RheoSANS dielétricas - Interrogation simultânea de impedância, Reologia e pequeno ângulo de espalhamento de nêutrons de Fluidos Complexos

Resumo

Aqui, nós apresentamos um processo para a medição da impedância simultânea, a reologia e a dispersão de neutrões a partir de materiais de matéria moles sob fluxo de cisalhamento.

Resumo

Um procedimento para o funcionamento de um novo instrumento RheoSANS dieléctrico capaz de interrogação simultânea das propriedades eléctricas, mecânicas e microestruturais dos fluidos complexos é apresentado. O aparelho é composto de uma geometria Couette contido dentro de um forno de convecção forçada modificado montado num reómetro comercial. Este instrumento está disponível para uso no pequeno ângulo de espalhamento de nêutrons (SANS) linhas de luz no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) Centro para Pesquisa de Nêutrons (NCNR). A geometria Couette é maquinada para ser transparente aos neutrões e proporciona para a medição das propriedades eléctricas e as propriedades microestruturais de uma amostra confinada entre os cilindros de titânio, enquanto a amostra sofre deformação arbitrária. Sincronização destas medições é activada através da utilização de um programa personalizado que monitoriza e controla a execução de protocolos experimentais predeterminados. Aqui descrito é um protocolo pararealizar uma experiência de varrimento de fluxo, onde a taxa de cisalhamento é logaritmicamente em degraus a partir de um valor máximo para um valor mínimo de manutenção a cada passo, durante um período especificado de tempo, enquanto as medições dieléctricas dependentes de frequência são feitas. Os resultados representativos são apresentados a partir de uma amostra que consiste de um gel composto de agregados de negro de carbono disperso em carbonato de propileno. Como o gel é submetido a cisalhamento constante, a rede de negro de fumo é mecanicamente deformado, o que provoca uma diminuição inicial na condutividade associada com a quebra de ligações que constituem a rede de negro de fumo. No entanto, a velocidades de corte mais elevadas, a condutividade recupera associado com o aparecimento de espessamento cisalhamento. No geral, estes resultados demonstram a utilidade da medição simultânea das propriedades electro-reo-microestrutural destas suspensões utilizando a geometria RheoSANS dieléctrico.

Introdução

Medição de propriedades macroscópicas são muitas vezes utilizados para obter insights fundamentais sobre a natureza dos materiais coloidais e sistemas auto-organizados, geralmente com o objetivo de desenvolver a compreensão, a fim de melhorar o desempenho formulação. Em particular, o campo de reologia, que mede a resposta dinâmica do fluido para uma tensão aplicada ou deformação, fornece informações valiosas sobre o comportamento coloidal, tanto sob condições de equilíbrio e também longe do equilíbrio, tal como durante o processamento ¹ testes reológicos de fluidos industriais e de consumo, géis, e vidros também podem ser utilizados para medir os parâmetros reológicas, tais como a viscosidade, que são alvo de formuladores. Enquanto reologia é uma sonda poderoso das propriedades do material, é uma medição indirecta da informação coloidal no nível microscópico, de tal modo que a nossa compreensão do comportamento coloidal fundamental pode ser grandemente aumentada através da combinação de medições reológicas com ctécnicas omplementary.

Uma dessas técnicas é ortogonal espectroscopia de impedância. espectroscopia de impedância é uma sonda de grandes quantidades de comportamento de relaxamento dieléctrico, que mede a resposta de um material a um campo eléctrico oscilante aplicado. ² Os resultados do espectro de impedância de modos de relaxamento eléctricos que são activas no interior do material, incluindo o transporte de carga e de polarização. ^{3, 4} Essas medições fornecem uma evidência adicional para o comportamento coloidal particularmente quando combinada com reologia. ⁵ Por conseguinte, a combinação destas técnicas é especialmente relevante quando sondagem carregada dispersões coloidais, proteínas, agentes tensioactivos iónicos, nanocompósitos, e outros sistemas. ^{6, 7}

Um interesse fundamental nas investigações de comportamento coloidal é microstruc do material de ture. A microestrutura de um fluido coloidal é pensado para codificar todas as informações necessárias para reconstituir a sua ambos reológico e comportamento eléctrico. Fundamentalmente, buscamos medir um instantâneo das características microestruturais em nanoescala que levam a uma resposta de material medido. Devido à natureza complexa da dependência de muitos fluidos complexos na sua história do processo, a maior parte do esforço da caracterização microestrutural tenha focado em fazer medições in situ do material à medida que sofre deformação. Isto tem desafiado os experimentalistas para conceber métodos para ser capaz de fazer medições de partículas nanométricas por exemplo sob cisalhamento constante, onde as velocidades das partículas fez visualização directa intrinsecamente desafiador. A medição directa da microestrutura do material sob fluxo tem assumido muitas formas que vão desde rheo-óptica, reo-microscopia e mesmo reo-RMN. ^{8, 9,}burro = "refex"> 10 métodos ângulo de dispersão de pequeno porte, nomeadamente o espalhamento de ângulo de neutrões (SANS) técnicas, provaram-se eficazes na medição da microestrutura média em tempo das amostras no estado estacionário em um campo de cisalhamento incluindo todos os três planos do cisalhamento. ^{11, 12, 13} transientes estruturais No entanto, novas técnicas de aquisição de dados permitiram a ser capturadas com resolução de tempo tão fino como 10 ms. ¹⁴ Com efeito combinando reologia com diferentes em métodos de dispersão in situ provou inestimável em centenas de estudos recentes. ¹⁵

Um desafio de engenharia emergente é a utilização de suspensões coloidais como aditivos condutores em eléctrodos de bateria de fluxo semi-sólidos. ¹⁶ Nesta aplicação, partículas coloidais condutoras deve manter uma rede electricamente percolada enquanto o material é bombeada através de uma célula de fluxo electroquimica. As exigências de desempenho sobre estes materiais exigem que eles manter a alta condutividade sem efeito prejudicial sobre o desempenho reológico sobre uma vasta gama de velocidades de corte. ¹⁷ Por conseguinte, é altamente desejável ser capaz de fazer medições do comportamento coloidal sob condições de cisalhamento constante e dependentes do tempo, a fim de quantificar e caracterizar a resposta subjacente reológico e eléctrica destes materiais longe do seu estado de equilíbrio. Um fator complicador significativo que tem dificultado ainda mais o desenvolvimento teórico a este respeito é a natureza tixotrópica de lamas de negro de fumo. ¹⁸ Estes dependente de história propriedades reológicas e elétricos fazer experimentos notoriamente difíceis de reproduzir; Assim, o que torna difícil comparar os conjuntos de dados medidos usando protocolos diferentes. Além disso, até à data não há nenhuma geometria única capaz de executar todos os três, Dielectric, reológico, e caracterizações microestruturais, simultaneamente. A medição simultânea é importante que o fluxo pode alterar a estrutura, de tal modo que as medições de repouso de materiais processados ​​não podem fornecer indicações precisas sobre as propriedades sob fluxo, que são mais relevantes para a sua utilização. Além disso, como muitas das propriedades medidas de lamas de negro de fumo são a geometria dependente, existem complicações com a comparação dos dados obtidos a partir da mesma amostra em instrumentos diferentes. ¹⁹

A fim de enfrentar este desafio em metrologia, desenvolvemos uma nova geometria RheoSANS dielétricos no centro do NIST para Pesquisa de Nêutrons e da Universidade de Delaware capaz de em espectroscopia de impedância situ, reologia e SANS medições de um material sob deformação arbitrária em uma linhagem comercial reómetro controlada. Isso é ativado através do desenvolvimento de uma geometria Couette capaz de medir a microestrutural, electrical e resposta reológicas de um material confinado entre a diferença de dois cilindros concêntricos. À medida que o cilindro exterior gira, o torque imposta pela deformação da amostra é medido no cilindro interior e a medição da impedância é feita radialmente através da abertura. Os cilindros são maquinados a partir de titânio de modo a ser transparente aos neutrões e suficientemente robusta para suportar a tensão de cisalhamento experimentado no reómetro. Nós realizar a medição SANS através da posição radial do Couette, e demonstraram que é possível medir elevados padrões de qualidade SANS da amostra sofrer deformação. Desta forma, todas as três medições são feitas sobre a mesma região de interesse na amostra, uma vez que sofre um perfil de deformação bem definida. O objetivo deste artigo é descrever a geometria dielétrica Couette, sua instalação no instrumento RheoSANS, e a execução bem sucedida de uma medição simultânea. Este rheometer está disponível no centro do NIST para NeutronPesquisa do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia. Ele foi projetado para trabalhar no SANS linha de luz NG-7. Temos desde desenhos e uma descrição detalhada dos componentes personalizados que foram usinadas e montados de modo a permitir esta medida.

Protocolo

1. Montagem do Reómetro para o SANS Beamline

Nota: Consulte a Figura 1 para definições de componentes nomeados.

1. Assegure-se que a energia para o reómetro é desligado, o transdutor está bloqueada e o protector de rolamento de ar do motor está instalado. Desligue o feixe de nêutrons, e feche a porta do forno.
2. Instalar a placa de base grande sobre a mesa, remover o focinho, instalar a janela, e para fixar as 4 ilhós para os suportes de montagem no adaptador de grua do reómetro de tal modo que os cabos não emaranhado e não são torcidas.
3. Usando o guindaste, levantar o reómetro e manobrar-lo a partir da tabela reómetro para estar centrada em cima da mesa com o ecrã de LCD do reómetro voltada para fora, tendo o cuidado de orientar os cabos para minimizar o enrolamento.
4. Usando o software de controle de SANS, enviar a tabela para a posição mínima Z.
5. Remover adaptador de grua dos reômetros e levantar longe da plataforma usando o crane.

2. celular dielétrica Assembléia

Nota: Consulte a Figura 2 para definições de componentes nomeados.

1. Assegure-se que a energia para o reómetro é desligado, o transdutor está bloqueada e o protector de rolamento de ar do motor está instalado. Antes da utilização, limpar os conjuntos de copas e prumo dieléctricos, utilizando uma solução de detergente seguido por várias lavagens com água desionizada, e deixa-se secar completamente.
2. Abrir a porta do forno, desbloquear o transdutor e remover o bloqueio de rolamento do motor. Montar a geometria dieléctrica e montagem prumo dieléctrico para os suportes de ferramentas superior e inferior do reómetro. Soltar os parafusos do sobre a geometria dieltrica utilizando uma chave Allen de 2 mm e colocar o conjunto de copa de dieléctrico de modo que está montada sobre a geometria dieléctrico.
3. Utilizando o software de controlo do reómetro, zero a diferença do menu suspenso geometria da amostra, e aplicam-se 10 N força normal usando o menu suspenso força axial. Sob compressão, apertar os parafusos usandoa 3 mm chave Allen até que o conjunto de copa de dieléctrico é totalmente apertada à geometria dieléctrico.
4. Regule a abertura para o intervalo de medição usando o software de controlo do reómetro, e fechar a porta do forno. Certifique-se de que o forno pode envolver completamente a célula dieléctrica com folga vertical adequada na parte superior e inferior da geometria. Se for necessário um ajuste de altura, ajustar o parafuso de fixação de modo que o invólucro do forno se encaixa com tolerância adequada em torno da célula dieléctrico. folga adequada é alcançada quando a geometria dielétrica se encaixa dentro do forno e pode passar por uma revolução completa, sem tocar nas paredes do forno.
5. Remover tanto o conjunto do prumo dieléctrica e o conjunto de copa de dieléctrico / geometria dieléctrica como uma só peça e substituir com a ferramenta de alinhamento reómetro sobre a cabeça da ferramenta inferior.

3. Instalação o anel deslizante

Nota: Consulte a Figura 3 para o passo-a-passo resumo pictórico.

1. Instalar o deflector de arame sobre o eixo dea geometria dieléctrica e ligar o conector copo dieléctrico para o conector de anel deslizante.
2. Segurar o anel de deslizamento de modo que seja concêntrica com o eixo do conjunto de copa de dieléctrico geometria / dieléctrico, mas acima da flange da geometria dieléctrico. Coloque a adaptadores anel de deslizamento (? 2) de tal modo que as suas NOBS inserir nos orifícios perfurados na geometria dieléctrico e a sua base assenta no flange geometria dieléctrico.
3. Deslize suavemente o anel de deslizamento ao longo dos adaptadores do anel deslizante. O anel deslizante deve deslizar facilmente em torno dos adaptadores de anéis mantendo-os no lugar.

4. Alinhamento do Rheometer

NOTA: Ver Figura 4 para esquemática do percurso de feixe.

1. Feche o forno em torno da ferramenta de alinhamento rheometer. Instalar o focinho truncado e a abertura da amostra (1 mm de largura x 8 milímetros de altura), e usando o software de controlo do reómetro, definir o ângulo de deslocamento de geometria 0,49 rad no controlo do motormenu suspenso.
2. Usando o software de controle de instrumento SANS, garantir que todos os guias de nêutrons são removidos, e abrir a porta do forno para que o laser é visível. Executar um alinhamento aproximado do reómetro, alterando a altura e o ângulo do quadro a partir do software de controlo do instrumento SANS de modo que o feixe passa através do forno e atravessa a fenda no centro da ferramenta de alinhamento reómetro.
3. Utilizando o software de controlo do instrumento SANS, ajustar a altura da mesa e a sua rotação para optimizar o alinhamento do laser. Nota o reómetro é alinhada quando o feixe de laser passa através da ranhura na ferramenta de alinhamento com o reómetro de deslocamento geometria fixado em 0,49 rad sem colidir com as paredes e o feixe passa através da linha central do forno.

5. Calibração do Instrumento de SANS

1. Uma vez que a configuração desejada SANS instrumento está alinhado pelo cientista instrumento, medir a transmissão do feixe aberto,espalhamento célula vazia, e medições de dispersão da corrente escura.
   1. Realizar a medição de transmissão do feixe aberto através da realização de uma medição de transmissão do feixe na posição do detector desejado durante 3 min.
   2. Executar a medição da dispersão célula vazia, instalando a geometria dieléctrica e medição de uma medição da dispersão na posição do detector desejado.
   3. Executar a medição da dispersão corrente escura usando um pedaço de espessura de 3 mm de cádmio que atenua totalmente o sinal de dispersão do feixe principal.

6. Conectando os componentes elétricos

1. Regule a abertura, utilizando o ecrã de LCD para 100 mm.
2. Remover a ferramenta de alinhamento reómetro da flange da ferramenta inferior. Reinstalar o conjunto do prumo dieléctrico sobre a cabeça da ferramenta superior e o conjunto do anel de montagem de taça dieléctrico / dieléctrico geometria / deslizamento sobre a cabeça da ferramenta inferior, tal como uma peça e re-zero, a lacuna.
3. Assegure-se que a montagem da escova de carbono é segurad para o adaptador de escova de carbono, usando parafusos, e fixar o adaptador escova de carvão e montagem da escova de carbono para o reómetro usando parafusos. Certifique-se de que as escovas de carbono sobre a montagem da escova de carbono acasalar com os anéis metálicos com ranhuras do anel de deslizamento. Isto assegura a manutenção do contacto eléctrico.
4. Ligar os conectores de pino fêmea no conjunto da escova de carbono e o conjunto do prumo dieléctrico para os conectores de pino macho de topo e de fundo barras de bus, respectivamente. Certifique-se de que os cabos blindados BNC marcadas ligadas às barras colectoras e que terminam no medidor LCR são instalados nos seus correspondentes conectores BNC.
5. Conecte o cabo BNC rotulado como "A SANS" ao cabo BNC conectado à placa DAQ rotulado como "AO0". Conecte o cabo BNC rotulado como "DE SANS" ao cabo BNC conectado à placa DAQ rotulado como "AI0". Conecte o cabo BNC rotulado como "gatilho" para o cabo BNC conectado à placa DAQ rotulado como "AO1". Ligue oBNC cabo ligado ao conector de 15 pinos na parte de trás do reómetro para o cabo BNC marcado "AI3". Certifique-se de que o medidor LCR e rheometer estão se comunicando com o computador de controle.

7. Preparação do instrumento para medição

1. Abrir o forno, ajustar a distância a 100 mm, e carga de 4 mL de dispersão de negro de fumo em carbonato de propileno para o conjunto do copo dieléctrico temperatura equilibrada, tendo o cuidado de minimizar a amostra deixada na parede de copo.
2. Abaixe a geometria para 40 mm utilizando o ecrã LCD frontal. Definir a velocidade no software de controlo do reómetro usando as definições de controlo de motor para um rad / s. Usando a opção de rotação sobre o reómetro, baixar o conjunto do prumo dieléctrico até que a distância de folga é a 0,5 mm.
3. Usando o software do equipamento, ir a lacuna medição geometria dieléctrico, e ajustar a velocidade do motor em software de controlo do reómetro usando as definições de controlo do motor para 0 rad / s. Nesta fase, a amostra é cargaed.
   Nota: Verifique o nível de amostra de preenchimento mais uma vez para assegurar que o nível de exemplo preenche todo o caminho até a parede Couette sem encher demais.
4. Instalar a armadilha solvente por enchimento a parede interior dieléctrico montagem prumo com o solvente desejado e colocar a armadilha solvente sobre o aro do conjunto de copa de dieléctrico.

8. A execução do experimento dielétrica RheoSANS

1. Configurar código identificado como "TA_ARES_FlowSweep.vi". A GUI irá aparecer com campos modificáveis ​​que especificam as condições de execução experimentais do experimento RheoSANS dielétrico. Definir esses campos na seguinte ordem.
   1. Especificar um caminho para o arquivo de log e o nome de base do arquivo de log. Executar o código, premindo o botão de seta "Run" na barra de menu.
   2. Seleccionar parâmetros reológicos - a taxa de cisalhamento de partida (25 rad / s), que termina velocidade de corte (1 rad / s), o número de pontos de velocidade de corte (6) e se os pontos deve ser logarithmically ou (botão de rádio) linear espaçadas. Seleccionar a temperatura a 25 ° C durante esta experiência. Selecione condições preshear (se desejado, ative o botão de rádio para "ON") - neste experimento, use a 25 rad / s preshear para 600 s com 300 s tempo de espera após o passo preshear.
   3. Especificar tempo para a taxa de cisalhamento e taxa de recolha. Ativar botão de rádio handshaking. No separador seleccionar parâmetros de teste de varrimento linear logarítmica ou - se o botão rádio é verde, uma lista de número N de pontos será espaçado logaritmicamente desde min taxa de cisalhamento para a taxa max shear.
   4. Especificar velocidades de cisalhamento discretas e tempos através do separador "Valores discretos" se o desejar. Selecione o número de pontos de freqüência, a frequência mínima eo padrão de frequência máxima. Definir a frequência dependente do tempo - especifica a frequência dependente do tempo desejado para todas as taxas de corte. Definir o tempo para o estado estacionário - define a quantidade de tempo que o código vai medir parâmetros dielétricos em uma freq fixosuency como uma função do tempo para cada velocidade de cisalhamento.
   5. Especifique o tipo de sinal e amplitude. Especifica o número de ciclos para calcular a média e o tempo de medição.
2. Ligue Autologging no computador SANS. Definir a configuração SANS. Seleccionar a configuração e especificar o tempo de execução para ser, pelo menos, 1 minuto mais longo do que o tempo total contido dentro da lista de taxa de corte no código.
   Nota: Quando a configuração é alcançada VIPER deve ler "dio Stat 16", que indica que ele vai estar à espera do sinal analógico a partir do cartão de aquisição de dados para mudar.
3. Configurando o software de controle rheometer. Na guia experimento, Pressione "Abrir Procedimento Arquivo" no "Procedimento" no menu suspenso. Navegue até o arquivo procedimento identificado como "dielétrica Arquivo RheoSANS Script". Certifique-se que rheometer está pronto para executar experimento.
4. Quando o SANS está pronto, assegurar o controlo de software é configurado e reómetro control arquivo de script software é aberto, pressione "Parâmetros Set". Isso desencadeia a execução do experimento especificado e todos os dados devem ser registrados em todo o pré-programado prazo amostra.

9. final do experimento

1. Desligue o feixe de nêutrons e auto-logging desativar. Descarregar a amostra e remover os conjuntos de copas e prumo dieléctricas do reómetro. Instalar o protector de rolamento de ar do motor e bloquear o transdutor.
2. Desligue o computador, medidor LCR, e fontes de alimentação de reómetro. Desligar a linha de ar. Desconecte todos os cabos BNC e reinstalar o elevador guindaste para o reômetro.
3. Desinstalar o focinho truncado. Reinstalar o adaptador de grua do reómetro. Levantar o reómetro da mesa e colocar sobre a mesa de reómetro assegurar que os cabos permanecem desembaraçados.

Figura 1:.. A) - e) Fotos de Co mponents do SANS Beamline eo Rheometer necessário instalar Rheometer na Beamline que são rotulados e definidos abaixo. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: Fotos de Componentes dielétrica RheoSANS Geometria com etiquetas definir os termos abaixo. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: a.-d.) Imagens de Procedimento para instalar o deslizamento-anel no dielétrico RheoSANS geometria, e e) Imagem de completamente montado dielétrica RheoSANS geometria..ove.com/files/ftp_upload/55318/55318fig3large.jpg" target = '_ blank'> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4: Representação esquemática do feixe de percurso através do forno e da geometria dielétrica RheoSANS geometria. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Resultados

Os resultados representativos de uma experiência RheoSANS dielétrica são mostrados na Figura 5 e 6. Estes dados são tomados em uma suspensão de negro de fumo condutor, em carbonato de propileno. Estes agregados devido às interacções flocular atraentes a cargas relativamente baixas de sólidos que formam geles que são electricamente condutores. As respostas reológicas e de condutividade de tais suspensões são uma área ativa de pesquisa e inve...

Discussão

Um dieléctrico medidas experimentais RheoSANS simultaneamente as respostas reológicas, eléctricos e microestruturais de um material, uma vez que sofre uma deformação pré-definido. O exemplo aqui mostrado é uma suspensão de negro de fumo electricamente condutor que constitui o aditivo condutor utilizado em células de fluxo electroquímicos. O instrumento RheoSANS dieléctrico permite a interrogação do plano radial de corte dentro de uma célula de Couette estreito intervalo sem comprometer a fidelidade da medi...

Materiais

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