Диэлектрические RheoSANS - Одновременная Допрос импеданса, реология и малого угол рассеяния нейтронов сложных жидкостей

Резюме

Здесь мы приводим процедуру для измерения импеданса, одновременной реологии и рассеяния нейтронов из мягких вещества материалов при сдвиговом потоке.

Аннотация

Порядок работы нового диэлектрического RheoSANS инструмента, способного одновременного опрос электрических, механических и микроструктурных свойств сложных жидкостей представлен. Прибор состоит из геометрии Куэтты, содержащейся в модифицированной принудительной конвекционной печи, установленной на коммерческий реометре. Этот инструмент доступен для использования на малоугловом рассеянии нейтронов (SANS) beamlines в Национальном институте стандартов и технологии (NIST) центре нейтронных исследований (NCNR). Геометрии Куэтты механически обработаны, чтобы быть прозрачными для нейтронов и обеспечивают для измерения электрических свойств и микроструктурных свойств образца, заключенного между цилиндрами титана в то время как образец подвергается произвольной деформации. Синхронизация этих измерений обеспечиваются с помощью использования настраиваемой программы, которая отслеживает и контролирует выполнение заданных экспериментальных протоколов. Описанные здесь является протоколомвыполнить эксперимент развертки потока, где скорость сдвига логарифмический ступенчатая от максимального значения до минимального значения, держащего на каждый шаг в течение определенного периода времени, в то время как зависящие от частоты диэлектрических измерений. Типичные результаты показаны из образца, состоящий из геля, состоящий из агрегатов углеродной сажи, диспергированных в пропиленкарбонате. По мере того как гель претерпевает устойчивый сдвиг, сажа сеть механической деформации, что вызывает начальное снижение проводимости, связанное с разрывом связей, входящих в состав углеродной сажи сети. Тем не менее, при более высоких скоростях сдвига, проводимость восстанавливается, связанные с наступлением сдвига утолщения. В целом, эти результаты показывают полезность одновременного измерения РЕО-электро-микроструктурных свойств этих суспензий с использованием диэлектрической RheoSANS геометрии.

Введение

Измерение макроскопических свойств часто используются, чтобы получить фундаментальное понимание природы коллоидных материалов и самоорганизующихся систем, как правило, с целью развития понимания, с тем чтобы повысить эффективность состава. В частности, поле реологии, который измеряет динамическую характеристику текучей среды , в к приложенному напряжению или деформации, обеспечивает ценную информацию коллоидного поведение как в равновесных условиях , а также далеко от равновесия, например, при обработке ¹ Реологических испытаний потребительских и промышленных жидкостей, гели, и очки также могут быть использованы для измерения реологических параметров, такие как вязкость, которые ориентированы на рецептурах. В то время как реология представляет собой мощный зонд свойств материала, это косвенное измерение коллоидной информации на микроскопическом уровне, таким образом, что наше понимание фундаментального коллоидного поведения может быть значительно повышенно путем комбинирования реологических измерений с помощью Complementary методы.

Одним из таких ортогональны метод импедансной спектроскопии. Импеданс спектроскопия является объемным датчиком диэлектрической релаксации поведения, который измеряет отклик материала на приложенном осциллирующее электрическое поле. ² Результаты спектра импеданса от электрических режимов релаксации, которые активны в материале , включающем перенос заряда и поляризации. ^{3, 4} Эти измерения обеспечивают дополнительные свидетельства для коллоидного поведения особенно в сочетании с реологии. ⁵ Таким образом, сочетание этих методов особенно актуально при зондировании заряженных коллоидных дисперсий, белки, ионные поверхностно -активные вещества, нанокомпозитов и других систем. ^{6, 7}

Фундаментальная интерес к исследованиям коллоидного поведения microstruc материала р. Микроструктура коллоидной жидкости, как полагают, чтобы кодировать всю информацию, необходимую для восстановления как ее реологических и электрическое поведение. По сути, мы стремимся измерить снимок наноразмерных микроструктурных особенностей, которые приводят к измеренному реакции материала. Из - за сложного характера зависимости многих сложных флюидов на их истории процесса, большая часть усилий по микроструктурных характеристик была сосредоточена на создании измерений на месте материала , как он подвергается деформации. Это вызов экспериментаторов разработать методы, чтобы иметь возможность производить измерения наноразмерных частиц, например, при установившемся сдвиге, где скорости частиц сделали прямую визуализацию внутренне сложной. Непосредственное измерение микроструктуры материала в потоке принял на многих формах, начиная от РЕО-оптики, РЕО-микроскопии и даже Rheo-ЯМР. ^{8, 9,}осел = «Xref»> 10 Малых методов угла рассеяния, и , в частности , малый углом рассеяния нейтронов (SANS) метода, доказал свою эффективность при измерении усредненных по времени микроструктуры образцов при стационарном состоянии в объемном поле сдвига в том числе всех три плоскостей сдвиг. ^{11, 12, 13} Однако, новые методы сбора данных позволили структурные переходные процессы, которые будут захвачены с временным разрешением , как тонкой , как 10 мс. ¹⁴ В самом деле сочетание реологических свойств с различными методами в рассеивающих на местах оказались неоценимыми в сотнях недавних исследований. ¹⁵

Становится инженерной задачей является использование коллоидных суспензий в качестве проводящих добавок в полутвердых поток электродов батарей. ¹⁶ В этом приложении, проводящие частицы коллоидного должны поддерживать электрически процеживают сеть в то время как матерIAL прокачивается через ячейку электрохимического потока. Требования производительности на этих материалов требуют, чтобы они сохраняют высокую проводимость без отрицательного воздействия на реологические свойства в широком диапазоне скоростей сдвига. ¹⁷ Поэтому весьма желательно , чтобы иметь возможность производить измерение коллоидного поведения в стационарных и нестационарных условиях сдвига для того , чтобы количественно оценить и охарактеризовать реологический , лежащий в основе и электрический отклик этих материалов далеки от их равновесного состояния. Существенный усложняя фактор, который препятствует дальнейшему теоретическое развитию в этом отношении является тиксотропным характером сажих шламов. ¹⁸ Этих зависимые истории реологические и электрические свойства делают эксперименты крайне трудно воспроизвести; таким образом, что затрудняет сравнение наборов данных, измеренных с использованием варьируемых протоколов. Кроме того, на сегодняшний день не существует единой геометрии способна выполнять все три, Dielectric, реологический, и микроструктурная характеризация одновременно. Одновременное измерение важно, так как поток может изменить структуру, таким образом, что измерения остальных обрабатываемых материалов не могут обеспечить точные показания свойств в потоке, которые являются более актуальными для их использования. Кроме того, так как многие из измеренных свойств углеродной сажи в суспензиях геометрия зависит, возникает осложнения при сравнении данных, полученных из того же образца на различных инструментах. ¹⁹

Для того , чтобы решить эту задачу в метрологии, мы разработали новую диэлектрические RheoSANS геометрию на NIST центр нейтронных исследований и Университета штата Делавэр , способного на месте импедансной спектроскопии в измерения реологии и SANS материала при произвольной деформации на коммерческой деформации контролируемый реометр. Это обеспечивается путем разработки геометрии Куэтты, способную измерять микроструктурный, Electricaл и реологический отклик материала, заключенного между зазором два концентрических цилиндров. При вращении внешнего цилиндра, крутящий момент, введенной деформации образца измеряют на внутреннем цилиндре и измерение импеданса выполнен в радиальном направлении через зазор. Цилиндры изготовлены из титана таким образом, чтобы быть прозрачными для нейтронов и достаточно прочными, чтобы выдерживать напряжение сдвига испытывал в реометре. Проводит измерение SANS через радиальное положение Куэтты, и показал, что можно измерить высокие качество SANS образцы из образца, подвергающейся деформацию. Таким образом, все три измерения выполнены на одной и той же области, представляющей интерес в образце, как он проходит четко определенный профиль деформации. Целью данной статьи является описание диэлектрической Куэтты геометрии, его установки на прибор RheoSANS и успешное выполнение одновременного измерения. Этот вискозиметр доступен в NIST Центре NeutronИсследования в Национальном институте стандартов и технологий. Он предназначен для работы на линии пучка NG-7 SANS. Мы предоставили чертежи и подробное описание пользовательских компонентов, которые были механической обработке и собранными, с тем чтобы это измерение.

протокол

1. Монтаж реометра на SANS экспериментальная станция источника синхротронного излучения

Примечание: На рисунке 1 определения названных компонентов.

1. Убедитесь, что питание вискозиметра выключено, датчик заблокирован и установлен протектор воздушного подшипника двигателя. Выключите нейтронный пучок, и закройте дверцу.
2. Установите большую опорную пластину на стол, убрать морду, установить окна и закрепить 4 проушины для монтажных кронштейнов на кране адаптере вискозиметра, такие, что кабели не запутаться и не перекручены.
3. С помощью крана, поднимите вискозиметра и маневрировать из таблицы реометра, чтобы отдохнуть в центре на столе с ЖК-экраном реометра, обращенной наружу, следя за тем, чтобы направлять кабели к минимуму спутывание.
4. С помощью программного обеспечения управления SANS, отправить таблицу минимальной Z позиции.
5. Удалить кран адаптер, с реометрами и снять с платформы, используя крана.

2. Диэлектрические Cell Ассамблея

Примечание: На рисунке 2 определения названных компонентов.

1. Убедитесь, что питание вискозиметра выключено, датчик заблокирован и установлен протектор воздушного подшипника двигателя. Перед использованием очистить диэлектрические чашки и Бобом сборки с использованием моющего раствора, с последующим несколькими деионизованной воды полосканий, и позволяют полностью высохнуть.
2. Откройте дверцу, разблокировать датчик и снять блокировку двигателя подшипника. Установить диэлектрическую геометрию и сборку диэлектрического боба на верхние и нижние опоры инструментального реометра. Ослабьте оба установочного винт на диэлектрической геометрии с использованием 2-Мм Аллен ключа и поместите диэлектрическую узел чашки так, что она установлена ​​на диэлектрической геометрии.
3. С помощью программного обеспечения управления реометра, ноль отставания от выпадающего меню геометрии образца, и применить 10 N нормальной силы с использованием силой раскрывающегося меню осевого. При сжатии, затянуть винты с помощью3-Мм Аллен ключ до диэлектрической сборки чашки полностью прикреплен к диэлектрической геометрии.
4. Установите зазор в измерительном промежутке с использованием программного обеспечения управления вискозиметра и закройте дверцу. Убедитесь, что печь может полностью закрыть диэлектрическую ячейку с соответствующим вертикальным зазором на верхней и нижней части геометрии. Если регулировка высоты необходима, отрегулируйте винт так, чтобы корпус печи подходит с достаточной терпимостью вокруг диэлектрической клетки. Соответствующий зазор достигается тогда, когда диэлектрическая геометрия помещается внутри печи и может пройти полный оборот, не касаясь стен печи.
5. Удалить как диэлектрический узел ЛПП и диэлектрическая сборку чашки / диэлектрическую геометрию в виде одной детали и заменить с помощью инструмента выравнивания реометра на нижней инструментальной головке.

3. Установите фазные

Примечание: Смотрите Рисунок 3 для шага за шагом изобразительное резюме.

1. Установите провод перегородку на валдиэлектрическая геометрия и соединить разъем диэлектрических чашек к разъему фазного.
2. Удерживая кольцо скольжения так, что он является концентрическим с валом сборки диэлектрической чашки / диэлектрической геометрии, но над фланцем на диэлектрической геометрии. Поместите кольцо скольжения адаптеры (x2) такой, что их Nobs вставить в отверстия, просверленные в диэлектрическую геометрии и их основание лежит на диэлектрической геометрии фланца.
3. Аккуратно вставьте кольцо скользить по фазным адаптеров. Кольцо скольжения должно скользить без усилий вокруг фазных адаптеров, занимающих их на месте.

4. Выравнивание вискозиметра

Примечание: Смотрите Рисунок 4 для схемы на пути луча.

1. Закройте печь вокруг инструмента выравнивания вискозиметра. Установите усеченную морду и образец отверстие (ширина 1 мм × 8 мм в высоте), а также с помощью программного обеспечения управления реометра, установить угол смещения геометрии к 0,49 радиану в управлении двигателемвыпадающее меню.
2. С помощью программного обеспечения управления инструмента SANS, убедитесь, что все нейтроноводы удаляются, и откройте дверцу духовки, так что лазер виден. Выполните грубое выравнивание реометра путем изменения высоты и угла стола с программного обеспечения управления прибором SANS так, чтобы луч проходит через печь и пересекает через щель в центре инструмента выравнивания реометра.
3. С помощью программного обеспечения управления инструмента SANS, регулировать высоту стола и его вращение, чтобы оптимизировать выравнивание лазера. Обратите внимание на реометре выровнен, когда лазерный луч проходит через щель в инструменте выравнивания реометра с геометрией смещения установлено на уровне 0,49 радиана без ущерба на его стенки, и луч проходит через центральную линию в печи.

5. Калибровка инструмента SANS

1. После того, как требуемая конфигурация SANS инструмента выравниваются с помощью инструмента ученого, измерить открытую передачу луча,пустое рассеивание клеток, и темные измерения тока рассеяния.
   1. Выполните измерение передачи луча посредством открытого выполнения измерения передачи луча в нужном положении детектора в течение 3 мин.
   2. Выполните пустое измерение рассеяния клеток путем установки диэлектрической геометрии и измерения измерения рассеяния в желаемом положении детектора.
   3. Выполните измерение темнового тока рассеяния с использованием толстого куска 3 мм, кадмий, который полностью ослабляет основной сигнал рассеяния пучка.

6. Подключение электрических компонентов

1. Установите зазор с помощью ЖК-экрана до 100 мм.
2. Удалить инструмент выравнивания вискозиметра от нижнего фланца инструмента. Установите на диэлектрическую узел боб на головке верхнего инструмента и диэлектрической монтажной чашки / диэлектрической геометрии / скольжения кольцевого узла на нижнюю инструментальной головки в виде одной детали и повторно нулевой зазор.
3. Убедитесь, что угольные щетки в сборе является безопаснымд на угольных щеток адаптера с помощью винтов, и закрепить адаптер углерода щетки и узел щетки углерода в реометре с помощью винтов. Убедитесь, что угольные щетки на щетках углерода спариваться с рифлеными металлическими кольцами скольжения кольца. Это обеспечивает поддержание электрического контакта.
4. Соедините гнездовые разъемы на пин углерода щеточного узла и диэлектрический боб узел к мужским контактным соединителям верхней и нижней решетка шины соответственно. Убедитесь в том, что меченые экранированные BNC кабели, подключенные к шинам и заканчивающиеся на метр LCR установлены в соответствующих разъемах BNC.
5. Подключите кабель BNC с надписью «TO SANS» к кабелю BNC подключен к DAQ-карты с надписью «AO0». Подключите кабель BNC с надписью «С SANS» к кабелю BNC подключен к DAQ-карты с надписью «AI0». Подключите кабель BNC с надписью «TRIGGER» для кабеля BNC подключен к DAQ-карты с надписью «АО1». ПодключениеBNC кабель, подключенный к разъему 15 пин на заднем вискозиметр к кабелю BNC с надписью «AI3». Убедитесь в том, что измеритель LCR и вискозиметр общаются с управляющим компьютером.

7. Подготовка прибора для измерения

1. Открыть духовку, установить разрыв до 100 мм, а нагрузка 4 мл дисперсии сажи в пропиленкарбонате в температурной уравновешивали диэлектрическую сборку чашки, заботясь, чтобы минимизировать образец оставили на стенках чашки.
2. Опустить геометрию до 40 мм с помощью ЖК-дисплея на передней панели. Установите скорость на программное обеспечение управления вискозиметра с использованием параметров управления двигателя к 1 рад / с. Используя опцию нарастания выходного напряжения на реометре, снизить диэлектрическую сборку боба, пока расстояние зазора не достигнет 0,5 мм.
3. Использование программного обеспечения оборудования, перейдите к диэлектрическому зазору измерения геометрии и установить скорость двигателя на реометр программного обеспечения управления с помощью параметров управления двигателя к 0 рад / с. На данном этапе, образец нагрузкиредактор
   Примечание: Проверьте уровень заполнения образца еще раз , чтобы убедиться , что уровень образца заполняет весь путь вверх по стене Куэтты без перелива.
4. Установите ловушку растворителя путем заполнения внутренней диэлектрической стенки боба сборки с желаемым растворителем и поместите ловушку растворителя на крае диэлектрической сборки чашки.

8. Запуск эксперимента Диэлектрические RheoSANS

1. Настройка кода с надписью «TA_ARES_FlowSweep.vi». Графический интерфейс будет отображаться с изменяемыми полями, которые определяют условие эксперимента прогонов диэлектрического эксперимента RheoSANS. Установите эти поля в следующем порядке.
   1. Укажите путь к лог-файл, и базовое имя файла журнала. Выполните код, нажав кнопку со стрелкой «Выполнить» в строке меню.
   2. Выберите реологические параметры - начальная скорость сдвига (25 рад / сек), заканчивая скорость сдвига (1 рад / с), количеством точек сдвига скорости (6) и должны ли быть точки Logarithmically или линейный интервал (кнопка радио). Выбор температура до 25 ° С в течение этого эксперимента. Выберите preshear условия (при желании, переключатель в положение «ВКЛ» включить) - в этом эксперименте, используют 25 рад / с preshear за 600 сек с 300 с временем ожидания после стадии preshear.
   3. Указать раз в скорости сдвига и скорости сбора. Включить кнопку квитирования радио. На вкладке Параметры испытаний выбрать логарифмическую или линейную развертку - если переключатель имеет зеленый цвет, список N число точек будет логарифмически на расстоянии друг от скорости сдвига мин до максимальной скорости сдвига.
   4. Указание дискретных скоростей сдвига и времени через вкладку «дискретные значения», если это желательно. Выберите количество частотных точек, минимальная частота и максимальная частота по умолчанию. Установите частоту зависимого времени - определяет требуемую частоту зависимого времени для всех скоростей сдвига. Установите время для устойчивого состояния - задает количество времени, что код будет измерять диэлектрические параметры при фиксированном частотыuency как функция времени для каждой скорости сдвига.
   5. Указывает тип сигнала и амплитуду. Укажите количество циклов до среднего и время измерения.
2. Включите autoLogging на компьютере SANS. Установите конфигурацию SANS. Выберите конфигурацию и указать время выполнения, чтобы быть по крайней мере 1 мин больше, чем общее время, содержащимся в списке скорости сдвига в коде.
   Примечание: Если конфигурация достигается VIPER следует читать «Dio стат 16» , который указывает , что он будет ждать аналогового сигнала от карты сбора данных для изменения.
3. Настройка программного обеспечения управления вискозиметра. На вкладке эксперимента, Нажмите «Open File Процедура» в «Процедура» в раскрывающемся меню. Перейдите к файлу процедуры с надписью «Диэлектрик File RheoSANS Script». Убедитесь в том, что вискозиметр готово выполнить эксперимент.
4. Когда SANS готов, обеспечить контроль программного обеспечения настроена и реометра продрол файл программного обеспечения скрипт открыт, нажмите кнопку «Параметры Set». Это вызывает выполнение указанного эксперимента и все данные должны быть зарегистрированы в течение предварительно запрограммированный запуска образца.

9. Конец эксперимента

1. Выключите пучок нейтронов и отключить автоматическую регистрацию. Выгрузка образца и удалить диэлектрические чашки и Боб сборку из реометра. Установите защитный воздушный подшипник двигателя и зафиксировать датчик.
2. Выключите компьютер, измеритель LCR и реометр источников питания. Отсоедините воздушную линию. Отсоедините все кабели BNC и переустанавливать кран подъемной силы на реометре.
3. Удаление усеченной морды. Установите адаптер кран вискозиметра в. Поднимите вискозиметр из таблицы и поместите на стол реометра гарантируя, что кабели остаются распутать.

Рисунок 1:.. А) - е) Фотографии Co mponents о SANS а экспериментальной станции источнике синхротронного излучении реометра необходимо установить реометр на которые экспериментальную станции источника синхротронного излучения меченых и определены ниже. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 2: Изображения компонентов Диэлектрические RheoSANS Геометрия с Labels Определение условия ниже. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 3: a.-d.) Фотографии Процедуры установки фазного на диэлектрическом RheoSANS геометрию, и е) Изображение в полностью собранном виде диэлектрического RheoSANS геометрии..ove.com/files/ftp_upload/55318/55318fig3large.jpg»целевых =„_blank“> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 4: Схема лучевого Пути через Oven геометрию и диэлектрический RheoSANS геометрию. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Результаты

Типичные результаты диэлектрического эксперимента RheoSANS показаны на рисунке 5 и 6. Эти данные принимаются на суспензии проводящего углерода в пропиленкарбонате. Эти агрегаты флокуляции за счет привлекательных взаимодействий при относительно низки?...

Обсуждение

Диэлектрические меры эксперимента RheoSANS одновременно реологические, электрические и микроструктурные ответы материала, как он подвергается предопределенные деформациям. Пример, показанный здесь, является электропроводящей сажи подвеска, которая образует проводящую добавку, исполь?...

Материалы

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