미세유로에서 저점도 고분자 용액의 완화시간 측정 및 입자 집속에 관한 연구
Relaxation Time Measurement of Polymer Solutions with Low Viscosity and Particle Focusing in Microchannel Flow
- 주제(키워드) 점탄성 , 완화시간 , 입자 이동 현상
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 김주민
- 발행년도 2017
- 학위수여년월 2017. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000025418
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
점탄성(viscoelastic) 유체는 우리 일상에서 널리 이용되고 있다. 특히, 고분자 용액은 산업적으로 관련된 여러 재료 및 응용분야에서 중요한 역할을 하고 있다. 따라서 고분자의 유변학적 특성을 이해하기 위해서 물질의 완화시간(relaxation time)을 측정하는 것은 매우 중요하다. 본 연구에서는 미세유체소자 기술을 이용하여 물질의 완화시간을 측정하는 간편한 방법을 제시하고자 한다. 종래의 기술을 이용하여 완화시간을 측정하는 경우, 기기의 관성이 미치는 영향과 낮은 민감도 때문에 저점도와 작은 값의 완화시간을 가지는 물질의 경우 정확한 측정을 할 수 없다는 한계가 있다. 따라서 최근 미세유체공학(microfluidics) 기술을 이용하여 이를 극복하고자 하는 시도가 많이 진행되고 있다. 그러나 선행 연구들은 채널의 형상이 복잡하고, 시스템과 유동장을 제어하기 위한 특별한 능력이 요구된다. 본 연구에서는 고분자 용액의 탄성과 관성 때문에 발생하는 입자의 이동을 이용하여 물질의 완화시간을 측정할 수 있는 간단한 방법을 제시한다. 먼저, 본 연구에서는 고분자 용액의 탄성에 관한 기존 이론을 통해 입자의 위치와 용액의 물성에 의존하는 식을 유도하였다. 이후, PEO(polyethylene oxide)용액을 이용한 입자 집속 실험을 반복하여 입자의 거동을 추적하였다. 이후, 이미지를 분석하여 경험적 상수를 결정하고, 이를 앞서 세운 식에 대입하여 PEO 용액의 완화시간을 측정하였다. 마지막으로 Zimm 이론으로 계산된 완화 시간과 비교, 검증하였다. 또한, 본 연구에서는 입자와 채널의 크기가 작아짐에 따라 급격하게 변화하는 입자의 거동을 발견하였다. 탄성 지배적 흐름 환경을 갖는 합성 고분자 용액에 분산된 콜로이드 입자가 사각 채널의 네 모서리와 중앙으로 정렬된다는 것은 선행 연구들을 통해 확인되었다. 하지만, 본 연구에서는 묽은 λ-DNA 용액에 분산된 콜로이드 입자는 좁은 사각 채널의 네 모서리에만 분포한다는 것을 관찰하였다. 본 연구와 공동으로 진행된 연구에서는 복잡유체의 탄성 효과와 DNA에 의한 margination 효과가 이러한 콜로이드 입자의 거동의 원인임을 확인하였다. 본 결과는 DNA 분자의 크기와 입자의 크기가 비슷해짐에 따라 연속체(continuum) 기반에서 분자 수준(molecular level) 점탄성(viscoelasticity) 기반의 입자 이동 현상으로 변화가 일어났기 때문에 이러한 현상이 발생하였다고 예측한다. 본 연구는 본 결과가 나노 입자 및 바이러스, 단백질 등과 같은 생체분자를 집속 시키거나 분리하는데 적용할 수 있을 것으로 기대한다.
more초록/요약
In present daily life, viscoelastic fluids are useful material. Especially, polymer solutions play an important role in various material and applications related to industry. Therefore, the relaxation time measurement of viscoelastic materials is important to understand their rheological properties. We propose a facile method to measure the relaxation time of polymer solution with low viscosity and small relaxation time using microfluidic device. When the relaxation time is measured using the conventional techniques, there are limitations in that the accurate measurement cannot be performed for the material having low viscosity and small relaxation time due to the low sensitivity of the conventional rheometers. So, microfluidics techniques have been proposed to overcome these problems. However, the previous studies have also some limitations: complex channel geometry, flow field control problem, and so on. We present a simple method to measure the relaxation time of the polymeric materials by using the particle migration caused by the elasticity of the polymer solution. First, we slightly modified the equation that predicts the lateral location of the particles depending the rheological properties of the solution based on the previous works. Then, the particle focusing experiments using dilute polyethylene oxide (PEO) solutions were performed to track the particle migration. After that, an empirical parameter was determined by analyzing the images to demonstrate the lateral locations of particles, and the relaxation time of the PEO solution was measured with the empirical parameters. Finally, the relaxation times predicted with the Zimm theory were compared to the experimentally measured values. Next, we demonstrated that the particle dynamics in DNA solution has drastically changed as the channel and particle dimension decreased. According to the previous works, the colloid particles dispersed in the polymer solution under the elastic dominant flow are located at the four corners and the center of the rectangular channel. However, we found that the particles move along only the four corners of the rectangular channel. In a study conducted jointly with this study, it was confirmed that the elastic effect of complex fluid and the margination effect by DNA were the origin for the intriguing dynamics of these colloidal particles. This phenomenon can be elucidated with our assumption that the colloidal dynamics are significantly changed when the sizes of the polymer molecule and the colloidal particle size are comparable. That is, the continuum-based approach can be no longer applied under the small length scale flow. We expect that these results can be applied to the particle focusing or separation of biomolecules such as nanoparticles, viruses, and proteins.
more목차
1 서론 1
2 미세유로 내에서 고분자 용액의 완화시간 측정 4
2-1 연구 배경 4
2-2 실험 재료 및 과정 6
2-2-1 미세유로 제작 6
2-2-2 사용물질 9
2-2-3 실험 과정 및 이미지 분석 15
2-4 결과 및 토의 16
2-3-1 고분자 용액 내의 입자 이동에 관련된 이론 16
2-3-2 수직 응력 측정을 통한 완화시간의 추정 20
2-3-3 입자 집속 실험을 통한 경험적 상수의 결정 27
2-3-4 VFR을 이용한 완화시간의 결정 31
2-4 결론 37
3 미세유로 내의 입자 집속에 관한 연구 39
3-1 연구 배경 39
3-2 실험 재료 및 과정 44
3-2-1 미세유로 제작 44
3-2-2 사용물질 45
3-2-3 실험 과정 및 이미지 분석 46
3-3 결과 및 토의 50
3-3-1 채널과 입자의 크기에 따른 입자의 거동 50
3-3-2 유량과 입자의 크기에 따른 입자의 거동 53
3-3-3 Margination 효과 59
3-4 결론 60
4 맺음말 61
5 참고문헌 63
Abstract 69
