소개
웜 유사 미셀(WLM)의 특성은 학계와 산업계 모두에서 핵심적인 연구 분야입니다. 이는 주로 개인 관리부터 석유 회수에 이르기까지 다양한 산업 분야에서 광범위하게 응용되고 있기 때문입니다. 이 물질은 놀라운 점도와 점탄성을 생성하는 간단하고 비용 효율적인 방법을 제공합니다. 또한 '스마트' 또는 자극에 반응하는 구조로 만들 수 있으며, 놀랍도록 다른 유변학으로 다른 상으로 전환할 수 있습니다. 이러한 반응은 생물의학 및 약물 전달 응용 분야와 미세 유체 장치를 사용한 분리 분야에서 높은 관심을 받고 있습니다.
벌레형 미셀은 다양한 계면활성제 시스템(음이온성, 양이온성 및 양이온성)과 다양한 블록 공중합체로부터 형성될 수 있습니다. 흥미로운 점은 이렇게 다양한 화학 종으로 형성될 수 있음에도 불구하고 유변학적 반응이 놀라울 정도로 유사하고 뚜렷한 유변학적 특징을 가지고 있다는 것입니다. 현재 잘 정립되어 널리 받아들여지고 있는 이론적 발전을 통해 (뚜렷한 유변학적 시그니처를 통해 드러나는) 구조를 감지할 수 있을 뿐만 아니라 중요한 구조적 파라미터를 추출할 수 있습니다.
이를 통해 연구자들은 전해질 수준, pH 또는 계면활성제 구성과 같은 다양한 배합 조건이 형성된 웜형 미셀의 미세 구조에 어떤 영향을 미치는지에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다. 웜과 같은 미셀은 대부분의 경우 양친매성 분자인 계면활성제로 형성됩니다. 계면활성제 패킹 파라미터에 따라 계면활성제는 다양한 미세 구조로 조립될 수 있습니다(표 1 참조).
표 1: 패킹 파라미터가 형성된 표면 미세 구조에 미치는 영향
패킹 파라미터가 1/2에서 1/3 사이일 때 계면활성제 분자는 막대 모양의 미셀 배열로 배열될 수 있습니다. 열역학에 따라 이러한 막대형 미셀은 농도가 증가하거나 전해질 또는 공동 계면활성제를 첨가하면 웜형 미셀로, 그다음에는 네마틱 액정으로 계속 성장할 수 있습니다(그림 1).
그림 1에 표시된 각각의 다른 단계는 뚜렷한 유변학적 특성을 나타냅니다. 가장 뚜렷하고 명확한 유변학적 특성은 반희석 및 농축된 벌레와 같은 미셀의 유변학적 특성입니다. 희석된 상태에서 반희석된 상태로, 농축된 상태에서 네마틱 단계로의 전환도 유변학을 통해 추적할 수 있습니다.
이들은 다양한 응용 분야에서 유변학 구조를 구성하는 주요 요소이므로 유변학적 특성과 제형 첨가/변화에 따른 구조 및 해당 유변학의 변화를 이해하는 것은 학계 및 산업 과학자 모두가 원하는 핵심 통찰력입니다. 유변학은 미셀 성장, 얽힘, 분기 및 전단 유도 전이에 대한 구체적인 인사이트를 제공할 수 있습니다.
이론
벌레형 미셀은 고분자와 유사하며 길고 유연하며, 벌레형 미셀의 얽힘으로 인해 놀라운 점도와 점탄성을 발휘합니다. 유변학적 반응을 제어하는 두 가지 주요 구조적 특징은 윤곽 길이 L(끝에서 끝까지 거리를 측정하는 척도)과 지속성 길이 lp(미셀의 유연성을 측정하는 척도)입니다. 시스템의 탄성은 웜과 같은 미셀의 유체역학적 상관 길이 ξH에 의해 영향을 받습니다.
고분자와 유사한 벌레형 미셀의 응력 완화는 렙테이션(고분자가 이웃에 의해 형성된 튜브를 통해 뱀처럼 움직이며 튜브를 빠져나갈 때까지 응력이 완전히 완화되는 현상)과 파단 및 재형성에 의해 일어날 수 있습니다.
리셉테이션 시간은 부피 분율 φ에 따라 달라지며 τrep ~ L3φ3/4로 표시됩니다
파단/성형 시간은 다음과 같이 주어집니다: τbreak ~ 1/L
Τbreak > τrep인 경우, 미셀은 지수 다분산성을 가지며 응력 완화 형태를 취하는 비파괴 폴리머와 매우 유사하게 작동합니다:
방정식 1
Τbreak < τrep 인 경우 이완 시간은 τ = (τbreakτrep)1/2로 주어집니다. 이러한 조건에서 유체는 다음과 같은 맥스웰 유체처럼 작동합니다
방정식 2
또는
방정식 3
제로 전단 점도 η0은 다음과 같이 고원 계수 Gp에 연결할 수 있습니다
방정식 4
유체역학 상관 길이(ξH)
유체역학적 상관 길이인 ξH는 고원 탄성계수에서 추출할 수 있습니다:
방정식 5
여기서 kB는 볼츠만 상수이고 T는 켈빈 단위의 온도입니다. 유체역학적 상관관계 길이는 나노미터 단위입니다.
얽힘 길이(le)
지속성 길이를 추정하거나 추출한 경우(고주파 유변학 또는 Small 각도 중성자 산란을 통해) 다음을 통해 얽힘 길이를 계산할 수 있습니다
방정식 6
실험적
- 이 실험에서는 벌레와 같은 미셀 구조의 바디워시를 평가하여 이완 시간과 유체역학적 상관 길이를 측정했습니다.
- 회전 레오미터 측정은 펠티에 플레이트 카트리지와 콘 및 플레이트 측정 시스템1이 장착된 키넥서스 레오미터를 사용하여 rSpace 소프트웨어에서 사전 구성된 표준 시퀀스를 활용하여 수행했습니다.
- 시료가 일관되고 제어 가능한 로딩 프로토콜을 따르도록 하기 위해 표준 로딩 시퀀스를 사용했습니다.
- 모든 유변학 측정은 25°C에서 수행되었습니다.
- 주파수 스윕 테스트는 선형 점탄성 영역(LVER)LVER에서는 적용된 응력이 구조물의 구조적 파괴(항복)를 일으키기에 충분하지 않으므로 중요한 미세 구조적 특성을 측정하고 있습니다.LVER 내의 변형률 값을 사용하여 0.2~40rad/s 사이에서 수행되었습니다.
- 웜형 미셀의 특징적인 반원형 모양(맥스웰 응답)이 얻어졌는지 여부를 확인하기 위해 주파수 스윕에서 콜-콜 플롯(G'' 대 G' 플롯)을 자동 생성했습니다.
- 주파수 스윕 데이터에서 Gp와 τ의 값을 추출하고 전자의 값으로부터 ξH를 계산했습니다.
결과 및 토론
바디워시 제품에 대한 G', G''의 주파수 응답은 그림 2(a)에 표시되어 있고 해당 콜-콜 플롯은 그림 2(b)에 표시되어 있습니다.
그림 2(a)에 표시된 데이터는 단일 이완 시간 맥스웰 모델에서 예상되는 것과 유사하며, 고주파수(Gp)에서 G'의 정체가 시작되고 ωc = 1/τ에서 G'/G"의 크로스오버가 발생합니다. 콜-콜 플롯의 반원 모양은 맥스웰 거동을 확인시켜 줍니다. 대부분의 간단한 바디워시나 투명 샴푸 제품은 일반적으로 소금과 함께 음이온 계면활성제와 양이온 계면활성제의 조합으로 인해 발생하는 벌레와 같은 미셀 구조인 이 거동을 따릅니다. 더 복잡한 제형에서는 향수나 진주 광택제와 같은 다른 첨가제가 존재하면 순수하게 얽힌 벌레형 미셀 시스템에서 벗어날 수 있습니다. 이러한 편차가 첨가제가 없는 경우에도 지속된다면 이는 계면활성제 시스템의 미세 구조와 구조화 효율의 변화 때문일 수 있습니다. 낮은 계면활성제와 낮은 염도에서 완전히 얽힌 웜형 미셀 시스템을 달성할 수 있다는 것은 매우 효율적인 구조화 시스템을 의미하므로 매우 바람직합니다.
표 2: 이론을 사용하여 측정 데이터에서 추출한 구조적 파라미터
| 파라미터 | 유체역학적 상관관계 길이 ξH (nm) | 이완 시간 τ (초) |
|---|---|---|
| 값 | 33.13 | 0.15 |
이론을 사용하여 추출한 해당 구조 매개변수는 표 2에 이 시스템에 대해 표시되어 있습니다.
결론
웜형 미셀(WLM)의 특성은 학계와 산업계 모두에서 핵심적인 연구 분야로, 광범위한 제품과 응용 분야에 사용되며 그 중 많은 부분이 기본 미세 구조에 크게 의존하기 때문입니다. 유변학적 측정과 이론적 이해를 결합하면 재료의 특징과 유변학적 거동을 설명하는 이완 시간 및 유체 역학적 상관 길이를 포함한 주요 미세 구조 파라미터를 추출할 수 있다는 것이 입증되었습니다.
평행 판 형상 또는 원통형 형상도 사용할 수 있습니다. 특히 고온에서 작업할 경우 측정 시스템 가장자리에서 용매(예: 물)가 증발하면 테스트가 무효화될 수 있으므로 이러한 테스트에는 용매 트랩을 사용하는 것이 좋습니다.