RheoSANS - Interrogation simultanée Dielectric d'impédance, Rhéologie et petit angle de diffusion neutronique des fluides complexes

Résumé

Ici, nous présentons une procédure pour la mesure de l'impédance simultanée, la rhéologie et la diffusion des neutrons à partir de matières de matière molle sous écoulement de cisaillement.

Résumé

Procédé pour l'exploitation d'un nouvel instrument RheoSANS diélectrique capable d'interrogation simultanée des propriétés électriques, mécaniques et microstructurales de fluides complexes est présenté. L'appareil se compose d'une géométrie Couette contenu dans un four à convection forcée modifié monté sur un rhéomètre commercial. Cet instrument est disponible pour une utilisation sur le petit angle de diffusion de neutrons (Sans) beamlines à l'Institut national des normes et de la technologie (NIST) Centre de recherche neutronique (NCNR). La géométrie Couette est usiné pour être transparent aux neutrons et fournit pour la mesure des propriétés électriques et les propriétés microstructurales d'un échantillon confiné entre les cylindres en titane tandis que l'échantillon subit une déformation arbitraire. La synchronisation de ces mesures est activé par l'utilisation d'un programme personnalisable qui surveille et contrôle l'exécution des protocoles expérimentaux prédéterminés. Décrit ici est un protocoleeffectuer un essai de balayage d'écoulement, où le taux de cisaillement est logarithmiquement un pas d'une valeur maximale à une valeur minimale de maintien à chaque étape pendant une période de temps spécifiée tandis que les mesures diélectriques dépendant de la fréquence sont effectués. Les résultats représentatifs sont présentés à partir d'un échantillon constitué d'un gel composé d'agrégats de noir de carbone dispersé dans du carbonate de propylène. Comme le gel est soumis à un cisaillement constant, le réseau noir de carbone est mécaniquement déformé, ce qui provoque une diminution de la conductivité initiale associée à la rupture des liaisons constituant le réseau du noir de carbone. Cependant, à taux de cisaillement plus élevés, la conductivité associée à la récupère l'apparition d'un épaississement de cisaillement. Dans l'ensemble, ces résultats démontrent l'utilité de la mesure simultanée des propriétés rhéo-électro-microstructure de ces suspensions à l'aide de la géométrie RheoSANS diélectrique.

Introduction

La mesure des propriétés macroscopiques sont souvent utilisés pour mieux comprendre la nature fondamentale des matériaux et des systèmes colloïdaux auto-assemblés, habituellement dans le but de développer la compréhension afin d'améliorer les performances de la formulation. En particulier, le domaine de la rhéologie, qui mesure la réponse dynamique d'un fluide à une contrainte appliquée ou déformation, fournit des informations précieuses sur le comportement colloïdal à la fois dans des conditions d'équilibre et aussi loin de l' équilibre, par exemple pendant le traitement ¹ des tests rhéologiques des fluides industriels et de consommation, les gels et les verres peuvent également être utilisés pour mesurer des paramètres rhéologiques, tels que la viscosité, qui sont ciblés par les formulateurs. Alors que rhéologique est une sonde puissante des propriétés des matériaux, il est une mesure indirecte de l'information colloïdale au niveau microscopique, de sorte que notre compréhension du comportement colloïdal fondamentale peut être grandement améliorée en combinant les mesures rhéologiques avec ctechniques omplementary.

Une telle technique est orthogonale par spectroscopie d'impédance. La spectroscopie d'impédance est une sonde en vrac du comportement de relaxation diélectrique, qui mesure la réaction d'un matériau à un champ électrique oscillant appliqué. ² Les résultats du spectre de l' impédance à partir des modes de relaxation électriques qui sont actives au sein du matériau , y compris le transport de charge et la polarisation. ^{3, 4} Ces mesures fournissent des preuves supplémentaires pour le comportement colloïdal en particulier lorsqu'il est combiné avec rhéologique. ⁵ Par conséquent, la combinaison de ces techniques est particulièrement pertinent lorsque palpage chargé des dispersions colloïdales, des protéines, des agents tensioactifs ioniques, les nanocomposites, et d' autres systèmes. ^{6, 7}

Un intérêt fondamental dans les enquêtes sur le comportement colloïdal est la microstruc du matériau ture. La microstructure d'un fluide colloïdal est pensé pour coder toutes les informations nécessaires pour reconstituer à la fois son comportement rhéologique et électrique. Fondamentalement, nous cherchons à mesurer un aperçu des caractéristiques des microstructures nanométriques qui mènent à une réponse matérielle mesurée. En raison de la nature complexe de la dépendance de nombreux fluides complexes sur l' histoire de leur processus, une grande partie de l'effort sur la caractérisation des microstructures a mis l' accent sur faire des mesures in situ du matériau qu'il subit une déformation. Cela a contesté expérimentateurs de mettre au point des méthodes pour pouvoir effectuer des mesures de particules de taille nanométrique par exemple sous cisaillement stable, où ont fait la visualisation directe intrinsèquement difficile les vitesses des particules. Mesure directe de la microstructure du matériau sous écoulement a pris plusieurs formes allant de rheo-optique, rheo-microscopie et même rheo-RMN. ^{8, 9,}ass = « xref »> 10 petit angle des méthodes de diffusion, et dans un petit angle particulier la diffusion de neutrons techniques (SANS), se sont avérées efficaces dans la mesure de la microstructure moyenne dans le temps des échantillons à l' état stable dans un domaine en vrac de cisaillement , y compris les trois plans de tondre. ^{11, 12, 13} Cependant, de nouvelles techniques d'acquisition des données ont permis de passage de structure pour capturer avec une résolution temporelle plus fine que 10 ms. ¹⁴ En effet rhéologique combinant avec diverses méthodes de diffusion in situ a été extrêmement précieux dans des centaines d'études récentes. ¹⁵

Un défi technique émergente est l'utilisation de suspensions colloïdales comme additifs conducteurs à des électrodes de batterie d'écoulement semi-solides. ¹⁶ Dans cette application, les particules colloïdales conductrices doivent maintenir un réseau électriquement percolée tandis que la pieial est pompé à travers une cellule d'écoulement électrochimique. Les exigences de performance de ces matériaux exigent qu'ils maintiennent une conductivité élevée sans effet néfaste sur la performance rhéologique sur une large gamme de taux de cisaillement. ¹⁷ Il est donc hautement souhaitable de pouvoir effectuer des mesures du comportement colloïdale dans des conditions de cisaillement stables et en fonction du temps afin de quantifier et de caractériser la réponse rhéologique et électrique sous - jacente de ces matériaux loin de leur état d'équilibre. Un facteur de complication important qui a entravé le développement théorique plus à cet égard est la nature thixotrope des boues noires de carbone. ¹⁸ Ces propriétés rhéologiques et électriques dépendant de l' histoire font des expériences notoirement difficiles à reproduire; ainsi, ce qui rend difficile la comparaison des ensembles de données mesurées en utilisant différents protocoles. De plus, à ce jour il n'y a pas une seule géométrie capable d'effectuer tous les trois, dielectric, rhéologique et caractérisations microstructurales, en même temps. La mesure simultanée est important que le flux peut changer la structure, de sorte que les mesures de repos des matières traitées ne peuvent pas fournir des indications précises des propriétés sous écoulement, qui sont plus pertinents pour leur utilisation. De plus, comme un grand nombre des propriétés mesurées de boues noires de carbone dépendent, il géométrie des complications avec la comparaison des données obtenues à partir d'un même échantillon sur des instruments différents. ¹⁹

Afin de relever ce défi en métrologie, nous avons mis au point une nouvelle géométrie de RheoSANS diélectrique au Centre NIST pour la recherche neutronique et l'Université du Delaware capable en spectroscopie d'impédance in situ, les mesures de rhéologie et SANS d'un matériau sous déformation arbitraire sur une souche commerciale rhéomètre contrôlé. Cela est rendu possible par le développement d'une géométrie capable de mesurer Couette la microstructurale, Electrical et la réponse rhéologique d'un matériau confiné entre la fente de deux cylindres concentriques. Comme le cylindre externe tourne, le couple imposé par la déformation de l'échantillon est mesurée sur le cylindre intérieur et la mesure d'impédance est réalisée radialement à travers l'espace. Les cylindres sont usinées à partir de titane de manière à être transparent aux neutrons et suffisamment robuste pour résister à la contrainte de cisaillement connu dans le rhéomètre. Nous effectuons la mesure par la position SANS radiale de la Couette, et ont démontré qu'il est possible de mesurer des modèles de haute qualité SANS de l'échantillon soumis à une déformation. De cette façon, les trois mesures sont effectuées sur la même région d'intérêt dans l'échantillon tel qu'il est soumis à un profil de déformation bien définie. Le but de cet article est de décrire la géométrie Couette diélectrique, sa mise en place sur l'instrument RheoSANS, et l'exécution réussie d'une mesure simultanée. Ce rhéomètre est disponible au Centre NIST pour NeutronLa recherche à l'Institut national des normes et de la technologie. Il a été conçu pour fonctionner sur la ligne de faisceau SANS NG-7. Nous avons fourni des dessins et une description détaillée des composants personnalisés qui ont été usinées et assemblées afin de permettre cette mesure.

Protocole

1. Montage du rhéomètre sur la SANS Beamline

REMARQUE: Voir la Figure 1 pour les définitions des composants nommés.

1. Assurez-vous que l'alimentation du rhéomètre est hors tension, le transducteur est verrouillé et le dispositif de protection à coussin d'air du moteur est installé. Éteindre le faisceau de neutrons, et fermer la porte du four.
2. Installer la grande plaque de base sur la table, retirer le museau, installer la fenêtre, et fixer les oeillets 4 aux supports de montage sur l'adaptateur de grue du rhéomètre de telle sorte que les câbles ne pas emmêler et ne sont pas tordues.
3. Utilisation de la grue, soulever le rhéomètre et manoeuvrer de la table rhéomètre au repos centrée sur la table avec l'écran LCD du rhéomètre vers l'extérieur, en prenant soin de guider les câbles pour minimiser emmêlement.
4. En utilisant le logiciel de commande SANS, envoyer la table à la position Z minimale.
5. Retirez le adaptateur de grue rhéomètres et soulevez loin de la plate-forme en utilisant la crane.

2. Assemblée cellulaire Dielectric

REMARQUE: voir la figure 2 pour les définitions des composants nommés.

1. Assurez-vous que l'alimentation du rhéomètre est hors tension, le transducteur est verrouillé et le dispositif de protection à coussin d'air du moteur est installé. Avant utilisation, nettoyer les ensembles de coupe et diélectriques bob en utilisant une solution de détergent suivi de plusieurs rinçages à l'eau désionisée et laisser sécher complètement.
2. Ouvrir la porte du four, déverrouiller le transducteur et supprimer le verrouillage du palier du moteur. Monter la géométrie diélectrique et un ensemble de bob diélectrique sur les supports d'outils supérieure et inférieure du rhéomètre. Desserrer les deux vis de réglage de la géométrie diélectrique en utilisant une clé Allen de 2 mm et placer l'ensemble de coupelle diélectrique de sorte qu'il est monté sur la géométrie diélectrique.
3. En utilisant le logiciel de commande de rhéomètre, zéro l'écart à partir du menu déroulant géométrie de l'échantillon, et d'appliquer une force normale de 10 N en utilisant le menu déroulant force axiale. Sous compression, serrer les vis à l'aideune clé Allen de 3 mm jusqu'à ce que l'ensemble de coupelle diélectrique est entièrement sécurisé à la géométrie diélectrique.
4. Régler l'écart à l'écart de mesure à l'aide du logiciel de contrôle de rhéomètre, et fermer la porte du four. Assurez-vous que le four peut entourer complètement la cellule diélectrique avec un jeu vertical suffisant sur le haut et le bas de la géométrie. Si un réglage de la hauteur est nécessaire, ajuster la vis de réglage de sorte que l'enceinte du four correspond à la tolérance suffisante autour de la cellule diélectrique. Un dégagement adéquat est atteint lorsque la géométrie diélectrique s'insère dans le four et peut subir une révolution complète sans toucher les parois du four.
5. Retirer tous les deux l'ensemble de bob diélectrique et l'ensemble de coupelle diélectrique / diélectrique géométrie en une seule pièce et le remplacer par l'outil d'alignement de rhéomètre sur la tête d'outil inférieur.

3. Installez l'anneau de glissement

REMARQUE: voir la figure 3 pour un résumé étape par picturale étape.

1. Installer le déflecteur de fil sur l'arbre dela géométrie diélectrique et connecter le connecteur de coupe diélectrique sur le connecteur à bague collectrice.
2. Maintenir la bague de glissement de sorte qu'il soit concentrique avec l'arbre de l'ensemble de coupelle diélectrique / diélectrique géométrie, mais au-dessus du rebord de la géométrie diélectrique. Placez les adaptateurs bague collectrice (x2) de telle sorte que leurs nobs insérer dans les trous percés dans la géométrie diélectrique et sa base repose sur le rebord de la géométrie diélectrique.
3. glisser doucement la bague de glissement sur les adaptateurs annulaires de glissement. La bague de glissement doit glisser sans effort autour des adaptateurs anneau de glissement en les tenant en place.

4. L'alignement de la rhéomètre

REMARQUE: voir la figure 4 pour schématique du trajet du faisceau.

1. Fermez le four autour de l'outil d'alignement de rhéomètre. Installer le museau tronqué et l'ouverture de l'échantillon (1 mm de large x 8 mm de haut), et en utilisant un logiciel de commande de rhéomètre, régler l'angle de déplacement de la géométrie de 0,49 rad dans la commande du moteurmenu déroulant.
2. En utilisant le logiciel de contrôle d'instruments SANS, assurez-vous que tous les guides de neutrons sont enlevés, et ouvrir la porte du four pour que le laser est visible. Effectuer un alignement approximatif du rhéomètre en changeant la hauteur et l'angle de la table à partir du logiciel de commande d'instrument SANS de sorte que le faisceau passe à travers le four et traverse à travers la fente dans le centre de l'outil d'alignement de rhéomètre.
3. En utilisant le logiciel de commande d'instrument SANS, régler la hauteur de la table et sa rotation afin d'optimiser l'alignement du laser. Notez que le rhéomètre est alignée lorsque le faisceau laser passe à travers la fente dans l'outil d'alignement de rhéomètre avec le déplacement de la géométrie réglée à 0,49 rad sans empiéter sur ses parois et le faisceau passe à travers la ligne médiane dans le four.

5. L'étalonnage de l'instrument SANS

1. Une fois que la configuration de l'instrument Sans souhaité est aligné par le scientifique de l'instrument, mesurer la transmission d'un faisceau ouvert,diffusion de la cellule vide, et des mesures de diffusion de courant d'obscurité.
   1. Effectuer la mesure de transmission de faisceau ouverte en effectuant une mesure de transmission de faisceau à la position souhaitée du détecteur pendant 3 min.
   2. Effectuer la mesure de diffusion de cellule vide en installant la géométrie diélectrique et la mesure d'une mesure de diffusion à la position de détection souhaitée.
   3. Effectuer la mesure de diffusion de courant d'obscurité en utilisant un morceau d'épaisseur 3 mm de cadmium qui atténue totalement le principal signal de diffusion de faisceau.

6. Connexion des composants électriques

1. Réglez l'espace en utilisant l'écran LCD à 100 mm.
2. Retirer l'outil d'alignement de rhéomètre à partir de la bride d'outil inférieur. Remettre en place l'ensemble de bob diélectrique sur la tête d'outil supérieur et de la géométrie ensemble de coupelle diélectrique / diélectrique / assemblage de bague de glissement sur la tête d'outil inférieur en une seule pièce et remettre à zéro l'écart.
3. Assurez-vous que l'ensemble de balai de charbon est sécuriséd à l'adaptateur de balai de charbon au moyen de vis et fixer l'adaptateur de balai de charbon et l'assemblage de balai de charbon à l'aide de vis rhéomètre. Assurez-vous que les balais de carbone sur l'ensemble de brosses de carbone accouplent avec les anneaux métalliques rainurés de la bague de glissement. Ceci assure l'entretien du contact électrique.
4. Connecter les connecteurs à broches femelles sur l'ensemble des balais de charbon et l'ensemble de bob diélectrique pour les connecteurs à broches mâles des barres omnibus supérieure et inférieure, respectivement. Assurez-vous que les câbles marqués BNC blindé connectés aux barres omnibus et se terminant à l'appareil de mesure LCR sont installés dans leurs connecteurs BNC correspondants.
5. Branchez le câble BNC marqué « TO SANS » au câble BNC connecté à la carte DAQ intitulée « AO0 ». Branchez le câble BNC étiqueté « DE SANS » au câble BNC connecté à la carte DAQ intitulée « AI0 ». Branchez le câble BNC étiqueté « TRIGGER » au câble BNC connecté à la carte DAQ intitulée « SA1 ». Connectez lecâble BNC raccordé au connecteur 15 broches à l'arrière du rhéomètre au câble BNC marqué « AI3 ». Assurez-vous que l'appareil de mesure LCR et rhéomètre communiquent avec l'ordinateur de contrôle.

7. Préparer l'appareil pour une mesure

1. Ouvrir le four, régler l'intervalle de 100 mm, et la charge 4 ml de la dispersion de noir de carbone dans du carbonate de propylène dans la température assemblage de gobelet diélectrique équilibré, en prenant soin de réduire au minimum l'échantillon à gauche sur la paroi de la coupelle.
2. Baisser la géométrie à 40 mm en utilisant l'écran LCD avant. Réglez la vitesse sur le logiciel de contrôle de rhéomètre en utilisant les paramètres de commande de moteur à 1 rad / s. En utilisant l'option de balayage sur le rhéomètre, abaisser l'ensemble de bob diélectrique jusqu'à ce que la distance d'espacement est de 0,5 mm.
3. En utilisant le logiciel de l'équipement, aller à l'écart de mesure de la géométrie diélectrique, et régler la vitesse du moteur sur le logiciel de commande rhéomètre en utilisant les paramètres de commande du moteur à 0 rad / s. A ce stade, l'échantillon est la chargeed.
   Remarque: Vérifier le niveau de remplissage de l' échantillon une fois de plus pour assurer que le niveau de l' échantillon remplit toute la hauteur du mur sans trop remplir Couette.
4. Installer le piège à solvant en remplissant la paroi d'assemblage de bob diélectrique intérieur avec le solvant désiré et placer le piège à solvant sur la jante de l'ensemble de coupelle diélectrique.

8. Exécution de l'expérience Dielectric RheoSANS

1. Configurer le code intitulé "TA_ARES_FlowSweep.vi". Une interface graphique apparaît avec des champs modifiables qui précisent les conditions d'exécution expérimentales de l'expérience RheoSANS diélectrique. Définissez ces champs dans l'ordre suivant.
   1. Spécifiez un chemin d'accès au fichier journal et le nom de base du fichier journal. Exécutez le code en appuyant sur le bouton fléché « Exécuter » dans la barre de menu.
   2. Sélectionner les paramètres rhéologiques - le taux de cisaillement de départ (25 rad / s), mettant fin à une vitesse de cisaillement (1 rad / s), le nombre de points de taux de cisaillement (6) et si les points doivent être logarithmically ou espacée linéaire (bouton radio). Sélectionner la température à 25 ° C pour cette expérience. Sélectionnez les conditions preshear (le cas échéant, activez le bouton radio sur "ON") - dans cette expérience, utilisez un 25 rad / s preshear 600 s avec le temps d'attente de 300 après l'étape de preshear.
   3. Spécifiez le temps par le taux de cisaillement et le taux de recouvrement. Activer le bouton radio handshake. Sur onglet paramètres de test sélectionner balayage logarithmique ou linéaire - si le bouton radio est vert, une liste de nombre N de points sont logarithmiquement espacées l'une de min vitesse de cisaillement à un taux de cisaillement max.
   4. Spécifier les taux et les temps de cisaillement discrètes via l'onglet « Valeurs discrètes » si on le souhaite. Sélectionnez le nombre de points de fréquence, la fréquence minimale et la valeur par défaut maximale de fréquence. Réglez la fréquence en fonction du temps - spécifie la fréquence en fonction du temps souhaité pour tous les taux de cisaillement. Régler l'heure état d'équilibre - définit la quantité de temps que le code mesurera les paramètres diélectriques à un fréq fixeuency en fonction du temps pour chaque taux de cisaillement.
   5. Spécifier le type de signal et de l'amplitude. Spécifier le nombre de cycles de la moyenne et le temps de mesure.
2. Allumez Autologging sur l'ordinateur SANS. Définissez la configuration SANS. Sélectionnez la configuration et spécifiez le temps d'exécution d'au moins 1 min plus long que le temps total contenu dans la liste des taux de cisaillement dans le code.
   Remarque: Lorsque la configuration est obtenue VIPER doit se lire « dio stat 16 » qui indique qu'il attendra le signal analogique de la carte d'acquisition de données pour changer.
3. Configuration du logiciel de contrôle de rhéomètre. Dans l'onglet expérience, appuyez sur « Procédure ouverte Fichier » dans la « procédure » menu déroulant. Accédez au fichier de procédure intitulé « Fichier Dielectric RheoSANS Script ». Assurez-vous que rhéomètre est prêt à exécuter l'expérience.
4. Lorsque le prêt est SANS, assurez-vous un logiciel de contrôle est configuré et rhéomètre suitefichier script logiciel ROL est ouvert, appuyez sur « Paramètres Set ». Cela déclenche l'exécution de l'expérience spécifiée et toutes les données doivent être consignées tout au long de la course préprogrammée échantillon.

9. Fin de l'expérience

1. Éteindre le faisceau de neutrons et d'auto-désactiver l'enregistrement. Décharger l'échantillon et retirer les ensembles de coupe et diélectriques bob du rhéomètre. Installer le dispositif de protection à coussin d'air du moteur et verrouiller le transducteur.
2. Éteignez l'ordinateur, RLC et alimentations rhéomètre. Déconnecter la ligne d'air. Débranchez tous les câbles BNC et réinstaller l'ascenseur de la grue sur le rhéomètre.
3. Désinstallez le museau tronqué. Remettre en place l'adaptateur de grue du rhéomètre. Soulevez le rhéomètre de la table et placer sur la table rhéomètre assurant que les câbles restent démêlé.

Figure 1:.. A) - e) Photos de Co mponents du Beamline et nécessaire SANS rhéomètre pour installer rhéomètre sur la Beamline qui sont étiquetés et définis ci-dessous. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2: Photos de composants Dielectric RheoSANS Géométrie avec étiquettes Définition des termes ci - dessous. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 3: A.-D.) Photos de procédure d'installation du glissement torique sur la Dielectric RheoSANS Géométrie et e) Image de Dielectric RheoSANS Géométrie entièrement assemblé..ove.com/files/ftp_upload/55318/55318fig3large.jpg » target = « _ blank »> S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 4: Schéma du chemin du faisceau à travers la géométrie du four et Dielectric RheoSANS Géométrie. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Résultats

Les résultats représentatifs d'une expérience RheoSANS diélectrique sont représentés sur la figure 5 et 6. Ces données sont prises sur une suspension de noir de carbone conducteur dans le carbonate de propylène. Ces agrégats floculent en raison des interactions attractives pour des charges en solides relativement faibles qui forment des gels qui sont électriquement conductrices. Les réponses rhéologique et la conductivité de ces suspensi...

Discussion

Un diélectrique mesures expérimentales RheoSANS simultanément les responses rhéologiques, électriques et microstructurales d'un matériau tel qu'il subit une déformation prédéfinie. L'exemple présenté ici est une suspension de noir de carbone électriquement conducteur qui forme l'additif conducteur utilisé dans les cellules d'écoulement électrochimique. L'instrument RheoSANS diélectrique permet l'interrogation du plan radial de cisaillement dans une cellule de Couette étroit i...

matériels

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