레포트

[오탁근]

점 도 측 정


1. 실험 목적

① 점도의 원리에 대하여 이해 할 수 있다.
② 점성 계수, 뉴우톤 유체, 역학적 점성 계수 및 동점성 계수 등에 대하여 이해 할 수 있다.
③ 적절한 장치를 사용하여 역학적 점성 계수 및 동점성 계수를 측정할 수 있다.


2. 실험 기구 및 재료

① 회전 점도계
② spindle
③ standard silicon oil
④ 500ml beaker
⑤ Glycerin, 초시계

3. 이 론

중합체의 분자량의 척도로서 용액점도의 유용성은 Staudinger의 초창기의 연구 이래 주목되어 왔다(1930). 용액점도는 기본적으로 고분자의 크기나 공간적인 퍼짐(extention)에 대한 척도이다. 이것은 선상 고분자에서 그 분자량과 경험적으로 관련지워진다. 측정의 간략성과 점도-분자량의 상호관계가 매우 크기 때문에 점도측정은 중합체의 분자적 특성화에 극히 유효한 수단이 된다. 용액점도의 측정은 보통 일정한 부피의 고분자용액이 모세관을 흐르는데 소요되는 유출시간(efflux time) t와 이에 대응하는 용매의 유출시간 t0를 비교하는 것이다. t, t0 및 용질농도로 부터 몇 가지 양이 도출된다. 이들양에 대하여 두가지 용어가 쓰이고 있다. 하나는 (Cragg 1946) 오래 전부터 널리 쓰이고 있는 관용명이다. 또 다른 하나는(International Union 1952) 명확성과 간편성을 강조하기 위하여 제창된 것이다. 희석용액 점도법에 의한 고분자의 분자량 측정법은 실험장치가 간단하고 경제적이며, 실험의 진행이 용이하여 다른 분자량 측정법 중에서 가장 널리 쓰이고 있는 방법이다. 그러나, 이 방법에 의한 분자량 측정은 질량이 아닌 분자의 크기를 측정하는 방법이다. 즉, 절대분자량을 측정하는 방법이 아니 고, 분자의 크기로부터 추정되는 상대적 분자량 측정법이기 때문에 점도와 분자크기 와의 관계 및 분자크기와 분자량과의 관계가 이론적, 실험적으로 고찰되어 보정되어야 한다. 이 방법은 고분자용액의 점도는 낮은 농도에서도 순수 용매의 점도에 비해 상당히 높다는 점은 이용한 측정법이다. 이 실험에서는 모세관점도계를 이용하게 되는데, Ostwald-Fenske 점도계 는 환산점도(reduced viscosity)와 본성점도(inherent viscosity)를 측정하 여 단일농도 용액에서 측정하고, Ubbelohde점도계는 고유점도를 이용하여 몇개의 농도가 다른 용액으로 측정하는 것이 보통이다. 고분자 용액의 희석용액에 대한 점도측정은 시료의 분자구조에 대한 지식 을 얻는데 가장 쉽고 또 널리 사용되는 방법이다. 고분자 용액의 점도는 고분자와 용매의 종류, 온도, 농도 및 고분자의 크기에 따라 다르기 때문에 이들의 값을 모든 측정치에 대해 규정할 필요가 있다. 고분자물질이 가지형이 아니고 선형이면, 고유점도와 시료의 분자량간에 실험적 상호연관성이 있게 된다. 이러한 관계를 이용해서 Ostwald- Fenns ke 점도계는 일정 용적장치인 반면 Ubbelohde 점도계는 용액의 전체부피 는 상당한 범위에 걸쳐서 차이가 나도 괜찮기 때문에 더욱 편리하다. 이 희석용액 점도법은 150℃ 정도의 온도에서 녹아 안정한 용액을 만드는 모든 고분자물질의 분자량 측정에 적용할 수 있었으며, 일반적으로는 30.0 ±0.01 ℃ 의 저온에서 행하는 것이 보통이다. 이들 점도계는 일정부피의 용액이 모세관에 정해진 두 선을 통과하는 흐름 시간을 재는 기구이기 때문에 모세관 점도계 (Capillary viscometer) 라고 도 한다 최근에는 컴퓨터가 내장된 점도계가 사용되고 있는데, 이 기계는 모세관 흐름시간을 관전적으로 측정하고, 용액의 희석이나 혼합을 자동적으로 처리 하여 점도계의 눈금을 계산해 내기 때문에 아주 편리하다. 폴리머용액의 점도와 폴리머의 분자사이의 관계를 명확히 한것은 H.Staud inger이다. 그는 1930년에 ηsp / c 와 분자량사이에 다음 관계가 성립함을 경험적으로 발견하였다.


ηsp/c = KM ---------------- ( 식 1 )

ηsp = ηr - 1 ---------------- ( 식 2 )

ηr = t*d / t0*d0 ≒ t/t0 ---------------- ( 식 3 )

여기서, ηsp : 비점도 (Specific viscosity)
ηr : 상대점도 (Relative viscosity)
c : 농도 (g/100ml 또는 g/ml)
K : 폴리머 및 용매에 의해서 정해지는 정수
M : 분자량




표 - 용액점도의 용어
관 용 명
추 천 된 명 칭
표 현 된 정 의 식

상대점도(relative viscosity)

비점도(specific viscosity)



환원점도(reduced viscosity)


대수점도(inherent viscosity)


고유점도(intrinsic viscosity)
점도비(viscosity ratio)

-



점도수(viscosity number)


대수점도수(logarithmic viscosity number)

극한점도수(limiting viscosity number)
ηr = η/ηo = t/t0

ηsp =ηr-1=(η-η0)/η

=(t-t0)/t0


ηred = ηsp/c

ηinh = lnηr/c


[η] = [ηsp/c]c=0

= [(lnηr)/c]c=0



식 (3) 에서 t0와 t는 용매와 폴리머용액의 점도계속에서의 낙하 초수이고, d0 와 d는 각각 밀도이다. 희박용액을 사용하면 d ≒ d0 로 놓을 수 있으 므로, ηr는 점도계중에서의 낙하 시간만으로써 구할 수 있다. 식 (3)은 희박용액일수록 정확히 성립함이 명확히 되었으며, 다음과 같이 수정되었다. 즉,

--------------- (식 4)


이 [η]를 고유점도 (Intrinsic viscosity) 또는 극한점도 (Limiting visco sity)라 한다. 오늘날에 와서는, 위식은 다시 다음과 같이 수정되어 이용되 고 있다. 즉,

[ η ] = KMα ---------------- (식 5)


여기서 α 는 고분자의 용액중에 녹아 있는 모양에 관계되는 정수이고 다 음과 같은 값들이 얻어져 있다.

표-1 고분자의 용해된 모양과 α값과의 관계
분자의 모양
곧은 막대모양
상당히 굴곡성이 실모양
완전히 자유롭게
굴곡하는 실모양
구모양

α 의 값
[η] = KM2

α= 2
[η] = KM

α= 1
[η] = KM1/2

α= 1/2
[η] = K

α= 0



α = 2 란 값은 존재하지 않는다. α= 0은 구상고분자 또는 저분자물질에 적합하다. 일반적으로 폴리머에 관한 α는 1∼1/2 의 값을 나타내며, 그 폴 리머를 잘 용해시키는 용매중에서는 α값은 커진다. 몇가지 폴리머와 그 용 매에 관한 K,α값들을 표-2 에 나타낸다.


표-2 폴리머와 용매에 관한 K, α값
폴리머
용매
온도(℃)
K
α

Polystyrene

Poly(vinyl acetate)

Poly(methyl methacrylate)

Polyacrylonitrile

Poly(acryl amide)

Poly(vinyl alcohol)

Poly(vinyl chloride)

Polyisobutylene

Polyisoprene
Benzene

Acetone

Acetone

DMF

Water

Water

Cyclohexanone

Cyclohexane

Toluene
20

30

25

25

25

25

20

24

25

1.23*10-2

1.02*10-2

9.60*10-3

2.33*10-2

6.31*10-3

3.00*10-1

11.25*10-4

1.07*10-1

5.02*10-2

0.72

0.72

0.69

0.75

0.80

0.50

0.63

0.50

0.67




⑴ 점도계의 종류와 사용 방법

① Cannon-fenske viscometer 측정하려는 액체의 양이 아주 적을 때의 점도 측정에 적당하며, 석유류 의 측정에 가장 알맞다. 그 밖의 액체의 점도 측정에도 사용할 수 있으 며, 이 점도계에는 점도 항수표가 붙어 있어, 측정한 시간(초)에 점도 항수를 곱하여 점도를 얻는다. 점도 측정 범위는 0.4 - 1.6 centistokes 이다. stokes란, 동점도의 단위로 이고, 1stokes는 100centistokes이다. 동점도는 점도를 밀도로 나눈 것으로 점도와 같이 많이 사용된다.

② 역류형 캐넌-펜스케 점도계 이 점도계는 측정하려는 액체가 불투명한 것일 때의 점도 측정에 가장 알맞다. 이 점도계에도 점도 항수표가 붙어 있어, 측정한 시간(초)에 점 도 항수를 곱하면 점도를 얻을 수 있다. 점도 측정 범위는 0.4 - 1.6 centistokes이다.

③ Ubelode viscometer 이 점도계는 측정하려는 액체의 양이 반드시 일정하지 않아도 좋으며, 온도에 의한 용액의 비중의 변화와 모세관이 비스듬히 되어 생기는 오차 가 작은 것이 특징이다. 이 점도계에도 점도 항수표가 붙어 있으므로, 마찮가지 방법으로 점도를 구할 수 있다.

④ Redwood viscometer 이 점도계는 윤활유의 점도 측정에 알맞으며, 측정하려는 액체의 50 ml가 흘러나오는 시간을 측정하여 이 시간을 점도로 하는 것으로, 그 시간 이 30 - 3000초 사이의 액체를 측정할 때 사용한다.

(2) 점도와 동점도

① 점도의 단위 물엿은 물과 같이 액체이지만 유리판 위에 떨어뜨렸을 때 퍼지는 방법 이 다를 뿐 아니라 물보다 훨씬 느리게 퍼진다. 이와 같이 유체가 흐름 에 저항하는 성질을 점도라 하며, C.G.S 단위계에서의 단위를 poise라 한다.

1P = 1 g/cm.s

또, 1P의 1/100을 센티포이즈(cP)라 한다. 공업에서는 점도의 단위로서 1 ㎏.s/㎡을 사용 하는데, 이들 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다.

1 ㎏.s/㎡ = 98.1P
1P = 0.0102 kgf.s/㎡

또, 점도의 역수를 유동수라 하고, 단위로서는 rhe가 사용된다.

1 rhe = 1P - 1

또, 점성 유체의 흐르는 모양, 또는 유체역학적인 문제에 있어서 점도를 그 상태의 밀도로 나눈 양에 지배되므로 이양을 동점도 (kiematic visco sity)라 한다. 그 단위로는 stokes(st)가 주로 사용되며, 동점도를 ν라 하며 다음과 같은 관계가 성립된다.



따라서, C.G.S. 단위계에서는 1 st = 1㎠/s가 된다.

4. 실험 방법

* Brookfield 형 점도계

⒜ 회전 조절기에 RPM를 결정한다. (2, 4, 10, 20)
⒝ 표준시료를 넣은 용기의 온도를 측정한다.
⒞ 표준시료를 넣은 용기에 1번 Spindle을 넣는다.
⒟ 전원 스위치를 넣어 1분동안 측정한후 Dial 값을 읽는다.
⒠ Spindle을 1번부터 7번까지 갈아가면서 RPM을 조절하며 Dial을 측정 한다.
⒡ Spindle의 종류 및 회전수에 의하여 환산척을 이용하여 환산정수를 곱 해 cp를 구한다.
⒢ 표준용액의 cp값과 같거나, 비슷한 cp값을 찾아 그 측정 Spindle의 RPM으로 측정 용액의 Dial값을 측정하여 cp값으로 환산한다.
⒣ 측정용액의 표준 cp값을 실험한 수로 나누어 표준 cp값을 구한다.


* 비중 측정

⒜ 잘 건조시킨 비중병의 무게(A)를 측정한다.
⒝ 비중병에 증류수를 가득 채운후 마개를 닫고 기포가 생기지 않으면 무게 (B)를 측정한다.
⒞ 비중병에 시료를 가득 채운후 기포가 생기지 않으면 무게(C)를 측정한 다.
⒟ 비중 계산방법

비중 =


http://myhome.hanafos.com/~elechem1/chem/ex/visco.htm