[논문 리뷰] Dynamic characterization of cellulose nanofibrils in sheared and extended semi-dilute dispersions

Tomas Rosén, Nitesh Mittal외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 01.

Advanced Cellulose Research Studies참고 문헌 58인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 유동 중인 셀룰로오스 나노피브릴(CNF)의 동적 거동을 유동 정지 실험을 통해 편광 현미경(POM)과 산란각이 작은 X선 회절(SAXS)을 이용하여 정렬 분포 함수(ODF)를 측정함으로써 조사한다. 다중 시간 스케일에서 회전 확산이 발생하며, 비틀림 유동이 확장 유동보다 더 빠르게 확산을 촉진하는 것으로 나타났고, 변형력이 확산 동역학에 결정적인 영향을 미친다. 이는 ODF만으로도 확산 속도가 결정된다는 가정을 도전한다.

ABSTRACT

New materials made through controlled assembly of dispersed cellulose nanofibrils (CNF) has the potential to develop into biobased competitors to some of the highest performing materials today. The erformance of these new cellulose materials depends on how easily CNF alignment can be controlled with hydrodynamic forces, which are always in competition with a different process driving the system towards isotropy, called rotary diffusion. In this work, we present a flow-stop experiment using polarized optical microscopy (POM) to study the rotary diffusion of CNF dispersions in process relevant flows and concentrations. This is combined with small angle X-ray scattering (SAXS) experiments to analyze the true orientation distribution function (ODF) of the flowing fibrils. It is found that the rotary diffusion process of CNF occurs at multiple time scales, where the fastest scale seems to be dependent on the deformation history of the dispersion before the stop. At the same time, the hypothesis that rotary diffusion is dependent on the initial ODF does not hold as the same distribution can result in different diffusion time scales. The rotary diffusion is found to be faster in flows dominated by shear compared to pure extensional flows. Furthermore, the experimental setup can be used to quickly characterize the dynamic properties of flowing CNF and thus aid in determining the quality of the dispersion and its usability in material processes.

연구 동기 및 목표

• 가공 중에 수력력과 회전 확산이 상호작용하여 CNF 정렬을 어떻게 조절하는지 이해하기 위해.
• 초기 정렬 분포 함수(ODF)만으로도 CNF 산산화액에서의 회전 확산 속도가 결정되는지 확인하기 위해.
• 유도어 유동과 순수 확장 유동에서의 회전 확산 동역학을 비교하기 위해.
• 재료 가공에 관련된 동적 CNF 산산화액 특성을 특징짓는 빠른 실험 방법을 개발하기 위해.
• 변형력 역사가 유동 정지 후 재정렬 역학에 미치는 영향을 정량화하기 위해.

제안 방법

• 유동 중인 CNF 산산화액을 급격히 정지시켜 정지 후 재정렬 역학을 관찰하는 유동 정지 실험을 수행하기 위해.
• 유동 정지 후 CNF 정렬의 진화를 시각화하고 추적하기 위해 편광 현미경(POM)을 사용하기 위해.
• 유동 중 및 유동 후에 실질적인 정렬 분포 함수(ODF)를 정량적으로 측정하기 위해 산란각이 작은 X선 회절(SAXS)을 활용하기 위해.
• ODF의 시간 진화를 분석하여 다양한 유동 유형과 역사에서의 회전 확산 시간 스케일을 추출하기 위해.
• 통제된 산산화액 조건 하에서 유도어 유동이 주된 유동과 순수 확장 유동 간의 확산 동역학을 비교하기 위해.
• 유동 정지 이전의 변형력 역사와 관측된 회전 확산 속도 간의 상관관계를 분석하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CNF의 초기 정렬 분포 함수(ODF)는 유동 정지 후 회전 확산 속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 유동 및 확장 유동 조건에서 CNF 산산화액의 회전 확산에 대한 시간 스케일은 무엇인가?
• RQ3 CNF 산산화액의 변형력 역사는 그 후 유동 정지 후 재정렬 역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 유도어 유동에서의 회전 확산 속도가 순수 확장 유동보다 더 빠른가?
• RQ5 유동 정지 POM-SAXS 설정은 재료 가공에서 CNF 산산화액 품질 평가를 위한 빠른 진단 도구로 사용될 수 있는가?

주요 결과

• CNF 산산화액에서의 회전 확산은 다중 시간 스케일에서 발생하며, 가장 빠른 스케일은 산산화액의 이전 변형력 역사를 기반으로 한다.
• 초기 ODF만으로도 회전 확산 속도가 결정된다는 가설은 기각되었으며, 동일한 ODF에서도 다른 확산 시간 스케일이 나타나기 때문이다.
• 유도어 유동에서의 회전 확산은 순수 확장 유동보다 현저히 빠르게 발생한다.
• 유동 정지 POM-SAXS 실험 설정은 ODF 진화를 직접적으로 정량적으로 측정할 수 있으며, 산산화액 품질과 가공성 평가를 위한 빠른 방법을 제공한다.
• 유동 정지 이전의 변형력 역사는 재정렬 동역학의 속도에 결정적인 역할을 하며, CNF 산산화액에 기억 효과가 있음을 시사한다.
• POM과 SAXS의 조합은 가공 조건에서 실질적인 조건에서 섬유의 정렬 역학을 정성적 시각화와 정량적 분석 모두 가능하게 한다.