[물리화학실험] 점도(viscosity) 예비보고서

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1. 점도(viscosity)

점도는 흐르는 액체 내에서 용질과 용매의 비뚤어짐 응력과 비뚤어짐 속도의 비율을 나타내는 물리량입니다. 일반적으로 절단 면적당 점탄율로 η으로 표시하며, 단위는 dyn·s·cm-2=g·cm-1·s-1 또는 푸아즈(poise, P)입니다. 점도는 온도 상승에 반비례하여 저하됩니다. 용해액의 점도가 용매의 점도보다 높은 것은 용질에 따라 액체의 흐름에 비뚤어짐이 생기며 그 양만큼 액체의 유속이 저하되기 때문입니다. 용액의 점도를 각종 용액농도로 측정하여 그것을 농도 0에 외삽한 값, 고유점도(η)와 물질의 분자량 M의 관계는 (η)=KMa로 표시할 수 있습니다. 이때의 K, a는 용질 또는 용매의 종류, 온도에 의존하는 정수입니다.
2. 고분자 분자량 측정 방법

고분자의 분자량을 측정하는 방법에는 말단기 분석법, 삼투압법, 광산란법, 점도 측정법, 겔투과 크로마토그라피 등이 있습니다. 말단기 분석법은 분자연쇄 말단에 있는 관능기를 정량분석하여 분자량을 구하는 방법이며, 삼투압법은 삼투압의 직접적 측정을 통해 분자량을 구하는 방법입니다. 광산란법은 입사광이 산란체와 충돌한 후 산란되는 현상을 이용하여 중량평균 분자량을 구하는 방법이며, 점도 측정법은 고분자 용액의 점도가 분자량에 비례한다는 성질을 이용하여 분자량을 측정하는 방법입니다. 겔투과 크로마토그라피는 다공성 물질에 고분자가 통과할 때 분자량에 따라 체류 시간이 달라지는 원리를 이용하여 분자량 분포를 측정하는 방법입니다.
3. 점도 측정법

점도 측정법은 고분자의 크기(분자량)에 비례하는 성질을 이용하여 분자량을 측정하는 방법입니다. 유리로 만든 점도계를 사용하여 일정 부피의 용액이 모세관을 통과하는 시간을 측정하며, 이 모세관 통과시간이 점도의 척도가 됩니다. 이때 Poiseuille's law에 따르면 관을 흐르는 점성 유체의 유량은 관의 반지름, 압력차, 유체 점성도 등에 의해 결정됩니다. 고유점도는 용질 입자 사이의 상호 작용을 없앴을 때의 점성 계수로, 고분자의 크기와 분자량에 비례하는 값입니다. 고유점도와 분자량의 관계는 Mark-Houwink-Sakurada 식으로 표현할 수 있습니다.
4. Ubbelohde viscometer

Ubbelohde viscometer는 점도 측정에 사용되는 유리로 만든 점도계입니다. 일정 부피의 용액이 모세관을 통과하는 시간을 측정하여 점도를 구할 수 있습니다. 이 실험에서는 Ubbelohde viscometer를 사용하여 cyclohexane 용매에 녹인 polystyrene 고분자 용액의 점도를 측정하고, 고유점도와 Mark-Houwink-Sakurada 식을 이용하여 고분자의 분자량을 추정하는 것이 목표입니다.

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1. 점도(viscosity)

점도는 유체의 흐름 저항을 나타내는 중요한 물리적 특성입니다. 점도가 높은 유체는 흐름이 더디고 점도가 낮은 유체는 흐름이 빠릅니다. 점도는 온도, 압력, 분자량 등 다양한 요인에 의해 영향을 받습니다. 점도 측정은 유체의 특성을 이해하고 응용 분야에 적용하는 데 필수적입니다. 예를 들어 화장품, 페인트, 윤활유 등의 점도 조절은 제품의 품질과 성능에 큰 영향을 미칩니다. 또한 고분자 용액의 점도 측정은 분자량 및 분자량 분포를 추정하는 데 활용됩니다. 따라서 점도 측정은 다양한 산업 분야에서 중요한 역할을 합니다.
2. 고분자 분자량 측정 방법

고분자 물질의 분자량은 고분자의 물리적, 화학적 특성을 결정하는 중요한 요인입니다. 고분자 분자량 측정 방법에는 여러 가지가 있습니다. 대표적인 방법으로는 겔 투과 크로마토그래피(GPC), 광산란 측정, 삼투압 측정 등이 있습니다. GPC는 고분자 사슬의 크기에 따른 용출 시간 차이를 이용하여 분자량 분포를 측정하는 방법입니다. 광산란 측정은 고분자 용액에 빛을 조사했을 때 발생하는 산란 강도로부터 분자량을 계산하는 방법입니다. 삼투압 측정은 고분자 용액과 용매 사이의 삼투압 차이로부터 분자량을 구하는 방법입니다. 각 방법은 장단점이 있어 측정 목적과 시료 특성에 따라 적절한 방법을 선택해야 합니다.
3. 점도 측정법

점도 측정법에는 다양한 방법이 있습니다. 대표적인 방법으로는 모세관 점도계, 회전 점도계, 낙구 점도계 등이 있습니다. 모세관 점도계는 유체가 모세관을 통과하는 데 걸리는 시간을 측정하여 점도를 계산하는 방법입니다. 회전 점도계는 회전하는 로터의 토크를 측정하여 점도를 계산하는 방법입니다. 낙구 점도계는 유체가 일정 높이에서 낙하하는 시간을 측정하여 점도를 계산하는 방법입니다. 각 방법은 측정 범위, 정확도, 편의성 등에서 차이가 있어 시료의 특성과 측정 목적에 따라 적절한 방법을 선택해야 합니다. 또한 점도 측정 시 온도 조절, 시료 전처리 등 다양한 요인을 고려해야 합니다.
4. Ubbelohde viscometer

Ubbelohde viscometer는 모세관 점도계의 한 종류로, 고분자 용액의 고유 점도 측정에 널리 사용되는 장비입니다. Ubbelohde viscometer는 유체가 모세관을 통과하는 데 걸리는 시간을 측정하여 점도를 계산합니다. 이 방법은 상대적으로 간단하고 정확한 편이며, 고분자 용액의 분자량 및 분자량 분포 추정에 활용됩니다. Ubbelohde viscometer는 온도 조절이 가능하고, 시료 주입과 배출이 용이하여 실험 편의성이 높습니다. 또한 표준화된 측정 절차가 있어 재현성 있는 결과를 얻을 수 있습니다. 따라서 Ubbelohde viscometer는 고분자 연구 및 산업 분야에서 널리 사용되는 점도 측정 장비라고 할 수 있습니다.

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