가루
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1. 개요
가루는 곡물, 식물성 재료 등을 기계적으로 파쇄하거나 용액에서 석출, 화학 반응 침전 등의 방법으로 제조된 미세한 고체 입자 형태의 물질이다. 식품, 화장품, 의약품, 산업 등 다양한 분야에서 사용되며, 쌀가루, 밀가루, 화약, 백분 등이 있다. 가루는 겉보기 밀도가 넓은 범위로 변하며, 입자 간 반데르발스 힘에 의해 응집되는 특성을 보인다. 공기 중에 떠다니는 특성 때문에 흡입 시 위험할 수 있으며, 특히 금속이나 유기 물질 가루는 폭발 위험이 있다.
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| 가루 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
| 설명 | 건조하고 입자가 미세하며 자유롭게 흐르는 고체 물질 |
| 물리적 특성 | |
| 구성 | 미세한 입자 |
| 형태 | 자유 유동성 |
| 상태 | 고체 |
| 특징 | 건조 |
| 추가 정보 | |
| 관련 문서 | 분말 (동음이의) |
| 관련 문서 | 파우더 (동음이의) |
2. 유형
쌀가루, 밀가루, 빵가루, 미숫가루, 녹말가루, 고춧가루, 옥수숫가루, 꽃가루, 송화 가루, 가루차 등은 제조 공정을 거쳐 만들어지는 분말 형태의 상품이다. 화약, 백분 등도 분말의 한 종류이다.
분말은 산업, 의학, 지구과학 등 다양한 분야에서 중요하게 다루어지며, 이에 따라 화학 공학, 기계 공학, 화학, 물리학, 지질학 등 여러 분야의 연구자들이 분말에 대한 심도 있는 연구를 진행해 왔다.
곡분은 곡물을 가루로 만든 것으로, 식용 가루의 대표적인 예시이다. 분식은 곡분 등을 이용하여 조리한 음식이다. 이 외에도 조미료 가루 등이 있다.
2. 1. 식품 분말
쌀가루, 밀가루, 빵가루, 미숫가루, 녹말가루, 고춧가루, 옥수수를 빻아서 만든 옥수숫가루, 꽃가루, 소나무의 꽃 가루인 송화 가루, 가루차(말차) 등이 있다.2. 2. 기타 분말
화약(gunpowder), 백분(화장품의 하나) 등은 식품 외 분말에 포함된다.[1] 밀가루, 설탕, 분쇄 커피, 분말 우유, 복사기 토너(toner), 화약, 화장품 분말, 그리고 일부 의약품과 같이 많은 제조품이 분말 형태로 제공된다.[1] 먼지, 고운 모래와 눈, 화산재, 달의 표토(regolith) 최상층도 자연에서 발견되는 분말의 예이다.[1]3. 제조 방법
가루는 다음과 같은 방법으로 제조된다.
3. 1. 기계적 파쇄
덩어리 또는 알갱이 형태의 물질을 기계적으로 파쇄하여 작은 입자로 만든다.3. 2. 용액 석출
용액에서 석출시켜 특정 물질을 결정 형태로 만들어 가라앉힌 후 분리하여 건조한다.3. 3. 화학 반응 침전
용액 내에서 화학 반응을 일으켜 물에 녹지 않는 화합물을 생성하고, 이를 침전시켜 분리, 건조한다.[1]4. 물리적 특성
분말은 일반적인 고체와 다른 독특한 물리적 특성을 지닌다. 분말은 개별 입자가 서로 달라붙게 하는 분자 반데르발스 힘 때문에 응집 거동을 보인다. 유동 조건과 고착 조건 사이의 전이 크기는 간단한 실험으로 결정할 수 있다.[1]
이 외에도 분리, 층화, 잼 및 언잼, 취성, 운동 에너지 손실, 마찰 전단, 다짐, 레일놀즈 딜라탄시 등 다양한 분말 거동이 모든 입상 재료에서 공통적으로 나타난다.
4. 1. 겉보기 밀도
분말은 다짐 정도에 따라 겉보기 밀도가 크게 달라질 수 있다. 가볍게 쌓으면 분말은 매우 가볍고 푹신할 수 있다. 그러나 진동하거나 압축하면 매우 조밀해지고 심지어 유동성을 잃을 수도 있다. 반면에 조립 모래의 겉보기 밀도는 눈에 띄게 변하지 않는다.분말의 응집 거동은 개별 입자가 서로 달라붙게 하는 분자 반데르발스 힘 때문에 발생한다. 이 힘은 분말뿐만 아니라 모래와 자갈에도 존재한다. 그러나 이러한 조립 입상 재료에서는 개별 입자의 무게와 관성이 매우 약한 반데르발스 힘보다 훨씬 크기 때문에, 입자 사이의 미세한 달라붙는 현상이 재료의 전체 거동에 지배적인 영향을 미치지 않는다. 입자가 매우 작고 가벼울 때만 반데르발스 힘이 우세해져 재료가 분말처럼 뭉친다.[1]
4. 2. 응집 거동
분말의 응집 거동은 개별 입자가 서로 달라붙게 하는 분자 반데르발스 힘 때문에 발생한다.[1] 이 힘은 분말뿐만 아니라 모래와 자갈에도 존재한다. 그러나 조립 입상 재료에서는 개별 입자의 무게와 관성이 매우 약한 반데르발스 힘보다 훨씬 크기 때문에, 입자 사이의 미세하게 달라붙는 현상이 재료의 전체 거동에 지배적인 영향을 미치지 않는다. 입자가 매우 작고 가벼울 때만 반데르발스 힘이 우세해져 재료가 분말처럼 뭉친다. 유동 조건과 고착 조건 사이의 전이 크기는 간단한 실험으로 결정할 수 있다.[1]4. 3. 기타 거동
일반적으로 분말은 조립 입상 재료보다 훨씬 넓은 범위의 겉보기 밀도로 다져지거나 느슨해질 수 있다. 뿌려서 쌓으면 분말은 매우 가볍고 푹신할 수 있다. 진동하거나 압축하면 매우 조밀해지고 심지어 유동성을 잃을 수도 있다. 반면에 조립 모래의 겉보기 밀도는 눈에 띄게 변하지 않는다.분말의 응집 거동은 개별 입자가 서로 달라붙게 하는 분자 반데르발스 힘 때문에 발생한다. 이 힘은 분말뿐만 아니라 모래와 자갈에도 존재한다. 그러나 이러한 조립 입상 재료에서는 개별 입자의 무게와 관성이 매우 약한 반데르발스 힘보다 훨씬 크기 때문에 입자 사이의 미세한 달라붙는 현상이 재료의 전체 거동에 지배적인 영향을 미치지 않는다. 입자가 매우 작고 가벼울 때만 반데르발스 힘이 우세해져 재료가 분말처럼 뭉친다. 유동 조건과 고착 조건 사이의 전이 크기는 간단한 실험으로 결정할 수 있다.[1]
많은 다른 분말 거동은 모든 입상 재료에서 공통적으로 나타난다. 여기에는 분리, 층화, 잼 및 언잼, 취성, 운동 에너지 손실, 마찰 전단, 다짐 및 레일놀즈 딜라탄시가 포함된다.
5. 운반 및 에어로졸화
가루는 거친 알갱이 물질과 달리 대기 중에서 독특하게 이동한다. 매우 작은 입자들은 주변 기체의 항력에 비해 관성이 거의 없어 '흐름을 따라' 이동하며, 이 때문에 흡입 위험이 있다. 큰 입자들은 코와 부비강을 통과하지 못하고 점막에 붙지만, 작은 입자들은 폐까지 이동해 배출되지 않아 규폐증 같은 질병을 일으킬 수 있으므로 호흡기 보호가 필요하다.
분말 입자가 충분히 작으면 대기 중에 오랫동안 현탁될 수 있다. 공기 분자의 무작위 운동과 난류는 중력의 힘을 상쇄하여 먼지가 대륙과 바다를 건너 황사를 형성하기도 한다. 입자 간 응집력은 공중에 뜨는 것을 방해하며, 차량 통행, 굴착 등 기계적 교반이 바람보다 분말을 휘젓는 데 더 효과적이다.
이러한 공기역학적 특성은 산업에서 분말 수송에 활용된다. 공압 이송은 파이프에 가스를 불어넣어 분말을 옮기고, 기체 유동층은 가스를 위로 불어넣어 분말을 부풀려 유동층 연소에 사용된다. 일부 분말은 먼지 발생량이 높아 에어로졸화되어 건강에 위험할 수 있다.
5. 1. 공기 중 이동
매우 작은 가루 입자들은 주변 기체의 항력에 비해 관성이 거의 없어서 직선으로 이동하기보다는 '흐름을 따라' 이동하는 경향이 있습니다. 이러한 이유로 분말은 흡입 위험이 있을 수 있습니다. 더 큰 입자들은 코와 부비강의 신체 방어막을 통과할 수 없지만 점막에 부딪혀 달라붙습니다. 그러면 신체는 점액을 밖으로 이동시켜 입자를 배출합니다. 반면에 더 작은 입자들은 폐까지 이동할 수 있으며, 폐에서는 배출될 수 없습니다. 규폐증과 같은 심각하고 때로는 치명적인 질병은 적절한 호흡기 보호 없이 특정 분말을 취급하는 것에서 비롯됩니다.또한, 분말 입자가 충분히 작으면 대기 중에 매우 오랫동안 현탁될 수 있습니다. 공기 분자의 무작위 운동과 난류는 중력의 아래쪽 힘을 상쇄할 수 있는 위쪽 힘을 제공합니다. 반면에 거친 알갱이들은 너무 무거워서 즉시 땅으로 떨어집니다. 한번 교란되면 먼지는 대륙과 바다를 가로질러 이동한 후 표면에 다시 가라앉기 전에 거대한 황사를 형성할 수 있습니다.
입자 사이의 응집력은 입자가 공중으로 떠오르는 것을 방해하는 경향이 있으며, 표면을 가로지르는 바람의 움직임은 바람 속으로 더 높이 돌출된 더 큰 모래 알갱이보다 낮은 곳에 있는 먼지 입자를 교란시킬 가능성이 적습니다. 차량 통행, 굴착 또는 동물 떼의 통과와 같은 기계적 교반은 꾸준한 바람보다 분말을 휘젓는 데 더 효과적입니다.
분말의 공기역학적 특성은 종종 산업 응용 분야에서 분말을 수송하는 데 사용됩니다. 공압 이송은 가스를 불어넣어 파이프를 통해 분말이나 알갱이를 수송하는 것입니다. 기체 유동층은 가스를 위쪽으로 불어넣어 '부풀어 오르게' 하는 분말이나 알갱이 물질로 채워진 용기입니다. 이것은 유동층 연소에 사용되어 가스를 분말과 화학적으로 반응시킵니다.
일부 분말은 다른 분말보다 먼지가 많을 수 있습니다. 주어진 에너지 투입량에서 공기 중에 입자를 생성하는 분말의 경향을 "먼지 발생량"이라고 합니다. 이것은 분말 에어로졸화와 관련된 중요한 분말 특성입니다. 또한 직장에서 에어로졸화된 입자에 대한 사람의 노출과 관련된 건강 위험(피부 접촉 또는 흡입을 통해)에 대한 시사점을 가지고 있습니다.
5. 2. 먼지 발생량
일부 분말은 다른 분말보다 먼지가 더 많이 발생할 수 있다. 주어진 에너지 투입량에서 공기 중에 입자를 생성하는 분말의 경향을 "먼지 발생량"이라고 한다. 이것은 분말 에어로졸화와 관련된 중요한 분말 특성이며, 직장에서 에어로졸화된 입자에 대한 사람의 노출과 관련된 건강 위험(피부 접촉 또는 흡입)에 대한 시사점을 가지고 있다.5. 3. 공압 이송 및 유동층
산업 현장에서는 분말의 공기역학적 특성을 활용하여 분말을 수송한다. 공압 이송은 파이프를 통해 분말이나 알갱이를 가스를 불어넣어 수송하는 것이다. 기체 유동층은 가스를 위쪽으로 불어넣어 분말이나 알갱이 물질을 '부풀어 오르게' 하는 용기이다. 이는 유동층 연소에 사용되어 가스를 분말과 화학적으로 반응시킨다.6. 폭발 위험성
산업에서 생산되는 많은 분말은 가연성이 있다. 특히 티타늄과 같은 금속이나 밀가루와 같은 유기물질이 그렇다. 분말은 표면적이 매우 넓기 때문에, 일단 점화되면 폭발적인 힘으로 연소될 수 있다. 밀가루 공장과 같은 시설은 적절한 분진 방지 노력 없이는 이러한 분진 폭발에 취약할 수 있다.
7. 다른 물질과의 비교
페이스트 또는 젤은 완전히 건조된 후에는 가루가 될 수 있지만, 젖었을 때는 자유롭게 흐르지 않기 때문에 가루로 간주되지 않는다. 점토와 같이 매우 미세한 입자로 구성된 건조한 벌크 고체는 입자 사이의 응집력이 너무 커서 자유롭게 흐르지 않으므로, 부수지 않는 한 가루가 아니다. 액체는 전단 응력에 저항할 수 없어 흐르지 않고 기울어진 각도를 유지할 수 없으므로(즉, ''안식각''이 0) 가루와 다르게 흐른다. 반면에 가루는 고체이므로 전단 응력을 지탱할 수 있으며 안식각을 나타낼 수 있다.
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