RheoSANS dielettrici - Interrogatorio simultanea di impedenza, reologia e Small Angle Neutron Scattering di fluidi complessi

Riepilogo

Qui, presentiamo una procedura per la misura dell'impedenza simultanea, reologia e di neutroni da materiali materia soffice sotto flusso di taglio.

Abstract

Procedimento per il funzionamento di un nuovo strumento RheoSANS dielettrico capace di interrogazione simultanea delle proprietà elettriche, meccaniche e microstrutturali di fluidi complessi è presentato. Lo strumento è costituito da una geometria Couette contenuta all'interno di un forno a convezione forzata modificato montato su un reometro commerciale. Questo strumento è disponibile per l'uso sul scattering di neutroni piccolo angolo (SANS) linee di luce presso il National Institute of Standards and Technology (NIST) Centro di Neutron Research (NCNR). La geometria Couette è lavorata per essere trasparente ai neutroni e prevede la misura delle proprietà elettriche e le proprietà microstrutturali di un campione confinato tra i cilindri di titanio mentre il campione subisce deformazioni arbitrarie. Sincronizzazione di queste misure è attivato tramite l'uso di un programma personalizzabile che monitora e controlla l'esecuzione dei protocolli sperimentali predeterminati. Qui descritto è un protocollo dieseguire un esperimento di scansione di flusso in cui il gradiente di velocità è logaritmicamente intensificato da un valore massimo ad un valore minimo che tiene ad ogni passo per un periodo di tempo specificato mentre misurazioni dielettriche dipendente dalla frequenza sono fatti. Risultati rappresentativi sono mostrati da un campione costituito da un gel costituito da carbonio aggregati nero dispersi in carbonato di propilene. Come il gel sottoposto a taglio costante, la rete nerofumo è meccanicamente deformato, che provoca una diminuzione della conducibilità iniziale associata con la rottura di legami composto dalla rete di nerofumo. Tuttavia, a velocità di taglio più elevate, la conducibilità recupera associato con l'insorgenza di ispessimento taglio. Nel complesso, questi risultati dimostrano l'utilità della misura simultanea delle proprietà Rheo-elettro-microstrutturale di queste sospensioni utilizzando la geometria dielettrico RheoSANS.

Introduzione

Misurazione delle proprietà macroscopiche vengono spesso utilizzati per ottenere informazioni fondamentali sulla natura dei materiali colloidali e sistemi di auto-assemblati, di solito con l'obiettivo di sviluppare la comprensione, al fine di migliorare le prestazioni formulazione. In particolare, il campo di reologia, che misura la risposta dinamica di un fluido ad una sollecitazione applicata o deformazione, fornisce informazioni preziose comportamento colloidale sia in condizioni di equilibrio e anche lontano dall'equilibrio, come ad esempio durante la lavorazione ¹ prove reologiche dei fluidi consumo e industriali, gel e vetri possono anche essere usati per misurare parametri reologici, quali la viscosità, che sono indirizzate da formulatori. Mentre reologia è un potente sonda di proprietà dei materiali, è una misura indiretta di informazioni colloidale a livello microscopico, tale che la nostra comprensione del comportamento colloidale fondamentale può essere notevolmente migliorata combinando misure reologiche con cTecniche omplementary.

Una di queste tecniche è ortogonale spettroscopia di impedenza. spettroscopia di impedenza è una sonda di massa di comportamento rilassamento dielettrico, che misura la risposta di un materiale ad un campo elettrico oscillante applicata. ² I risultati dello spettro di impedenza dalla modalità di rilassamento elettriche attive all'interno del materiale compreso trasporto di carica e polarizzazione. ^{3, 4} Queste misurazioni forniscono ulteriori prove per comportamento colloidale particolarmente quando combinato con reologia. ⁵ Pertanto, la combinazione di queste tecniche è particolarmente rilevante quando tastatura carica dispersioni colloidali, proteine, tensioattivi ionici, nanocompositi, e altri sistemi. ^{6, 7}

Un interesse fondamentale nelle indagini di comportamento colloidale è microstruc del materiale tura. La microstruttura di un fluido colloidale è pensato per codificare tutte le informazioni necessarie per ricostituire sia la reologiche e comportamento elettrico. Fondamentalmente, noi cerchiamo di misurare un'istantanea delle caratteristiche microstrutturali nanoscala che portano ad una risposta del materiale misurato. A causa della natura complessa di dipendenza molti fluidi complessi sulla loro storia processo, gran parte dello sforzo sulla caratterizzazione microstrutturale è concentrata sul rendere misura in situ del materiale subisce deformazioni. Questo ha sfidato sperimentali a punto metodi per essere in grado di effettuare misure di nanoparticelle sotto per esempio taglio costante, dove le velocità delle particelle hanno fatto visualizzazione diretta intrinsecamente impegnativo. La misura diretta della microstruttura del materiale in condizioni di flusso ha assunto molte forme che vanno dalla Rheo-ottica, rheo-microscopia e persino rheo-NMR. ^{8, 9,}ass = "xref"> 10 Piccoli metodi angolo di diffusione, in particolare diffusione piccolo angolo di neutroni (SANS) tecniche, si sono dimostrati efficaci nel misurare la microstruttura tempo-mediata di campioni allo stato stazionario in un campo taglio di massa compreso tre piani dello taglio. ^{11, 12, 13} Tuttavia, le nuove tecniche di acquisizione dati sono consentiti transitori strutturali per catturare con risoluzione temporale sottile come 10 ms. ¹⁴ Infatti combinando reologia con vari metodi di scattering situ ha dimostrato prezioso in centinaia di studi recenti. ¹⁵

Una sfida di ingegneria emergente è l'uso di sospensioni colloidali come additivi conduttivi in ​​batteria elettrodi flusso semi-solido. ¹⁶ In questa applicazione, particelle colloidali conduttive devono mantenere una rete percolato elettricamente mentre il material viene pompato attraverso una cella di flusso elettrochimica. Le esigenze di funzionamento di questi materiali richiedono che mantengono elevata conducibilità senza effetti negativi sulle prestazioni reologiche su un'ampia gamma di velocità di taglio. ¹⁷ È quindi altamente desiderabile essere in grado di effettuare misurazioni del comportamento colloidale in condizioni di taglio stabili e dipendenti dal tempo per quantificare e caratterizzare la risposta reologico ed elettrico alla base di questi materiali lontano dal loro stato di equilibrio. Un fattore che complica significativo che ha ostacolato l'ulteriore sviluppo teorico a questo proposito è la natura tissotropica di carbonio fanghi neri. ¹⁸ Queste storia dipendente proprietà reologiche e elettrici per rendere esperimenti notoriamente difficili da riprodurre; così, rendendo difficile il confronto set di dati misurati utilizzando protocolli diversi. Inoltre, ad oggi non esiste un'unica geometria in grado di eseguire tutti e tre, Dielectric, reologiche e caratterizzazioni microstrutturali, simultaneamente. misurazione simultanea è importante in quanto il flusso può cambiare la struttura, tali che le misurazioni di riposo di materiali lavorati non possono fornire indicazioni accurate delle proprietà sotto flusso, che sono più rilevanti per il loro uso. Inoltre, poiché molte delle proprietà misurate di carbonio fanghi neri sono geometria dipendente, ci sono complicazioni con confrontando i dati ottenuti dallo stesso campione su strumenti diversi. ¹⁹

Per soddisfare questa sfida in metrologia, abbiamo sviluppato una nuova geometria RheoSANS dielettrici al Centro NIST per Neutron Research e l'Università di Delaware capace di spettroscopia di impedenza situ, reologia e SANS misure di un materiale sotto deformazione arbitraria su un ceppo commerciale reometro controllata. Ciò è attivato sviluppando una geometria Couette grado di misurare l'microstrutturale, electrical e risposta reologico di un materiale confinato tra la distanza di due cilindri concentrici. Come gira il cilindro esterno, coppia imposta dalla deformazione del campione viene misurato sul cilindro interno e la misura di impedenza viene effettuata radialmente attraverso il traferro. I cilindri sono ricavati da titanio in modo da essere trasparente ai neutroni e sufficientemente robusto per sopportare le sollecitazioni di taglio esperto nel reometro. Eseguiamo la misurazione SANS attraverso la posizione radiale del Couette, e hanno dimostrato che è possibile misurare alta qualità SANS modelli dal campione subire deformazioni. In questo modo, le tre misurazioni vengono effettuate sulla stessa regione di interesse nel campione subisce una deformazione profilo ben definito. L'obiettivo di questo articolo è quello di descrivere la geometria dielettrico Couette, la sua installazione sullo strumento RheoSANS, e la corretta esecuzione di una misurazione simultanea. Questo reometro è disponibile presso il Centro NIST per NeutronLa ricerca presso il National Institute of Standards and Technology. E 'stato progettato per lavorare sulla linea di fascio NG-7 SANS. Abbiamo fornito disegni e la descrizione dettagliata dei componenti personalizzati che sono stati lavorati e assemblati in modo da consentire questa misura.

Protocollo

1. Montaggio Reometro sul SANS Beamline

NOTA: Vedere la Figura 1 per le definizioni dei componenti nominati.

1. Assicurarsi che l'alimentazione al reometro è spento, il trasduttore è bloccato ed è installato il dispositivo di protezione cuscinetto d'aria del motore. Spegnere il fascio di neutroni, e chiudere la porta del forno.
2. Installare la piastra di base di grandi dimensioni sul tavolo, rimuovere il muso, installare la finestra, e fissare i 4 occhielli per le staffe di montaggio su adattatore gru del reometro in modo tale che i cavi non groviglio e non siano attorcigliate.
3. Utilizzando la gru, sollevare il reometro e manovrare dalla tabella reometro di riposare centrata sul tavolo con lo schermo LCD del reometro rivolto verso l'esterno, avendo cura di guidare i cavi per minimizzare il groviglio.
4. Utilizzando il software di controllo SANS, inviare la tabella al minimo Z.
5. Rimuovere l'adattatore della gru le reometri e sollevare dalla piattaforma utilizzando la crane.

2. cellulare dielettrico Assembly

NOTA: Vedere la Figura 2 per le definizioni dei componenti nominati.

1. Assicurarsi che l'alimentazione al reometro è spento, il trasduttore è bloccato ed è installato il dispositivo di protezione cuscinetto d'aria del motore. Prima dell'uso, pulire i gruppi coppa e bob dielettrici con soluzione detergente seguita da diversi risciacqui con acqua deionizzata, e lasciare asciugare completamente.
2. Aprire la porta del forno, sbloccare il trasduttore e rimuovere il blocco cuscinetto del motore. Montare la geometria dielettrico e assemblaggio bob dielettrico sui monti utensile superiore ed inferiore del reometro. Allentare entrambe le viti sulla geometria dielettrico con una chiave a brugola da 2 mm e posizionare il gruppo coppa dielettrico in modo che sia montata sulla geometria dielettrico.
3. Utilizzando il software di controllo reometro, azzerare il distacco dal menu a discesa geometria del campione, e applicare 10 N forza normale utilizzando il menu a discesa forza assiale. Sotto compressione, serrare le viti usandouna chiave a brugola 3 mm, fino al gruppo anello dielettrico è totalmente assicurato alla geometria dielettrico.
4. Impostare il divario rispetto al gap di misura utilizzando il software di controllo reometro, e chiudere la porta del forno. Assicurarsi che il forno può racchiudere completamente la cella dielettrico con gioco verticale adeguata sulla parte superiore e inferiore della geometria. Se è necessaria una regolazione in altezza, regolare la vite in modo che l'involucro del forno si adatta con adeguata tolleranza intorno alla cella dielettrico. spazio adeguato si ottiene quando la geometria dielettrico si inserisce all'interno del forno e può subire una rotazione senza toccare le pareti del forno.
5. Rimuovere sia il gruppo bob dielettrico ed il gruppo coppa dielettrico / geometria dielettrica in un sol pezzo e sostituirlo con lo strumento di allineamento reometro sulla testa utensile inferiore.

3. Installare il collettore ad anelli

Nota: vedere Figura 3 per step-by-step sintesi pittorica.

1. Installare il deflettore filo sull'albero dila geometria dielettrico e collegare il connettore coppa dielettrico al connettore slip ring.
2. Tenere l'anello di contatto in modo che sia concentrica con l'albero del gruppo coppa dielettrico geometria / dielettrico ma sopra la flangia sulla geometria dielettrico. Posizionare l'anello di contatto adattatori (x2) tale che le loro nobs inseriscono nei fori nella geometria dielettrico e la loro base poggia sulla flangia geometria dielettrico.
3. Far scorrere delicatamente l'anello di contatto nel corso degli adattatori ad anelli. L'anello di contatto deve scorrere senza sforzo attorno gli adattatori ad anelli li tengono in posizione.

4. Allineamento della Reometro

NOTA: La Figura 4 illustra schematicamente percorso del fascio.

1. Chiudere il forno intorno lo strumento di allineamento reometro. Installare il muso troncato e l'apertura per il campione (1 mm di larghezza × 8 mm di altezza), e utilizzando il software di controllo reometro, impostare l'angolo di spostamento geometria a 0,49 rad nel controllo del motoremenu a discesa.
2. Utilizzando il software di controllo dello strumento SANS, garantire che tutte le guide neutroni vengono rimossi, e aprire la porta del forno in modo che il laser è visibile. Eseguire un allineamento grossolano del reometro variando l'altezza e l'angolo della tabella dal software di controllo dello strumento SANS in modo che il fascio passa attraverso il forno e attraversa la fessura al centro dell'utensile allineamento reometro.
3. Utilizzando il software di controllo dello strumento SANS, regolare l'altezza del tavolo e la sua rotazione per ottimizzare allineamento laser. Nota reometro è allineato quando il fascio laser passa attraverso la fessura lo strumento di allineamento reometro con lo spostamento geometria fissato a 0,49 rad senza interferire con le sue pareti e il fascio attraversa la linea centrale in forno.

5. taratura dello strumento SANS

1. Una volta che la configurazione SANS strumento desiderato è allineato dallo scienziato strumento, misurare la trasmissione dei fasci aperto,dispersione cella vuota, e le misure di scattering corrente di buio.
   1. Eseguire la misurazione trasmissione dei fasci aperta eseguendo una misurazione di trasmissione dei fasci nella posizione desiderata rivelatore per 3 min.
   2. Eseguire la misura di scattering cella vuota installando geometria dielettrico e misurando una misura di scattering al rilevatore di posizione desiderata.
   3. Eseguire la misura di scattering corrente di buio con 3 mm di spessore pezzo di cadmio totalmente attenua il segnale principale dispersione del fascio.

6. Collegamento dei componenti elettrici

1. Regolare la distanza usando lo schermo LCD a 100 mm.
2. Rimuovere l'utensile di allineamento reometro dalla flangia strumenti in basso. Reinstallare il gruppo bob dielettrico sulla testa utensile superiore e il complesso assemblaggio tazza dielettrico / dielettrica geometria / slip ring sulla testa utensile inferiore di pezzo e riazzerare il gap.
3. Assicurarsi che il gruppo spazzole di carbonio è sicurod all'adattatore spazzola di carbone con viti, e fissare l'adattatore spazzola di carbone e montaggio spazzola di carbone al reometro con viti. Assicurarsi che le spazzole sul gruppo spazzola di carbone accoppiano con gli anelli metallici scanalate dell'anello collettore. Ciò garantisce il mantenimento del contatto elettrico.
4. Collegare i connettori femmina pin sul gruppo spazzola di carbone e il gruppo bob dielettrico ai connettori pin maschio delle barre superiore e inferiore rispettivamente. Assicurarsi che i cavi schermati etichettati BNC collegati alle sbarre e terminano presso il misuratore LCR sono installati nei loro corrispondenti connettori BNC.
5. Collegare il cavo BNC etichettato "TO SANS" al cavo BNC collegato alla scheda DAQ etichetta "AO0". Collegare il cavo BNC etichettato "FROM SANS" al cavo BNC collegato alla scheda DAQ etichetta "AI0". Collegare il cavo BNC etichettato "TRIGGER" al cavo BNC collegato alla scheda DAQ etichetta "AO1". Collegare ilcavo BNC collegato al connettore 15 pin sul retro del reometro al cavo BNC etichettato "AI3". Assicurarsi che il misuratore LCR e reometro comunicano con il computer di controllo.

7. Preparare lo strumento per una misurazione

1. Aprire il forno, regolare la distanza di 100 mm, e carico di 4 mL di dispersione nero carbone in carbonato di propilene nell'assieme tazza dielettrico temperatura equilibrata, avendo cura di minimizzare campione lasciato sul muro coppa.
2. Abbassare la geometria a 40 mm utilizzando il display LCD frontale. Impostare la velocità del software di controllo reometro utilizzando le impostazioni di controllo del motore a 1 rad / s. Utilizzando l'opzione slew sul reometro, abbassare il gruppo bob dielettrico finché la distanza divario è a 0.5 mm.
3. Utilizzando il software attrezzature, vai a dielettrico gap misure geometriche, e impostare la velocità del motore sul software di controllo reometro utilizzando le impostazioni di controllo del motore a 0 rad / s. In questa fase, il campione è caricoed.
   Nota: Controllare il livello di riempimento del campione ancora una volta per garantire che il livello del campione riempie tutta la strada fino al muro Couette senza riempimento eccessivo.
4. Installare la trappola solvente riempiendo parete complesso bob dielettrico interno con il solvente desiderato e posizionare la trappola solvente sul bordo dell'assieme tazza dielettrico.

8. L'esecuzione del Experiment dielettrica RheoSANS

1. Configurare il codice etichetta "TA_ARES_FlowSweep.vi". Una GUI apparirà con campi modificabili che specificano le condizioni di esecuzione sperimentali dell'esperimento dielettrica RheoSANS. Impostare questi campi nel seguente ordine.
   1. Specificare un percorso per il file di registro e il nome di base del file di log. Eseguire il codice premendo il tasto freccia "Esegui" sulla barra dei menu.
   2. Selezionare i parametri reologici - il tasso di partenza di taglio (25 rad / s), che termina velocità di taglio (1 rad / s), il numero di punti di velocità di taglio (6) e se i punti devono essere logarithmically o (pulsante) lineare distanziati. Selezionare la temperatura a 25 ° C per questo esperimento. Selezionare condizioni preshear (se lo si desidera, pulsante di opzione su "ON" abilitazione) - in questo esperimento, utilizzare un 25 rad / s preshear per 600 s con un tempo di attesa di 300 s dopo la fase preshear.
   3. Specificare il tempo per gradiente di velocità e tasso di raccolta. Abilita pulsante di sincronizzazione. Sulla scheda parametri di prova seleziona scansione logaritmica o lineare - se pulsante è verde, un elenco di numero N di punti sarà logaritmicamente distanziata da min velocità di taglio a velocità di max shear.
   4. Specifica velocità di taglio discrete e tempi tramite la scheda "Valori discreti" se desiderato. Selezionare il numero di punti di frequenza, la frequenza minima e la frequenza massima di default. Impostare la frequenza dipendente dal tempo - specifica il dipendente dalla frequenza di tempo desiderato per tutti i tassi di taglio. Impostare il tempo di stato stazionario - imposta la quantità di tempo che il codice misurerà parametri dielettrici ad un freq fissiuency in funzione del tempo per ogni velocità di taglio.
   5. Specificare il tipo di segnale e di ampiezza. Specificare il numero di cicli a media e il tempo di misura.
2. Accendere Autologging sul computer SANS. Impostare la configurazione di SANS. Selezionare la configurazione e specificare il tempo di esecuzione per essere almeno 1 minuto più lungo del tempo totale contenuta all'interno della lista gradiente di velocità nel codice.
   Nota: Quando viene raggiunta la configurazione VIPER dovrebbe leggere "dio stat 16" che indica che sarà in attesa per il segnale analogico dalla scheda di acquisizione dati da modificare.
3. Configurazione del software di controllo reometro. Nella scheda esperimento, premere il tasto "procedura Open File" nella sezione "Procedura" menu a discesa. Individuare il file procedimento con l'etichetta "File dielettrica RheoSANS script". Assicurarsi che reometro è pronto per l'esecuzione dell'esperimento.
4. Quando il SANS è pronto, assicurare il controllo del software è configurato e rheometer control file script software è aperto, premere "Parametri Set". Questo innesca l'esecuzione dell'esperimento specificato e tutti i dati deve essere registrato per tutta la corsa del campione pre-programmato.

9. End of Experiment

1. Spegnere il fascio di neutroni e disattivare l'auto-registrazione. Scaricare il campione e rimuovere i gruppi coppa e bob dielettrici dal reometro. Installare il protettore cuscinetto d'aria del motore e bloccare il trasduttore.
2. Spegnere il computer, LCR metro e alimentatori reometro. Scollegare la linea dell'aria. Scollegare tutti i cavi BNC e reinstallare l'ascensore della gru sul reometro.
3. Disinstallare il muso troncato. Reinstallare l'adattatore della gru del reometro. Sollevare il reometro dal tavolo e posizionare sul tavolo reometro assicurare che i cavi siano districati.

Figura 1:.. A) - e) Immagini di Co mponents del SANS Beamline e la necessaria Reometro a Installare Reometro sulla linea di luce che sono etichettati e definiti di seguito. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Immagini di componenti dielettrica RheoSANS Geometria con le etichette Definizione delle condizioni di seguito riportate. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 3: a.-d.) Immagini di procedura di installazione del Slip-anello sul dielettrica RheoSANS Geometria, ed e) Immagine di completamente montato dielettrica RheoSANS geometria..ove.com/files/ftp_upload/55318/55318fig3large.jpg" target = '_ blank'> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 4: Schema del percorso del raggio attraverso Forno geometria e dielettrica RheoSANS geometria. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Risultati

Risultati rappresentativi da un esperimento dielettrico RheoSANS sono mostrati in figura 5 e 6. Questi dati sono presi su una sospensione di nerofumo conduttore in carbonato di propilene. Questi aggregati flocculano causa di interazioni attrattivi solidi relativamente bassi carichi formanti gel che vengono elettricamente conduttore. Le risposte reologiche e conducibilità di tali sospensioni sono un'area attiva di ricerca e le indagini in corso cerca...

Discussione

Un dielettrico misure sperimentali RheoSANS contemporaneamente le risposte reologiche, elettriche e microstrutturali di un materiale subisce una deformazione predefinita. L'esempio qui illustrato è una sospensione di nerofumo elettricamente conduttivo che forma l'additivo conduttivo utilizzato in celle elettrochimiche di flusso. Lo strumento RheoSANS dielettrico consente l'interrogazione del piano radiale di taglio all'interno di uno stretto spazio tra le celle Couette senza compromettere la fedeltà di...

Materiali

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