이 증가함을 확인하였다.
2. PEO 와 PVP 는 기본적으로 그 흡착량이 상당히 작은 것으로 나타났다. 또한 이들은 다른 pH 환경하에서도 그 흡착량이 거의 일정한 상태로 고분자 농도 변화에 따라 약간씩 증가하거나 거의 증가하지 않음을 확인하였다. PEO는 에테르기에 있는 산소가 Lewis base로서 입자 표면이 acidic 할때만 흡착이 잘 이루어 지는데 알루미나의 경우에는 입자 표면이 acdidic 하지 않아 흡착이 잘 일어나지 않았다. PVP는 고분자가 가지고 있는 vinylpyrrolidone ring이 소수성을 가지고 있어 고분자보다 물이 먼저 흡착되는 것으로 나타났다.
3. PVA의 경우는 PEO나 PVP의 경우보다는 흡착이 잘 일어나지만, PAA와는 반대의 흡착 경향, 즉, pH가 증가할수록 흡착량 또한 증가하는 것으로 나타났다. 이는 높은 pH에서 수소결합을 강화시켜주는 알루미나 표면이 수산화되기 때문이다. 낮은 pH에서는 PVA와의 결합을 위한 활성 위치가 줄어들고, 따라서 PVA 결합이 선호되지 않으며, 고분자 대신 물 분자가 흡착이 선호되기도 한다.
고분자가 흡착된 현탁액의 안정성을 UV 흡수도 측정과 점도 측정을 통해 측정하였다. 또한 두가지의 고분자가 동시에 알루미나 현탁액에 투입되었을 때 이들이 안정성에 미치는 영향에 대해서도 알아 보았다.
1. PAA가 흡착된 경우, PAA 의 흡착량에 관계없이 알루미나 현탁액은 pH가 높아질수록 높은 안정성을 보였다. 이것은 PAA가 흡착됨에 따라 알루미나 현택액의 IEP가 pH 3 근처로 낮아졌기 때문이다. 따라서 높은 pH에서 알루미나 입자는 높은 표면 전하를 갖게 되며, 이는 알루미나 입자가 높은 안정성을 갖게 된다는 것을 의미한다. 낮은 PAA 농도 영역에서는 입자의 응집이 일어나지만 PAA의 농도가 증가함에 따라 안정성이 증가하는 것을 관찰할 수 있었다.
2. PEO 나 PVP의 경우, 분자량이 작은 경우에는 입자의 안정성이 고분자 투입농도와 무관함이 관찰되었다. 이 경우에 있어서는 pH 만이 입자의 안정성에 영향을 미친다. 그러나 분자량이 높은 PEO를 첨가하였을 경우 고분자 농도가 증가함에 따라 낮은 pH 하에서 입자의 안정성이 증가함을 관찰하였다.
3. PVA는 경화제로서 첨가할 경우 즉각적인 침전을 일으키는 것으로 관찰되었고, pH 가 높고 농도가 높을수록 침전이 더 빨리 일어남을 확인하였다.
4. PVP와 PAA를 동시에 흡착시켰을 때, PAA의 흡착이 우선시 되기 때문에 안정성은 PAA의 양과 pH 에 의해 주로 결정됨을 알 수 있었다. 그러나 PVP 의 농도가 증가함에 따른 약간의 안정성 증가도 역시 관찰되었다.
5. 나트륨 염 형태의 PAA (또는 PMA) 와 PEO를 동시 흡착 시킬 경우에는 PAA 염과 PEO를 흡착시키는 경우가 더 높은 안정성을 나타냈으며, 두경우 모두에 있어서 PEO의 분자량을 증가시킬수록 안정성이 증가하는 것을 알 수 있었다.
농도가 높은 현탁액에 PEO와 PVP를 분산시켰을 때 점도에 미치는 영향에 대한 실험을 하였다. 이 실험에서 분자량 200,000의 PEO를 첨가하였을 경우, 낮은 pH에서는 전단율에 관계없이 일정한 점도가 유지되었으나 높은 pH에서는 전단율 증가에 따른 급격한 점도의 감소를 관찰할 수 있었으며 낮은 pH에서도 시간이 지남에 따라 이와 같은 현상이 나타남을 관찰하였다. 분자량이 다소 적은 PVP 를 첨가하였을 경우에는 pH가 낮더라도 약한 shear thinning 현상이 관찰되었다.
사용한 고분자중 가장 강하게 알루미나 표면에 결합하는 PAA의 흡착 특성을 IR 분석을 통해 확인해 보았다. 이 분석을 통해 PAA가 수소 결합이나 화학결합을 통해 알루미나 표면에 흡착하는 경로를 확인할 수 있었다.
