고객 성공 사례
초분자 화학: 악취 제어에서 오일 회수 최적화까지: 레오미터가 도움이 되는 방법 NETZSCH
앤드류 하우의 현장 보고서
"저는 1988년부터 산업용 콜로이드/제형/연성 물질 과학자로서 NETZSCH 레오미터와 그 직계 모델인 말번 및 볼린과 함께 일해 온 앤드류 하우(Andrew Howe)입니다.
레오미터는 제조 공정의 효율성을 극대화하고 최종 제품의 성능을 최적화하기 위한 재료를 설계하는 데 매우 유용합니다. 저는 이전 직장인 코닥에서 빠르고 효율적인 코팅 및 건조 공정을 위한 배합을 할 때와 슐룸베르거에서 다공성 기하학적 구조에서 유체 변위를 최적화할 때 유변학 데이터를 사용했습니다.
현재 저는 다음에서 일하고 있습니다 Aqdot에서 일하고 있습니다. 2013년 케임브리지 대학교에서 시작된 회사입니다. Aqdot은 독특하고 효과적인 초분자 '숙주'인 거대 고리형 분자 쿠커비투릴(또는 'CB')을 통해 초분자 화학 기술을 상용화하고 있습니다. CB는 특히 소수성, 산성, 염기성 및 양이온성 모티브를 비롯한 다양한 '게스트'와 비공유로 결합합니다.
CB 동족체(CB[6], CB[7], CB[8])에 대한 많은 학술 연구가 수행되었지만 지금까지는 그램 단위로만, 그것도 막대한 비용을 들여서만 재료를 구할 수 있었습니다."
Large 규모의 혁신적인 악취 제어
"Aqdot은 CB의 제조 규모를 수 톤 규모로 확장했으며, 이 물질의 즉각적인 large-규모 시장은 불쾌한 악취와 VOC(휘발성 유기 화합물)를 제거하는 것입니다. 이 기술은 다양한 크기와 분자 특성을 가진 분자의 결합을 가능하게 합니다.
Aqdot의 접근 방식은 가정 및 개인 관리, 섬유 및 플라스틱, 특히 자동차 응용 분야를 포함한 활발한 시장과 제품에 대한 라이선스 및 공급입니다. 많은 시장에서 일하다 보니 제품을 다양한 유형의 제형에 "매끄럽게" 포함시켜야 하며, 유변학적 측정은 우리가 얼마나 성공적인지, 필요한 경우 조정할 수 있는 단서를 제공하는 훌륭한 가이드가 됩니다.
유변학이 제공하는 고유한 인사이트
"부드러운"(순수 고체가 아닌) 제형을 다룰 때마다 레오미터는 고유한 통찰력을 제공합니다. 유변학의 큰 장점 중 하나는 시료 희석이 필요하지 않다는 점, 즉 목표 농도에서 재료를 조사할 수 있다는 것입니다.
일반적인 질문은 다음과 같습니다:
- 물질이 흐르는가, 부유하는가, 분사될 가능성이 있는가 등입니다
- 물질이 농도, 분자량, 온도 및 Ionic 강도에 얼마나 민감한가?
- 각 제품 배치가 동일한가?
이러한 모든 질문은 일반적으로 간단한 유변학적 측정으로 해결할 수 있습니다. 유변학 결과는 항상 제품 설계 및 성능 최적화에 직접적으로 유용합니다. 측정은 선택의 폭을 좁히고 개발 속도를 높이고 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다.
예를 들어, 펌프 스프레이로 사용하기 적합한 수성 무향 방향제 제형인 '오데라제'를 개발할 때 유변학 측정은 매우 중요했습니다. 신중하게 선택한 유변학 실험은 적절한 특성과 안정성을 가진 조성물을 빠르게 식별하는 데 도움이 되었습니다.
제 유변학 경력은 코닥에 입사하면서 시작되었습니다. 1988년, 우리는 변형 제어식 계측기인 Bohlin VOR 회전 레오미터를 주력 장비로 선택했습니다. 그 이후로 제어 응력 기술이 빠르게 발전하여 여러 버전의 Bohlin CS 레오미터(당시 코닥은 슐룸베르거)를 거쳐 Aqdot 이사회가 Bohlin 장비의 후속 제품인 Kinexus Pro+ 레오미터 두 대를 구매하도록 승인한 것을 기쁘게 생각했습니다.
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„NETZSCH 계측기를 선택한 것은 쉬운 결정이었습니다. NETZSCH 과학자와 엔지니어들은 항상 "쉬운" 문제에 대한 명확한 해결책을 제시하고 "어려운" 문제나 새로운 과제를 극복하는 데 도움이 되는 통찰력 있는 제안을 하는 등 매우 도움이 되는(그리고 더 중요한 것은!) 우수한 사양을 갖추고 있습니다.“
NETZSCH 키넥서스 프라임 제품 포트폴리오
뛰어난 서비스 및 고객 지원
이 NETZSCH 기기를 선택한 것은 쉬운 결정이었습니다. 이 계측기는 뛰어난 사양을 갖추고 있고, 무엇보다도 충족합니다! 또한 중요한 것은 NETZSCH 뛰어난 서비스와 고객 지원을 유지한다는 점입니다. NETZSCH 과학자와 엔지니어들은 항상 "쉬운" 문제에 대한 명확한 해결책을 제시하고 "어려운" 또는 새로운 문제를 극복하는 데 도움이 되는 통찰력 있는 제안을 제공함으로써 매우 도움이 됩니다.
최근에는 웨비나를 통해 일반적인 질문에 대한 답변뿐만 아니라 많은 도구가 새로운 방식으로 배포될 수 있는 기회를 제시하는 등 사용자에게 보다 폭넓은 통찰력과 직접적인 도움을 제공하고 있습니다.
유변학 아티팩트에 대한 최근 세미나는 매우 만족스러웠습니다. 아티팩트에 대한 이해는 최상의 측정을 수행하고 다른 사람에게 자신 있게 결과를 설명할 수 있는 데 필수적입니다.
고분자 강화 오일 회수: 초고분자량 폴리머 수용액의 특이한 흐름 거동: 고분자량 폴리머 수용액의 특이한 흐름 거동
일반적인 일상 측정에는 연속(유량 곡선)과 진동 전단(주파수 및 응력 스윕)이 모두 포함됩니다. 산업계에서 일하다 보면 대부분의 측정값을 공개할 수 없습니다. 그러나 슐룸베르거의 Andrew Clarke 및 동료들과 함께 다공성 매질에서 매우 높은 MW 폴리머 수용액의 비정상적인 흐름 거동에 대한 일련의 논문을 발표했으며, 원유 회수에 적용했습니다[1]
우리의 연구는 매우 높은 MW(>15 MDa)의 연성 폴리머를 포함하는 유체에서 임계 유속 이상의 전단 점도와 일치하는 배압이 임계 유속 이상으로 증가한다는 이전에 알려진 현상을 따라 유전 흐름 조건에서 임계 속도에 접근할 수 있었습니다. 우리는 임계 속도가 폴리머 농도와 무관하지만 폴리머 MW의 제곱으로 감소하는 것을 확인했습니다. 이러한 의존성은 매우 예상하지 못한 결과입니다.미세유체 연구에서는 이 임계 유속 이상에서 흐름이 불안정해지는 것으로 나타났습니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이 매우 높은 MW(18-20 MDa) 부분 가수분해 폴리(아크릴아미드)에 대해 단순 전단 흐름에서 흐름의 불안정성을 재현할 수 있었습니다.낮은 속도에서는 일반적인 거동(뉴턴의 힘의 법칙에 따른 얇아짐)이 뚜렷하게 나타나며, 이완 시간 lCY를 제공하는 카로-야스다 모델을 적용할 수 있습니다. 그러나 처음에는 놀랍게도 100s-1에서 뚜렷한 두꺼워짐이 나타납니다.
이 짧은 이완 시간 lt는 폴리머 MW의 제곱에 따라 증가(시작 속도 감소)하며, 이는 이러한 유체가 암반 코어를 통과하는 흐름에서 볼 수 있는 것과 동일합니다(그림 2).
영전단 점도 h(0), 얇아짐 시작의 이완 시간 lCY 및 G'=G" 크로스오버(losc)는 각각 폴리머 농도 C3에 따라 증가하는 반면, 높은 전단(lPM으로 재조정) 및 암석에서의 두꺼워짐 시작(lcore)은 농도와 무관합니다(그림 3).
두꺼워짐은 불안정한 흐름으로의 전환에 해당합니다. "정상 상태" 단계 응력 측정에서는 겉보기 점도 값에 히스테리시스가 있는 반면 응력 램프(각 응력 값에서 0.3초)에서는 흐름이 "순간" 점도 값의 변동으로 불안정해집니다(그림 4).
불안정한 흐름으로의 전환은 "탄성 난류"[2]와 일치하는데, 이는 곡선으로 흐르는 매우 높은 MW 폴리머와 관련된 현상입니다. 암석과 같은 다공성 매질은 곡선 구조가 매우 높고, 유체 기하학적 형상은 훨씬 덜 그렇습니다. 그러나 원추형 형상의 낮은 수준의 곡률도 이 메커니즘에 의해 불안정한 흐름을 생성하기에 충분합니다.[3].
1o 및 4o 원뿔을 사용한 실험은 낮은 전단에서 예상되는 중첩 데이터를 산출했지만, 높은 속도에서의 두꺼워짐/불안정한 흐름은 더 큰 각도의 원뿔에서 낮은 속도에서 시작됩니다.
이 동작은 점도가 증가함에 따라 더 높은 속도로 시작되는 2차 흐름(투리안 와류)과는 매우 다른데, 이러한 폴리머의 경우 불안정한 흐름의 시작은 점도가 아닌 MW, 속도 및 원뿔 각도에 따라 달라집니다.
결론
이 연구 이전에는 폴리머 강화 오일 회수에 대한 이해는 다공성 매질에서의 단순한 점탄성 거동에 기반했습니다. 이 연구는 평형 흐름이 국부적인 거동을 설명하기에 적절하지 않다는 것을 보여주었습니다. 탄성 난류에서 유동장은 방향과 크기 측면에서 평균을 중심으로 크게 변동하며, 결과적으로 원유와 같은 갇힌 고점도 유체를 예상보다 훨씬 더 효과적으로 변위시킬 수 있다는 것을 보여주었습니다.
이러한 데이터를 통해 매우 높은 MW 폴리머가 선형 점탄성 거동에서 예측한 것보다 더 많은 오일을 대체하는 이유와 조건에 대한 예측적 이해가 가능해졌습니다. 이러한 이해에는 고품질 레오미터를 사용한 레오메트릭 측정의 역할이 매우 중요했습니다.
인정:
늘 그래왔듯이, 램프/스텝 응력 연구를 위한 최적의 실험 조건을 안내하는 데는 Adrian Hill 및 Shona Marsh(영국 고객 지원)와의 논의가 큰 도움이 되었습니다! 그리고 대런 테넌트는 레오미터를 최상의 상태로 유지해 주었습니다."
Andrew, 연구 작업에 대한 흥미로운 통찰력과 수십 년 동안 NETZSCH 및 레오미터에 대한 신뢰에 감사드립니다!
[1] 수용성 점탄성 폴리머 용액으로 비정상적으로 증가하는 오일 변위의 메커니즘, A Clarke, A M Howe, J Mitchell, J Staniland, L Hawkes, K Leeper, Soft Matter, 2015, 11, 3536 - 3541.다공성 매질에서 농축 점탄성 폴리머 용액의 점탄성 흐름. 다양한 기하학적 구조에서 탄성 난류 발생에 대한 MW 분자량과 농도의 영향. A M Howe, A Clarke, D Giernalczyk, Soft Matter, (2015) 11 6419 - 6431.
저장 NMR을 이용한 암반 코어의 실시간 오일 포화도 모니터링 J Mitchell A M Howe, A Clarke, 자기 공명 저널, (2015) 256, 34-42
3차원 다공성 구조에서의 고분자 흐름과 탄성 난류, J Mitchell, K Lyons, A M Howe 및 A Clarke, Soft Matter, 2016,12, 460-468.
점탄성 폴리머 플러딩이 변위 효율을 향상시키는 방법, A Clarke, A M Howe, J Mitchell, J Staniland, L A Hawkes; SPE 저널, SPE-174654-MS, SPE 저널 SPE J. 21 (03): 0675-0687.
[2] 폴리머 용액 흐름의 탄성 난류 A Groisman 및 V Steinberg, Nature 405, 53 (2000).
폴리머 첨가제를 사용한 낮은 레이놀즈 수에서의 효율적인 혼합 A Groisman 및 V Steinberg, Nature 410, 905 (2001).
[3] 탄성 불안정성과 곡선형 유선형 P Pakdel 및 G H McKinley, Physical Review Letters, 77, 2459, 1996.