Dielectric RheoSANS - Gleichzeitige Interrogation von Impedanz, Rheologie und Kleinwinkelneutronenstreuung komplexer Fluide

Summary

Hier stellen wir ein Verfahren zur Messung der Impedanz simultaner, Rheologie und Neutronenstreuung von Weichstoffen Materialien unter Scherströmung.

Abstract

Ein Verfahren für den Betrieb eines neuen dielektrischen RheoSANS Instrument, das die gleichzeitige Abfrage der elektrischen, mechanischen und mikrostrukturellen Eigenschaften von komplexen Fluiden dargestellt. Das Gerät besteht aus einer Couette Geometrie innerhalb eines modifizierten Zwangskonvektionsofen auf einem kommerziellen Rheometer angebracht enthält. Dieses Instrument ist für den Einsatz auf der Kleinwinkelneutronenstreuung (SANS) Strahlrohre am National Institute of Standards and Technology (NIST) Zentrum für Neutronenforschung (NCNR) zur Verfügung. Die Couette-Geometrie wird maschinell bearbeitet, um Neutronen transparent zu sein, und sorgt für die Messung der elektrischen Eigenschaften und die mikrostrukturellen Eigenschaften einer zwischen Titan Zylindern beschränkt Probe, während die Probe willkürliche Verformung erfährt. Die Synchronisation dieser Messungen wird durch den Einsatz einer anpassbaren Programm aktiviert, das die Ausführung von vorbestimmten Versuchsprotokollen überwacht und steuert. Beschrieben ist hier ein Protokoll zuein Strömungsdurchlauf-Experiment durchzuführen, wo die Schergeschwindigkeit von einem Maximalwert auf einen Minimalwert logarithmisch bei jedem Schritt für eine bestimmte Zeitdauer, während frequenzabhängigen dielektrischen Messungen Halt abgestuft sind. Repräsentative Ergebnisse sind von einer Probe von einem Gel, bestehend gezeigte schwarzer Aggregate aus Kohlenstoff in Propylencarbonat dispergiert. Da das Gel steady Scherung unterzogen wird, ist der Ruß Netzwerk mechanisch verformt, die eine anfängliche Abnahme der Leitfähigkeit mit dem Brechen der Bindungen, die das Ruß-Netzwerk zugeordnet verursacht. Jedoch bei höheren Scherraten, erholt sich die Leitfähigkeit mit dem Einsetzen der Scherverdickung verbunden. Insgesamt zeigen diese Ergebnisse die Nützlichkeit der gleichzeitigen Messung der Rheo-electro-mikrostrukturellen Eigenschaften dieser Suspensionen der dielektrischen RheoSANS Geometrie.

Introduction

Die Messung der makroskopischen Eigenschaften werden oft zu gewinnen grundlegende Einsicht in die Natur der kolloidalen Materialien und selbstorganisierende Systeme, in der Regel mit dem Ziel der Entwicklung Verständnis zu verbessern, um Formulierung Leistung verwendet. Insbesondere auf dem Gebiet der Rheologie, die ein Fluid der dynamischen Antwort auf eine angelegte Spannung oder Verformung liefert wertvolle Einblicke in kolloidaler Verhalten sowohl unter Gleichgewichtsbedingungen und auch weit vom Gleichgewicht, wie beispielsweise bei der Verarbeitung ¹ Rheologische Untersuchungen von Konsum- und Industrieflüssigkeiten mißt, Gele und Gläser können auch zur Messung der rheologischen Parameter verwendet werden, wie die Viskosität, die von Formulierer ausgerichtet sind. Während Rheologie eine leistungsfähige Sonde von Materialeigenschaften ist, ist es eine indirekte Messung von kolloidalem Informationen auf der mikroskopischen Ebene, so dass unser Verständnis des grundlegenden kolloidale Verhaltens stark durch die Kombination von rheologischen Messungen mit c verbessert werden kannomplementary Techniken.

Eine solche orthogonale Technik ist die Impedanzspektroskopie. Impedanzspektroskopie ist eine bulk-Sonde von dielektrischen Relaxationsverhalten, die die Reaktion eines Materials auf ein angelegtes oszillierendes elektrisches Feld misst. ² Die Impedanzspektrum ergibt sich aus elektrischen Relaxation Modi , die innerhalb des Materials einschließlich der Ladungstransport und Polarisation aktiv sind. ^{3, 4} Diese Messungen liefern zusätzliche Beweise für kolloidales Verhalten insbesondere wenn sie mit Rheologie kombiniert. Deshalb ^5, ist die Kombination dieser Techniken besonders relevant , wenn kolloidale Dispersionen, Proteine, ionische Tenside, Nanokompositen geladene Sondieren und andere Systeme. ^{6, 7}

Ein grundsätzliches Interesse an Untersuchungen von kolloidalem Verhalten ist das microstruc des Materials ture. Die Mikrostruktur eines kolloidalen Flüssigkeit wird als notwendig erachtet, alle Informationen zu codieren, sowohl seine rheologischen und elektrische Verhalten wiederherzustellen. Grundsätzlich suchen wir einen Schnappschuss der nanoskaligen mikrostrukturellen Eigenschaften zu messen, die zu einem gemessenen Materialverhalten führen. Aufgrund der komplizierten Natur vieler komplexer Abhängigkeit Flüssigkeiten auf ihre Prozessgeschichte, hat sich darauf in situ Messungen des Materials viel der Anstrengung auf mikrostrukturelle Charakterisierung fokussiert , wie es verformt wird. Dies hat Experimentatoren herausgefordert Methoden entwickeln zu können, um Messungen des Partikels in Nanogröße unter etwa konstantem Scheren, wo die Geschwindigkeiten der Teilchen direkte Visualisierung gemacht haben intrinsisch herausfordernd. Die direkte Messung der Materialmikrostruktur unter Strömungs hat viele Formen angenommen Bereich von Rheo-Optik, Rheo-Mikroskopie und sogar Rheo-NMR. ^{8, 9,}ass = „Xref“> 10 Kleinwinkelstreuverfahren, insbesondere Kleinwinkelneutronenstreuung (SANS) Techniken haben sich auf die Messung der zeitlich gemittelten Mikrostruktur von Proben im stationären Zustand in einem Volumenscherfeld einschließlich aller drei Ebenen bewährt von scheren. ^{11, 12, 13} haben jedoch neue Datenerfassungstechniken erlaubt strukturelle Transienten mit Zeitauflösung so fein wie 10 ms erfasst werden. ¹⁴ der Tat die Kombination von Rheologie mit verschiedenen in situ Streuungsverfahren wurde in Hunderten von jüngsten Studien von unschätzbarem Wert erwiesen. ¹⁵

Eine auftauchende technische Herausforderung ist die Verwendung von kolloidalen Suspensionen als leitfähige Zusatzstoffe in halbfeste Flow-Batterie-Elektroden. ¹⁶ In dieser Anwendung leitfähige kolloidale Partikel müssen ein elektrisch perkolierten Netzwerk während der mater aufrechtzuerhaltenial wird durch eine elektrochemische Durchflusszelle gepumpt. Die Leistungsanforderungen an diesen Materialien verlangen, dass sie eine hohe Leitfähigkeit ohne negative Auswirkungen auf die rheologischen Leistung über einen weiten Bereich von Scherraten aufrechtzuerhalten. ¹⁷ Es ist daher sehr wünschenswert, daß Messungen des kolloidalen Verhaltens machen unter stationären und zeitabhängigen Scherbedingungen, um die zugrundeliegende rheologischen und elektrische Reaktion dieser Materialien weit von ihrem Gleichgewichtszustand zu quantifizieren und zu charakterisieren. Ein bedeutender erschwerender Faktor, der weitere theoretische Entwicklung in dieser Hinsicht behindert hat, ist die thixotrope Natur von Ruß Schlämme. ¹⁸ Diese Geschichte abhängige rheologischen und elektrische Eigenschaften machen Experimente notorisch schwierig zu reproduzieren; Somit macht es schwierig, Datensatz zu vergleichen unterschiedliche Protokolle gemessen. Darüber hinaus gibt bisher keine einzige Geometrie der Lage, alle drei durchführen, Dielectric, rheologische und mikrostrukturelle Charakterisierungen, gleichzeitig. Gleichzeitige Messung ist wichtig, da die Strömung, die die Struktur ändern kann, so dass der Rest Messungen verarbeiteten Materialien nicht genaue Angaben über die Eigenschaften unter Strömungs bereitstellen kann, die für ihre Verwendung mehr relevant sind. Zusätzlich ist, wie viele der gemessenen Eigenschaften von Ruß Schlämmen Geometrie abhängig sind, gibt es Komplikationen, die mit der gleichen Probe auf verschiedenen Instrumenten gewonnenen Daten verglichen werden. ¹⁹

Um diese Herausforderung in der Messtechnik gerecht zu werden, haben wir eine neue dielektrische RheoSANS Geometrie am NIST Zentrum für Neutronenforschung und die Universität von Delaware Lage ist , in situ Impedanzspektroskopie entwickelt, Rheologie und SANS – Messungen eines Material unter beliebiger Verformung auf einem kommerziellen Stamm kontrollierte Rheometer. Dies wird ermöglicht durch eine Couette Geometrie Entwicklung fähig ist das Messen der mikrostrukturellen, electrical und rheologische Reaktion eines Materials zwischen den Spalt von zwei konzentrischen Zylindern beschränkt. Da der äußere Zylinder dreht, das Drehmoment durch die Verformung der Probe ausgeübt wird auf den inneren Zylinder gemessen und der Impedanzmessung ist radial über den Spalt hergestellt. Die Zylinder sind aus Titan bearbeitet, um transparent zu Neutronen und robust genug zu sein, um die Scherspannung in dem Rheometer erlebt zu widerstehen. Wir führen die SANS-Messung durch die radiale Position des Couette, und haben gezeigt, dass es möglich ist, qualitativ hochwertige SANS Muster aus der Probe Verformung unterzogen zu messen. Auf diese Weise wird alle drei Messungen werden auf dem gleichen Bereich von Interesse in der Probe gemacht, wie es ein gut definiertes Deformationsprofil erfährt. Das Ziel dieses Artikels ist die dielektrische Couette-Geometrie, die Installation auf das RheoSANS Instrument und die erfolgreiche Ausführung eines simultanen Messung zu beschreiben. Das Rheometer ist am NIST Center for Neutron verfügbarDie Forschung am National Institute of Standards and Technology. Es wurde auf der NG-7 SANS Strahllinie arbeiten konzipiert. Wir haben Zeichnungen versehen und eine detaillierte Beschreibung der benutzerdefinierten Komponenten, die bearbeitet wurden und zusammengebaut, um diese Messung zu ermöglichen.

Protocol

1. Montage des Rheometer auf die SANS Strahlrohr HINWEIS: Siehe Abbildung 1 für Definitionen von genannten Komponenten. Stellen Sie sicher, dass die Stromversorgung des Rheometers ausgeschaltet ist, wird der Wandler verriegelt und der Motor-Luftlagerschutz eingebaut ist. Schalten Sie den Neutronenstrahl, und schließen Sie die Ofentür. Installieren die große Grundplatte auf den Tisch, entfernen Sie die Schnauze, installieren Sie das Fenster ein, und s…

Representative Results

Repräsentative Ergebnisse aus einer dielektrischen RheoSANS Experiments sind in 5 und 6 gezeigt. Diese Daten werden auf einer Suspension von Leitruß in Propylencarbonat genommen. Diese Aggregate flocken aufgrund anziehende Wechselwirkungen bei relativ niedrigen Feststoffbeladungen bilden Gele, die elektrisch leitend sind. Die rheologischen und Leitfähigkeit Reaktionen solcher Suspensionen sind ein aktives Gebiet der Forschung und aktuelle Untersuchung…

Discussion

Ein dielektrisches RheoSANS Experiment misst gleichzeitig die rheologischen, elektrische und mikrostrukturelle Antworten eines Materials, wenn es eine vordefinierte Verformung erfährt. Das hier gezeigte Beispiel ist eine elektrisch leitfähige Rußsuspension dass das leitfähige Additiv in elektrochemischen Zellen verwendet Fluss bildet. Das dielektrische RheoSANS Instrument ermöglicht die Abfrage der Radialebene der Scherung in einer engen Spalte Couette-Zelle, ohne die Genauigkeit entweder die elektrischen oder rheo…

Materials

ARES G2 Rheometer	TA Instruments	401000.501	Rheometer
ARES G2-DETA ACCY Kit	TA Instruments	402551.901	BNC Connectors
Geometry ARES 25mm 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