복합 나노유체의 유동성 제어를 위한 회합형 나노입자의 합성 및 계면배향에 관한 연구

Abstract

CHAPTER 1. 나오 유체 소개 나노 유체란 나노 크기의 입자들이 분산상에 고루퍼져 있는 상태로 나노 유체의 성질은 유체가 포함하고 있는 소량의 나노 입자의 성질에 따라 결정된다. 최근 유체가 포함하고 있는 나노 입자의 개질을 통해 광학적, 기계적, 정전기적 그리고 레올로지 특성을 강화 시킬 수 있는 스마트 나노 유체 연구에 관심이 높아지고 있다. 이런 특성으로 인해 열 전달과 에너지 관련 분야에 응용이 되고 있다. 기존 나노 유체의 활용과 최근 다양한 분야로 응용한 연구를 소개했다. CHAPTER 2. 소수성 회합 능력과 쌍성 폴리머 코팅 처리를 한 실리카 나노 입자의 오일회수증진에 대한 연구 본 연구에서는 소수성 회합 능력을 갖는 ASNPs를 합성하고 이를 통해 제조된 나노 유체로 오일회수증진에 이용을 하였다. 제조된 나노 유체는 ASNPs에 기인하는 소수성 인력으로 인해 wedge film 현상이 효과적으로 발현되었다. Wedge film 현상은 암석 표면에 잔존하고 있는 오일을 효율적으로 탈착시켜 오일회수증진을 극대화할 수 있다. 이 연구는 실험실 규모의 실험으로 오일회수증진이 기존 방법과 대비해 5 % 이상 높아진 결과를 얻었다. 이는 ASNPs를 도입한 나노 유체가 기존의 오일회수증진과 다른 독창성을 가지고 효율을 높일 수 있다는 것을 실험적으로 규명하였다. CHAPTER 3. 고분자 복합 유체 내 소수성 회합 능력과 쌍성 이온을 가진 독창적 회합 나노입자에 대한 유변학 연구 소수성 회합 능력을 가진 레올로지 조절제는 기존 레올로지 조절제보다 증점, 내염성, 내pH성 면에서 안정적인 장점을 가지기에 다양한 분야에 널리 사용되고 있다. 소수성 체인 도입을 통한 레올로지 조절제의 경우 유변학적 안정성은 매우 매력적이지만, 소수기의 도입 양이 증가할 경우 전체 상이 수용성 복합 유체에서 분리되게 된다. 따라서 본 연구에서는 쌍성이온 고분자 MPC와 소수성 체인 SMA를 실리카 나노입자의 표면에 surface meditated living ladical polymerization 방법을 이용하여 그라프팅 하여 ANPs를 합성하였다. 소수성 회합능력을 가진 ANPs를 소수성 체인이 도입된 레올로지 조절제에 첨가 할 경우, 서로 소수성 회합함으로써 증점 효과와 내염성 내pH성 면에서 기존 레올로지 조절제보다 유변학적 측면에서 개선된 결과를 얻음으로써, 레올로지 조절제로써 이용 가능성을 실험적으로 규명하였다. CHAPTER 4. 소수성 회합 나노 입자를 이용한 안정한 피커링 에멀젼 제조에 관한 연구 계면활성제의 경우, 두 가지 섞이지 않는 계의 사이에서 자유에너지를 낮춤으로써 전체 계를 안정화 시키는데 널리 사용되고 있다. 하지만 가려움이나, 자극성 물질로써 부작용이 있어 특정 분야에 적용하기에는 한계가 있다. 이에 입자에 고분자를 도입하여 계면활성제의 특성을 가지게 하고 기능성을 부여한 피커링 에멀젼이 주목을 받고 있다. 이에 본 연구에서는 앞서 개발한 소수성 회합능력을 가진 나노 입자의 친수기와 소수기의 도입 양을 조절함으로써, 안정한 W/O, O/W 피커링 에멀젼을 제조 하고 이를 입증 하였다. 또한, 소수기가 도입된 레올로지 조절제에 피커링 에멀젼을 도입하여 서로의 소수성 회합 거동을 유도함으로써, 전체 계의 유화 거동을 안정화 시켜 전체 계의 점증 효과와 내염성 내pH성 면에서 개선된 유변학적 결과를 얻을 수 있었다. 이로써 소수성이 도입된 나노입자를 기반으로 한 피커링 에멀젼을 레올로지 조절제에 첨가하여 이용 가능하다는 것을 실험적으로 규명하였다. CHAPTER 5. 소수성 회합과 자성을 동시에 가지는 나노 입자를 이용한 안정하고 외부응답성을 갖는 피커링 에멀젼 제조에 관한 연구 본 연구에서는 안정한 피커링 에멀젼에 외부응답성을 부여하기 위해서 자성 입자를 코어로 하는 AMNPs를 합성하였다. AMNPs는 소수성 회합능력의 정도를 조절할 수 있고, 정전기적으로 안정한 거동을 보이는 것을 입증하였다. 또한, AMNPs는 소수성 회합과 자성을 가지기에 이를 이용해 피커링 에멀젼을 제조하였을 때는 구조적 안정성과 외부응답성을 나타내었다. 피커링 에멀젼 제조시 사용되는 입자의 농도를 조절 함으로써 에멀젼의 외부응답성의 강도가 달라지는 것을 실험적으로 규명하였다. 이사의 결과를 통해서 본 연구의 피커링 에멀젼 시스템은 오일 회수, 코스메틱 그리고 드럭딜리버리 분야에 큰 역할을 할 것이다.; ∼5 vol % oil recovery enhancement and ∼0.3 psi pressure reduction were also achieved in comparison to neat nanofluid controls. In chapter 3, associative nanoparticles (ANPs) evaluated to modify the rheological properties of aqueous polymer gel fluids. ANPs used SMA to induce hydrophobic interaction with the corresponding alkyl chain of associative polymers that were freely dissolved in the aqueous phase. The incorporation of the ANPs into the associative polymer solution significantly enhanced the viscosity of the solution by a factor of five. This observation indicates that the ANPs act as nanoscale particulate crosslinkers due to their effective association with the polymers in the solution, leading to the formation of an ANP-mediated polymer gel structure. In chapter 4, this study introduces a new type of associative nanoparticle (ANP) that provides controlled chain-to-chain attraction with an associative polymer rheology modifier (APRM) to produce highly stable Pickering emulsions. The ANP-stabilized Pickering emulsions show significant viscosity enhancement in the presence of the APRM. This indicates that the ANPs act as particulate concentration agents at the interface owing to their hydrophobic association with the APRM in the aqueous phase, which leads to the generation of an ANP-mediated complex colloidal film. Consequently, the described ANP-reinforced Pickering emulsion system exhibits improved resistance to pH and salinity changes. This coacervation approach is advantageous because the complex colloidal layer at the interface provides the emulsion drops with a mechanically robust barrier, thus guaranteeing the improved Pickering emulsion stability against harsh environmental factors. In chapter 5, this study introduces a smart Pickering emulsion fluid system that is fabricated by controlled interfacial assembly of associative magnetic nanoparticles (AMNPs). These AMNPs can control hydrophobic association and emulsifying abilities with keeping electrostatically stable behaviors due to polymerization of SMA-co-MPC. More interestingly, when the Pickering emulsion is produced by interfacial assembly of the AMNPs, the flow behavior can be kinetically controlled in response to the applied magnetic field, which nicely demonstrates that this emulsion system has great potentials for recoverable emulsion applications.; Intense interest has been shown in the development of “smart nanofluids” because they can dramatically change their flow properties in complex fluid systems. This dissertation introduces a robust and straightforward approach to develop a smart nanofluid system. Along with this, we briefly introduced the unique properties of nanofluids for various applications in chanter 1. In chapter 2, hydrophobically associative silica nanoparticles (ASNPs) introduced for enhaced oil recovery. ASNPs were synthesized by covalently coating a hydrophobically associative hygroscopic zwitterionic poly[2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine (MPC)-co-divinylbenzene (DVB)] shell layer on 20 nm sized silica nanoparticles (NPs) by surfacemediated living radical polymerization. The essence of our approach is to copolymerize DVB, which endows the polymer shell of ASNPs with a weak long-range hydrophobic attraction. This leads to the favorable formation of a wedge film as a result of structural disjoining pressure. This wedge film made the oil adsorbed on the rock surface more dewettable, thus enhancing the efficiency of oil recovery. As a result of this unique behavior, the ASNP nanofluid developed in this study remarkably improved the fluidity of complex oil fluids