Attension ® 표면 장력 측정기는 원활한 생산과 고품질 제품을 향한 새로운 발견 및 보다 자신감 있는 결정을 불러일으킵니다.
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Transformer Oil Analyzer
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표면 장력계를 사용하여 Critical Micelle Concentration (CMC, 임계 미셀 농도)를 측정하는 방법은 주로 계면 활성 물질이 미셀을 형성하기 시작하는 지점을 식별하는 것에 초점을 맞춥니다.
CMC는 계면 활성 물질이 수용액에서 일정 농도 이상으로 농축될 때 미셀이 형성되기 시작하는 농도를 의미합니다.
특정 분자는 용질에 대한 친화도가 다른 두 가지 뚜렷한 성분을 가지고 있으며 물과 같은 극성 용질에 대한 친화도가 있는 분자 부분을 친수성이라고 합니다. 또한 탄화수소와 같은 비극성 용질에 대한 친화도가 있는 분자 부분을 소수성이라고 합니다. 친수성 및 소수성 성분을 가진 분자를 친수성이라고 합니다(그림 A).
그림 1: (A) 양친매성 분자, (B) 경계면의 양친매성 분자 (C) 미셀
친수성 분자는 물과 상호 작용할 때 뚜렷한 행동을 보입니다.
분자의 극성 부분은 물과 상호 작용하려고 하는 반면 비극성 부분은 물과 상호 작용을 피합니다.
이러한 분자가 두 가지 상태를 모두 달성하는 데는 두 가지 방법이 있습니다.
친수성 분자는 물 표면에 배열되어 극성 부분이 물과 상호 작용하고 비극성 부분이 표면 위에 유지되도록 할 수 있습니다(그림 B 참조).
표면에 이러한 분자가 존재하면 표면의 응집 에너지가 방해를 받아 표면 장력이 낮아집니다. 이러한 분자를 ‘표면 활성’ 분자 또는 계면 활성제라고 합니다.
분자의 또 다른 배열은 각 구성 요소가 선호하는 환경과 상호 작용할 수 있도록 합니다. 분자는 소수성 부분이 클러스터 내부에 배향되고 친수성 부분이 용매에 노출되는 응집체 또는 미셀을 형성할 수 있습니다. 구형 미셀의 예가 그림 C에 나와 있습니다.
액체 표면이나 액체의 벌크에 미셀로 존재하는 분자의 비율은 농도에 따라 달라집니다. 낮은 농도에서는 낮은 농도의 계면활성제가 액체 표면을 차지합니다. 표면이 계면활성제로 가득 차면 추가 분자가 미셀로 배열됩니다. 이 농도를 임계 미셀 농도(CMC)라고 하며 표면 장력을 측정하여 찾을 수 있습니다. 아래 그래프는 표면 장력 과 추가된 계면활성제 농도의 로그 값을 보여줍니다.
그림 2: 농도에 따른 표면 장력(로그 척도)
그래프는 세 가지 단계를 보여줍니다.
1, 계면활성제 농도가 낮을 때 표면 장력에 약간의 변화만 감지됩니다.
2, 계면활성제를 추가하면 표면 장력이 감소합니다 .
3, 표면은 완전히 하중을 받게 되어 표면 장력 에 더 이상 변화가 없습니다 .
CMC는 최소 표면 장력 의 기준선과 표면 장력이 선형적으로 감소하는 경사 가 교차하는 지점으로 발견됩니다 .
표면 장력 대 로그 농도는 수동으로 혼합한 일련의 용액을 측정하거나 옵션 디스펜서가 있는 Attension Sigma를 사용하여 자동으로 그래프로 표시 할 수 있습니다.
일련의 용액에 대한 표면 장력을 수동으로 혼합하고 테스트하는 것은 시간이 많이 걸리고 실제 문제가 발생할 수 있습니다.
Sigma 범위의 자동화된 기능을 사용하면 표면 장력 측정의 안정성을 쉽게 처리할 수 있습니다. S
igma 700 및 701 프로그램은 또한 로그 스케일에서 균일한 간격을 위해 혼합 농도를 자동화하고 CMC를 찾는 데 도움이 되는 그래픽을 지원합니다.
일반적으로 표면 장력계를 사용한 CMC 측정 방법은 다음과 같은 절차를 따릅니다:
1. 측정 기본 설정
표면 장력 측정기 준비: 표면 장력 측정기를 사용하여 물 속의 계면 활성 물질 농도에 따른 표면 장력 변화를 측정합니다.
측정 액체 및 계면 활성 물질: CMC 측정을 위한 물질을 잘 섞은 샘플을 준비합니다. 이때 측정 액체는 일반적으로 물이며, 계면 활성 물질의 농도를 단계적으로 증가시켜가며 실험을 진행합니다.
2. 실험 절차
초기 표면 장력 측정: 먼저, 순수 물의 표면 장력을 측정합니다. 이는 기준점으로 사용됩니다.
계면 활성 물질 농도 증가: 계면 활성 물질의 농도를 단계적으로 증가시키며, 각 단계에서 표면 장력을 측정합니다. 일반적으로 물질의 농도를 0.1 mM 또는 그 이하로 증가시키는 것이 좋습니다.
표면 장력의 변화 관찰: 계면 활성 물질 농도가 증가함에 따라 표면 장력이 변화하는 양상을 관찰합니다. 초기에는 표면 장력이 감소하다가, 특정 농도 이후에는 더 이상 큰 변화가 나타나지 않는 지점을 찾습니다.
CMC 결정: CMC는 계면 활성 물질 농도가 증가하면서 표면 장력의 변화가 감소하다가 안정화되는 지점으로 정의됩니다. 이 지점은 일반적으로 표면 장력 곡선에서 꺾이는 부분으로 확인할 수 있습니다.
3. 데이터 분석
표면 장력 곡선 분석: 실험 데이터를 분석하여 CMC를 정확히 결정합니다. 일반적으로 실험 결과를 그래프로 표현하여, 표면 장력이 계면 활성 물질 농도에 따라 어떻게 변하는지를 시각적으로 확인합니다.
4. 주의사항
정확한 실험 조건: 실험 시 물질의 농도를 정확히 조절하는 것이 중요합니다. 너무 높은 농도에서는 초기에 미셀 형성이 시작될 수 있어 정확한 CMC 결정에 방해가 될 수 있습니다.
반복 측정: CMC는 여러 번의 반복 측정을 통해 검증되어야 합니다. 각 실험 결과의 일관성을 확인하고 평균값을 사용하여 정확도를 높입니다.
Sigma 700/701을 사용한 CMC 측정은 농축된 계면활성제를 계면활성제가 없는 용액에 첨가하거나 농축된 계면활성제 용액을 순수한 용매로 희석하여 수행할 수 있습니다.
CMC 측정은 소프트웨어 설정을 준비하고 방법(Wilhelmy plate 또는 Du Noüy ring)을 선택하는 것으로 시작합니다. 그런 다음 프로브를 적절히 선택하고 측정 용기에 초기 용액을 채우면 Sigma 700/701이 자동으로 실험을 완료합니다.
OneAttension 소프트웨어에는 실험을 두 단계로 나누는 자동 검색 옵션이 있어 알려지지 않은 액체를 사용한 실험 속도를 높여줍니다.
검색 단계에서는 비중요 데이터 계산이 발생하는 실험의 첫 번째 부분에서 더 큰 추가를 할 수 있습니다.
ST 값이 크게 떨어지면 기기가 측정 단계로 전환되고 일반적인 실험 프로토콜을 따릅니다.
요청된 추가가 모두 완료되면 실험이 종료되고 데이터는 자동으로 분석을 위해 저장됩니다.
Sigma 700/701 힘 장력계를 사용한 전자동 임계 미셀 농도 비디오를 시청하세요.
표면 장력의 정의
정의: 표면 장력은 액체의 표면을 수축시키려는 경향을 나타내는 물리적 성질로, 단위는 뉴턴/미터(N/m)입니다. 표면 장력은 액체 표면의 모든 분자들이 내부로 당기는 힘을 균형 있게 유지하려는 결과로 나타납니다.
수학적 표현
표면 장력 (γ\gamma γ)은 단위 길이당 작용하는 힘으로 정의되며, 다음과 같이 표현할 수 있습니다:
γ=FL\gamma = \frac{F}{L}
γ=LF 여기서 FF
F는 액체 표면을 수축시키는 힘, LL
L은 그 힘이 작용하는 경계의 길이입니다.
표면 장력의 기원
표면 장력의 기원은 분자 간의 상호작용에 있으며, 액체의 표면에서 발생하는 독특한 물리적 현상입니다. 이를 이해하기 위해, 분자 수준에서 일어나는 힘과 에너지 상호작용을 살펴볼 필요가 있습니다.
분자 간의 상호작용
응집력(Cohesive Forces):
응집력은 동일한 분자들 사이에서 작용하는 인력입니다. 액체 내부의 분자들은 서로 강하게 끌어당기며, 이는 분자들이 액체 상태를 유지하는 데 필요한 에너지를 제공합니다.
액체 내부의 분자들은 모든 방향에서 균형 잡힌 응집력을 경험하므로, 서로 당기는 힘이 상쇄됩니다.
부착력(Adhesive Forces):
부착력은 액체와 다른 물질 (예: 고체 표면) 사이에서 작용하는 인력입니다.
표면에 있는 분자들은 공기 또는 다른 상이한 물질과 접촉하게 되므로, 부착력을 경험합니다.