서지주요정보
Deformation and breakup of emulsion drops in an electric field = 전기장에 의한 에멀젼 액적의 변형과 파괴
서명 / 저자 Deformation and breakup of emulsion drops in an electric field = 전기장에 의한 에멀젼 액적의 변형과 파괴 / Jong-Wook Ha.
저자명 Ha, Jong-Wook ; 하종욱
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 1999].
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초록정보

본 연구에서는 전형적인 자유계면 문제의 하나로서 전기장에 의한 유체 방울의 변형과 파괴에 대한 여러 가지 영향들을 이론과 실험을 통하여 규명하였다. 이론적 해석은 leaky dielectric model에 기본을 두고 있는데 이는 레이놀즈 수가 작은 경우에 있어 수력학과 정전기학의 관련을 설명해 준다. 일련의 실험을 수행함으로써, 어떠한 조건에서 각각의 이론이 적합한지를 파악하였다. 먼저, Newtonian 유체 방울의 변형과 파괴를 고려하였다. 이미 발표된 수치해석 결과와 실험 결과를 비교하였는데, 매우 전기 전도도가 큰 유체 방울의 변형과 안정성에 대한 결과는 완전 전도체를 가정한 수치해석 결과와 잘 일치함을 알 수 있었다. 이전에 보고되었던 실험과 이론과의 편차는 작은 변형 이론(small deformation theory)을 적용하여 측정한 계면장력을 사용함으로써 줄일 수 있었다. 또한 유체 방울과 주변 유체간의 전기 전도도비가 증가할수록 유체 방울의 안정성은 감소하였다. 유체 방울의 파괴는 유체 방울과 주변 유체의 물성에 따라 두 가지 형태로 일어남을 볼 수 있었다. 유체 방울의 전기전도도가 매우 큰 경우, 또는 두 유체의 전기전도도는 매우 낮으나 주변유체의 점도가 유체 방울에 비해 매우 큰 경우에는 유체 방울의 양끝이 둥근 형태를 유지하며 전기장 방향으로 계속 늘어나다가 마침내는 몇 개의 작은 유체 방울로 떨어져 나간다. 반면에 두 유체의 전기전도도가 낮으면서 유체 방울의 점도가 주변유체의 점도보다 큰 경우에는 파괴가 일어나기 전에 유체 방울의 양끝은 매우 뾰족하게 변함을 볼 수 있었다. 다음으로 유체 방울의 변형과 파괴에 대한 비이온성 계면활성제의 영향을 살펴보았다. 계면에 존재하는 계면활성제의 불균일한 농도 분포는 Marangoni 흐름을 유발하는 것으로 알려져 있다. 유체 방울이 주변 유체보다 전기전도도가 큰 경우에는 유체의 흐름이 무시할 만하고 이에 따른 계면활성제의 이동도 무시할 정도이므로 유체 방울의 변형에 대한 Marangoni 흐름의 영향은 거의 없었다. 그러나 유체 방울의 파괴 형태에 대한 계면활성제의 영향은 매우 현저하게 나타났는데, 어떤 범위의 계면활성제 농도에서 tip-streaming에 의한 유체 방울의 파괴를 관찰할 수 있었다. 반면에 유체 방울보다 주변 유체의 전기전도도가 더 큰 경우에는 비교적 강한 Marangoni 흐름이 유발되어 유체 방울의 변형에 영향을 미치게 된다. 유체 방울의 변형과 파괴에 대한 non-Newtonian 성질들의 영향을 고찰하기 위해 각각 점탄성, 탄성, 그리고 Newtonian 성질을 지닌 고분자 용액들을 사용하여 실험을 수행하였다. 점탄성 용액과 탄성 용액은 각각 다른 유변학적 거동을 보이지만 본 실험에 있어서는 큰 차이를 나타내지 않았다. 이는 전기장에 의해 유발되는 흐름의 세기가 각 고분자용액의 유변학적 특징을 충분히 나타낼 만큼 강하지 않기 때문이다. 실험 결과로부터 유체 방울의 점도가 더 큰 경우에는 유체 방울의 non-Newtonian 성질이 안정성을 향상시킴을 볼 수 있었다. 반대로 주변 유체의 non-Newtonian 성질은 유체 방울의 안정성을 감소시켰다. 또한, 유체 방울의 점도가 주변 유체의 점도보다 작은 경우에는 주변 유체의 non-Newtonian 성질이 증가할수록 유체 방울은 더욱 안정화 되었다. 유체 방울 또는 주변유체의 non-Newtonian 성질은 tip-streaming을 유발하는 것으로 확인되었다. 균질하지 않은 유체 방울의 변형과 파괴를 고려하기 위해서 에멀젼 방울의 거동을 살펴보았다. 에멀젼 방울내의 분산상의 부피 분율이 높지 않았기 때문에 실험에서 고려한 모든 에멀젼은 Newtonian 유체와 유사한 유변학적 거동을 보였다. 전기 전도도가 큰 o/w 에멀젼의 경우 부피 분율이 낮아 비균질성이 크지 않으면 일반적인 Newtonian 유체 방울과 거의 동일한 거동을 보였으나, 부피 분율이 증가하여 비균질성이 커지면 방울의 안정성이 크게 감소하였다. 또한 방울내의 비균질성은 파괴 형태에도 영향을 주는데, tip-streaming이 유발되는 것을 볼 수 있었다. 반면에 전기전도도가 그리 크지 않은 w/o 에멀젼의 경우에는 비균질성에 의한 영향을 관찰할 수 없었는데, 이는 실험에서 사용한 w/o 에멀젼의 부피 분율이 크지 않았기 때문이다. 마지막으로 oil-in-oil 에멀젼의 전기유변학적 거동에 대한 원인을 규명하려 하였다. 실험에서 고려한 에멀젼은 여러 가지 점도를 가진 실리콘 오일을 사용함으로써, 두 상간의 점도비만을 독립적으로 변화 시킬 수 있었다. 에멀젼의 전기유변학적 거동을 설명하기 위하여 전단흐름과 전기장이 동시에 작용하는 경우에 유체 방울의 변형과 배향에 대한 작은 변형 이론을 전개하고 이를 실험 결과와 비교하였다. 전기장과 전단흐름의 상대적인 크기를 나타내기 위하여 ξ 라는 무차원 변수를 도입하였다. 분산상의 전기전도도가 연속상의 전기전도도보다 큰 경우에는 전기장에 의해 점도가 증가하는 positive ER효과를 나타내었는데, 전단흐름의 세기가 증가할수록 전기장에 의해 형성된 분산상의 미세구조가 파괴됨에 따라 ER 효과는 감소하였다. 반대로 분산상의 전기전도도가 더 작은 에멀젼계에 대해서는 전단흐름의 세기가 매우 작을 때는 약간의 positive ER 효과를 나타내지만 전단흐름에 의해 불안정한 미세구조가 파괴되고 나면 negative ER 효과를 나타내었다. 두 경우 모두 전기장의 세기에 비해 전단흐름의 영향이 지배적이면 ER 효과는 나타나지 않았다. 이와 같은 ER 효과는 전기장과 전단흐름에서의 분산상의 배향을 고려하면 정성적으로 설명할 수 있었다. 또한 분산상의 전기전도도가 큰 경우에는 shear-thickening 거동을 볼 수 있었으나 연속상의 전기전도도가 더 큰 경우에 이는 나타나지 않았다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DCHE 99020
형태사항 x, 127 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 하종욱
지도교수의 영문표기 : Seung-Man Yang
지도교수의 한글표기 : 양승만
수록 잡지명 : "Effect of nonionic surfactant on the deformation and breakup of a drop in an electric field". Journal of Colloid and Interface Science. Academic Press, Inc., vol. 206, no.1, pp. 195-204 (1998)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 화학공학과,
서지주기 Reference : p. 121-127
주제 Emulsion
Drop deformation
Drop breakup
Electric field
에멀젼
액적 변형
액적 파괴
전기장
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