介电RheoSANS - 阻抗，流变性和复杂流体的小角中子散射的同时拷问

摘要

在这里，我们提出了一个程序，用于同时阻抗，流变学和中子散射的从下剪切流软物质材料中测量。

摘要

一种用于能够复杂流体的电气，机械和微结构性质的同时询问的一个新的电介质RheoSANS仪器的操作过程被呈现。该仪器由含有安装在市售的流变仪的改性强制对流烤箱内的库埃特几何形状。本仪器可用于在小角中子散射（SANS）在美国国家标准与技术研究院（NIST）中子研究中心（NCNR）光束线使用。库埃特几何被加工成透明的中子，并提供了电性能和钛汽缸之间密闭，同时样品经历任意变形的样品的微结构性质的测量。这些测量的同步是通过使用监视和控制的预定的实验方案的执行可定制程序使能。这里描述的是一个协议，以执行流扫描实验，其中剪切速率对数从最大值步进到保持在对于指定的时间周期中的每一步骤的最小值，而依赖于频率的介电测量制成。代表性的结果从由分散在碳酸丙烯酯炭黑聚集体组成的凝胶的样品所示。由于凝胶发生稳态剪切，炭黑网络是机械变形，这会导致与包含炭黑网络键断裂有关的传导率的初始降低。然而，在高剪切速率，电导率恢复被剪切增稠的发病有关。总的来说，这些结果证明了使用电介质RheoSANS几何这些悬浮液的流变电微结构性质的同时测量的效用。

引言

宏观性质的测量通常被用来获得基本的洞察胶体材料和自组装系统的性质，通常为了提高配方性能的发展理解的目的。具体地，流变学的领域中，其测量的流体的所施加的应力或变形的动态响应，同时提供了在平衡条件下，并且还远离平衡有价值的见解胶体行为，如处理消费者和工业流体的^1次流变测试期间，凝胶，以及眼镜，也可用于测量流变学参数，例如粘度，由配方师的目标。虽然流变性是材料特性的强大的探针，它是胶体信息在微观水平的间接测量，例如，我们的基本胶态行为的理解可以通过结合采用c流变学测量大大增强omplementary技术。

一种这样的正交的技术是阻抗谱。阻抗谱是介电弛豫特性，其测量的材料所施加的振荡电场的响应的散装探针。 ²从电松弛模式，即包括电荷传输和偏振材料内活性的阻抗谱的结果。 ^3，4这些测量提供特别是当与流变结合胶体行为的其他证据。 ⁵因此，在探讨带电胶体分散体，蛋白质，离子表面活性剂，纳米复合材料，和其他系统的这些技术的组合是尤其相关。 ^6,7

在胶体行为调查的基本利益是材料的microstruc真实存在。胶体流体的微结构被认为是编码所有的必需的信息来重构其两个流变和电气特性。从根本上说，我们寻求测量的纳米级微结构特征，导致测量的响应材料的快照。由于许多复杂流体在他们的历史进程依赖的复杂性，多在微观结构表征的努力都集中在使在材料的原位测量，因为它会变形。这提出了挑战实验者制定方法，以便能够使下例如稳态剪切，其中，所述粒子的速度取得了直接可视化本质上具有挑战性的纳米尺寸的颗粒的测量值。下流动的材料的微结构的直接测量已采取许多形式，从流变光学，流变显微镜和甚至流变-NMR。 ^8，9，屁股="外部参照"> 10种小角散射方法，并且特别是小角中子散射（SANS）技术，已经证明自己有效在包括所有三个平面的堆积剪切场测量样品的时间平均微结构在稳定状态下剪切。 ^11，12，13然而，新的数据采集技术允许结构瞬变与时间分辨率细如10毫秒被捕获。 ¹⁴ 原位散射方法的不同的确结合流变数百最近的研究已经证明非常宝贵的。 ¹⁵

一种新兴的工程挑战是使用胶态悬浮液在半固体液流电池电极的导电添加剂。 ¹⁶在本申请中，导电胶体颗粒必须保持而脑膜电渗滤网络IAL通过电化学流动池泵送。这些材料的性能要求，要求他们保持不超过一个大范围剪切速率的流变性能的不利影响高导电性。 ¹⁷因此，非常希望能够使胶体特性的测定以量化和表征这些材料远离他们的平衡状态的基本的流变学和电响应稳定和时间依赖性的剪切条件下。在这方面阻碍了进一步的理论发展的一个显著复杂的因素是炭黑浆料的触变性质。 ^18个这些历史流变依赖和电气特性做实验非常难以重现;由此，使得难以比较使用不同的方案来测量的数据集。此外，到目前为止还没有出现能够执行所有三个没有单一的几何形状，dielectric，流变学和微观结构表征，同时进行。同时测量是重要的，因为流动可以改变结构，使得处理的材料的其余部分的测量可能不提供下流动的特性，这是它们的使用更相关的准确指示。此外，因为许多炭黑浆料的测量的属性是依赖于几何形状，存在与比较从上不同的仪器相同的样品获得的数据的并发症。 ¹⁹

为了满足计量这一挑战，我们开发的NIST中子研究中心和特拉华大学能够在原位阻抗谱新介质RheoSANS几何形状，在商业应变任意变形下材料的流变和SANS测量控制流变仪。这是通过开发一个能够测量的微观结构，ELECTRICA的库埃特几何启用升和两个同心圆柱体的间隙之间密闭的材料的流变响应。作为外筒旋转时，通过将样品的变形所施加的转矩的内筒上测量，并且阻抗测量跨越间隙径向制成。汽缸是从钛加工成是透明的中子和足以承受在流变仪中所经历的剪切应力。我们通过库埃特的径向位置进行测量SANS，并且已经证明它是能够测量从在经历变形样品高质量SANS图案。这样一来，所有的三个测量是对样品中感兴趣的同一区域，因为它经历了一个定义良好的变形轮廓制作。本文的目标是描述在电介质库埃特几何形状，其安装到所述RheoSANS仪器，和同时测量的成功执行。该流变仪可在NIST中心中子研究标准与技术研究所的国家。它被设计为在NG-7 SANS束线工作。我们已经提供了附图和已经被加工，并且为了使该测量组装自定义组件的详细描述。

研究方案

1.安装在流变仪到SANS光束线

注:参见图1的命名组件定义。

1. 确保电力至所述流变仪是关闭的，换能器被锁定并安装马达空气轴承保护。关闭中子束，并关闭烤箱门。
2. 大底板安装在桌上，取出鼻子，安装窗口，并固定4个孔眼的安装支架流变仪的起重机适配器使得电缆不纠结，而不是扭曲。
3. 使用起重机，提起流变仪和从流变仪表操纵它搁置在朝外流变仪的液晶屏的表为中心，小心以引导电缆，以尽量减少缠结。
4. 使用SANS控制软件，送表到最小Z位置。
5. 取下流变仪鹤适配器和使用CR从平台提开ANE。

2.介电电池组件

注:参见图2的命名组件定义。

1. 确保电力至所述流变仪是关闭的，换能器被锁定并安装马达空气轴承保护。在使用之前，用清洗洗涤剂溶液，然后用几个去离子水冲洗该介电杯和摆锤组件，并允许充分干燥。
2. 打开烤箱门，解锁换能器和卸下电机轴承锁。安装电介质的几何形状和电介质摆锤组件到流变仪的上部和下部工具安装件。使用2毫米六角扳手拧松电介质几何两个固定螺钉，并且使得它被安装在所述电介质的几何形状放置在介电盘组件。
3. 使用流变仪控制软件，零从样品几何下拉菜单的间隙，以及使用该轴向力下拉菜单应用10N的法向力。在压缩下，利用拧紧螺钉3-mm内六角扳手，直到电介质杯组件是完全固定到介电几何形状。
4. 将差距缩小到使用流变仪控制软件的测量间隙，并关闭烤箱门。确保炉子能充分与几何形状的顶部和底部的适当垂直间隙包围电介质细胞。如果需要高度调节，调节紧定螺钉，使得烤箱外壳与电介质细胞周围足够公差配合。当介质几何烤箱内符合并能进行全面的革命不沾炉壁实现足够的空间。
5. 卸下两个介电摆锤组件和电介质杯组件/介电几何成一体，并与所述下工具头上的流变仪对准工具更换。

3.安装滑环

注:参见图3步骤一步图案摘要。

1. 安装电线挡板上的轴电介质的几何形状和电介质杯连接器连接到滑环连接器。
2. 保持滑环，以便它是同心与电介质杯组件/电介质的几何形状的轴，但是，从电介质几何凸缘上方。放置在滑环转接器（2次），使得它们的NOBS插入到钻入电介质几何孔及其基搁置在电介质几何凸缘。
3. 轻轻滑过滑环适配器上的滑环。滑环应围绕保持他们在的地方滑环适配器毫不费力地滑动。

4.流变仪的对准

注:参见图4光路的示意图。

1. 紧密围绕流变仪校准工具烤箱。安装截短鼻子和样品孔（1mm宽×8毫米高），并使用流变仪控制软件，设置几何位移角0.49弧度的电动机控制下拉式菜单。
2. 使用SANS仪器控制软件，确保所有的中子导游被删除，打开烤箱门，使激光是可见的。通过使光束穿过烘箱并通过流变仪对准工具的中心处的狭缝横穿改变从SANS仪器控制软件表中的高度和角度进行流变仪的粗略对准。
3. 使用SANS仪器控制软件，调整台的高度和它的旋转来优化激光对准。注意当激光束穿过与几何位移设定在0.49拉德流变仪对准工具狭缝而不撞击其壁上和所述光束穿过在炉的中心线上的流变仪被对准。

5.标定的SANS仪器的

1. 一旦所需的SANS仪器配置由仪器科学家对准，测量打开光束传输，空单元格散射和暗电流散射测量。
   1. 通过在所期望的检测器的位置3分钟执行波束透射测量执行打开光束透射测量。
   2. 通过安装电介质的几何形状和在所期望的检测器位置测量散射测定进行空细胞散射测量。
   3. 使用3毫米厚的片镉的该完全衰减的主光束散射信号执行暗电流散射测量。

6.连接的电气部件

1. 使用液晶显示屏至100mm设置的间隙。
2. 除去从底部工具法兰流变仪对准工具。重新安装在上部工具头和所述电介质杯组件/电介质的几何形状/滑环组件介电摆锤组件到下工具头为一体，并重新零间隙。
3. 确保碳刷组件是安全d可使用螺钉碳刷适配器，并固定碳刷适配器和碳刷组件使用螺钉流变仪。确保在碳电刷组件的碳刷与滑环的带槽金属环相配合。这确保了电接触的维护。
4. 连接在碳电刷组件和电介质摆锤组件的顶部和底部的汇流条的分别的阳针连接器的阴针连接器。确保连接到汇流条和终止在LCR测量仪的标记的屏蔽BNC电缆安装在其相应的BNC连接器。
5. 将标记"TO SANS"来连接到标有"AO0"的DAQ卡的BNC电缆将BNC电缆。将标记"FROM SANS"来连接到标有"AI0"的DAQ卡的BNC电缆将BNC电缆。将标记"触发"来连接到标有"AO1"的DAQ卡的BNC电缆将BNC电缆。连接BNC电缆连接到15针连接器上的流变仪的背面以标有"AI3"的BNC电缆。确保LCR测量仪和流变仪与控制计算机通信。

7.准备仪器用于测量

1. 打开烤箱，设置间隙至100mm，和负载4毫升的炭黑分散体在碳酸亚丙酯进下平衡电介质杯组件，同时注意最小化样品的留在杯壁上。
2. 降低使用前面的液晶屏的几何形状到40毫米。设置使用电动机控制设置，以1弧度/秒的流变仪控制软件的速度。使用转换选项在流变仪上，降低电介质摆锤组件，直到间隙距离为0.5mm。
3. 在使用设备的软件，去电介质几何测量间隙，以及使用该马达控制设置为0弧度/秒设定流变仪控制软件的马达速度。在此阶段，所述样品是负载编辑。
   注意:检查样品的液位一次，以确保样品的水平填充一路库埃特墙面无满溢。
4. 通过填充具有所需溶剂内部介电摆锤组件壁安装溶剂捕集器并将其放置在溶剂捕集器在电介质杯组件的边缘上。

8.运行介电RheoSANS实验

1. 配置标有"TA_ARES_FlowSweep.vi"代码。一个GUI会出现与指定电介质RheoSANS实验的实验运行条件可修改的字段。设置按以下顺序这些字段。
   1. 指定的日志文件和日志文件的基本名称的路径。按菜单栏上的"运行"箭头按钮运行代码。
   2. 选择流变参数 - 起始剪切速率（25弧度/秒），结束剪切速率（1弧度/秒），剪切速率的点的数量（6）和所述点是否应该洛加尔ithmically或线性间隔（单选按钮）。选择温度至25℃该实验。选择预剪切条件下（如果需要的话，使单选按钮为"ON"） - 在该实验中，使用600秒的25弧度/秒预剪切用300秒的等待时间在预剪切步骤之后。
   3. 指定每个剪切速率和收集率的时间。启用握手单选按钮。上的测试参数选项卡中选择对数或线性扫描 - 如果单选按钮是绿色的，N个点的列表将被从对数分剪切速率至马克斯·希尔速率间隔开。
   4. 如果需要的话通过"离散值"选项卡中指定的离散的剪切速率和时间。选择的频点的数量，频率最低，频率最高默认。设置时间相关的频率 - 指定所有剪切速率所需的时间取决于频率。设置为稳定状态时的时间 - 设置的时间，该代码将测量电介质参数的量在一个固定的频率uency作为时间为每个剪切速率的函数。
   5. 指定的信号类型和幅度。指定以平均周期数和测量时间。
2. 打开自动记录的SANS计算机上。设置SANS配置。选择配置，并指定运行时间是至少1分钟，长于包含在代码剪切速率列表内的总时间。
   注意:当构造实现VIPER应改为"DIO STAT 16"，其指示其将等待从数据采集卡模拟信号来改变。
3. 配置流变仪控制软件。在实验中选项卡，在"程序"，按"打开程序文件"下拉菜单。导航到标有"介电RheoSANS脚本文件"的程序文件。确保流变仪已准备好执行实验。
4. 当SANS准备就绪，确保控制软件进行配置和流变仪续ROL软件脚本文件打开时，按"参数设置"。这会触发指定实验的执行，所有的数据应在整个预编程的样品运行记录。

9.结束实验的

1. 关闭中子束和禁用自动登录。卸载样品并从流变仪去除电介质杯和摆锤组件。安装电动机空气轴承保护并锁定换能器。
2. 关闭计算机电源，LCR测试仪，和流变仪电源。断开气路。断开所有BNC电缆，并重新安装起重机提升到流变仪。
3. 卸载截断吻。重新装上流变仪的起重机适配器。提起桌上的流变仪和放置到流变仪表，确保电缆保持解开。

图1:A） -联合电子）图片 SANS的光束线和流变仪必要的mponents对被标记和下面定义的光束线安装流变仪。 请点击此处查看该图的放大版本。

图2: 组件图片的介质RheoSANS几何与标签定义以下术语。 请点击此处查看该图的放大版本。

图3:程序a.-d.）图片用于安装滑环到电介质RheoSANS几何，和e）完全组装介电RheoSANS几何的图片。ove.com/files/ftp_upload/55318/55318fig3large.jpg"目标=‘_空白’>点击此处查看该图的放大版本。

图4: 通过烤箱几何结构和介电RheoSANS几何光路示意图。 请点击此处查看该图的放大版本。

结果

由介电RheoSANS实验代表性的结果示于图5和6。这些数据被采取在碳酸丙烯酯中的悬浮液的导电炭黑。这些聚集体絮凝由于在形成的凝胶被导电相对低的固体加载量吸引相互作用。这种悬浮液的流变性和传导性反应是一个活跃的研究领域和目前的调查设法了解这些测量的微观起源。介电RheoSANS仪器是唯一适合，因为它同时探测的材料的电气和机械性能...

讨论

介电RheoSANS实验同时措施作为其经历一个预定义变形的材料的流变学，电气和微观结构的响应。这里示出的例子是形成在电化学流动池使用的导电性添加剂的导电碳黑悬浮液中。介电RheoSANS仪器使得窄间隙库埃特细胞内剪切的径向平面的询问而不损害或者电或流变测量的保真度。此外，该几何形状允许对原始信号，扭矩，电阻，和相移的转换，到适当的固有的变量，如剪切应力，电导率和电容率。...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
ARES G2 Rheometer	TA Instruments	401000.501	Rheometer
ARES G2-DETA ACCY Kit	TA Instruments	402551.901	BNC Connectors
Geometry ARES 25 mm DETA	TA Instruments	402553.901	Dielectric Geometry
ARES G2 Forced Convection Oven	TA Instruments	401892.901	FCO
Agilent E4980A LCR Meter	TA Instruments	613.04946	LCR Meter
USB-6001	National Instruments	NI USB-6001	Data Acquisiton Card
Vulcan XC72R	Cabot	Vulcan XC72R
Propylene Carbonate	Aldrich	310328
LabVIEW  System Design Software	National Instruments	776671-35	Control Software