Medição de materiais Microstructure Sob fluxo Usando 1-2 Plane Fluxo-Small Angle Neutron Scattering

Summary

Uma célula de cisalhamento é desenvolvido para medições de pequeno ângulo de dispersão de neutrões no plano gradiente de velocidade da velocidade de cisalhamento e é usada para caracterizar os fluidos complexos. Medições espacialmente resolvidos na direção gradiente de velocidade são possíveis para o estudo de materiais de bandas de cisalhamento. As aplicações incluem investigações de dispersões coloidais, as soluções de polímero, e as estruturas de auto-montagem.

Abstract

Um exemplo de ambiente novo pequeno ângulo de espalhamento de nêutrons (SANS) otimizado para o estudo da microestrutura dos fluidos complexos sob fluxo de cisalhamento simples é apresentada. A célula de cisalhamento SANS consiste de uma geometria Couette cilindro concêntrico que está selado e que roda em torno de um eixo horizontal, de modo que o sentido de vorticidade do campo de fluxo está alinhada com o feixe de neutrões que permite o espalhamento do plano 1-2 de corte (gradiente de velocidade da velocidade , respectivamente). Esta abordagem é um avanço sobre os ambientes de amostras de células de corte anteriores, existe uma forte ligação entre a reologia grandes quantidades e características microestruturais no plano de corte 1-2. Flow-instabilidades, tais como bandas de cisalhamento, também pode ser estudado através de medições espacialmente resolvidas. Isto é realizado neste exemplo de ambiente usando uma abertura estreita para o feixe de neutrões e de varrimento ao longo do sentido do gradiente de velocidade. Tempo experimentos resolvidos, tais como fluxo de start-ups e grande amplitude de oscilação elafluxo de ar também são possíveis pela sincronização do movimento de corte e detecção resolvida no tempo de neutrões dispersos. Os resultados representativos, utilizando os métodos aqui descritos demonstram a natureza útil de resolução espacial para medir a microestrutura de uma solução micelar vermiformes que apresenta bandas de cisalhamento, um fenómeno que só podem ser investigados por resolução da estrutura ao longo do sentido do gradiente de velocidade. Finalmente, potenciais melhorias para o projeto atual são discutidas juntamente com sugestões para experimentos complementares como motivação para futuros experimentos em uma ampla gama de fluidos complexos em uma variedade de movimentos de cisalhamento.

Introduction

O desenvolvimento de uma compreensão científica de um fenômeno natural requer medições precisas e precisas. Metrologia é também a base da engenharia de sucesso e desenho de novos processos e materiais. Reologia é a ciência da deformação e fluxo de matéria. Reologia é central na nossa capacidade de processar uma grande variedade de materiais e também é usado pelos formuladores de produtos para atingir as propriedades específicas dos materiais. Exemplos típicos da antiga incluem polímeros moldar ou dar forma compósitos, enquanto o segundo inclui o desenvolvimento de produtos de consumo quotidiano, tais como tintas, shampoos e alimentos. Se a viscosidade de um polímero fundido é controlada de modo que ele pode ser eficazmente moldado por injecção ou a viscoelasticidade de um champô é alterado de modo que tenha a consistência correcta para o consumidor, as propriedades reológicas são controlado alterando a formulação do material ^1. A reologia dos materiais e produtos também depende tele estruturar no estado fluido e esta estrutura vai desde a microescala à nanoescala. Além disso, esta estrutura muda com os parâmetros de processamento, tais como a taxa de fluxo e tempo de fluxo, que desafia rheologists para medir a estrutura durante o fluxo. É este desafio que é atendida, em parte, pelo romance instrumentação descrita neste artigo.

Novas técnicas capazes de sondar a microestrutura de materiais macios sob fluxo de cisalhamento pode beneficiar macio material de engenharia de produto e otimização de condições de processamento. Muitos intrigantes e de longa data desafios para a aplicação de materiais macios em uma variedade de indústrias e em ciência fundamental envolver comportamento do fluxo incomum, como espessamento de cisalhamento em suspensões coloidais ^2, tesoura e bandas vorticidade em micelas wormlike ³ e heterogeneidades inerentes ao fluxo de gel coloidal ^4-6. Rheologists são constantemente desafiados a elucidar o microstructural origens das não-linearidades nas respostas reológicas e às vezes até mesmo no campo de velocidade de corte materiais viscoelásticos. Este desafio exige a aquisição simultânea da microestrutura, em função tanto da localização espacial no campo de fluxo e o tempo de comportamentos dependentes, que provou ser uma tarefa formidável para experimentalistas.

Pequeno ângulo de espalhamento de neutrões (SANS) é particularmente bem adequado para a medição da estrutura de fluidos complexos, uma vez que pode sondar os materiais que são opacos à luz. Também deuteração selectiva pode ser utilizada para fornecer o contraste entre os componentes que podem aparecer semelhante sob raios X espalhando ^7. Além disso, os nêutrons têm uma vantagem sobre os raios X, pois não há danos da radiação de amostras de matéria mole biológicos ou outros. Nas experiências ilustradas aqui, neutrões frios gerados por um reactor ou uma fonte de espalação é colimada e iluminado mediante numa amostra. A intensidade yi espalhamentoELDS informações sobre a estrutura do material em escalas de comprimento a partir da atómica para centenas de nanómetros (e com ultra-pequeno ângulo de dispersão de neutrões até dezenas de microns), mas sob a forma de uma transformada de Fourier da estrutura espacial real. Portanto, a interpretação dos dados pode ser um desafio e envolve uma transformação inversa ou comparação aos modelos microestruturais ou simulações. Mais sobre SANS instrumentação, experiências, e correspondência contraste pode ser encontrado nos tutoriais postados no site do Centro de Ciência Neutron, www.cns.che.udel.edu.

Aqui nós descrevemos uma célula de cisalhamento projetada para estender o método SANS para examinar materiais sob fluxo. Uma visão geral recente da metodologia geral e instrumentação, bem como uma revisão da literatura substancial de aplicações mais recentes podem ser encontrados na referência ⁸ e as referências aí citadas. Um ambiente conveniente e quase ideal para sondar a estrutura fluido sob fluxo de cisalhamento comSANS é uma geometria Couette lacuna estreito, também conhecido como cilindros concêntricos ^9. Isto aplica-se uma geometria do fluxo de cisalhamento simples (ou seja laminar) para a amostra, enquanto se mantinha um volume suficiente desobstruída para o feixe incidente de neutrões. A aplicação do fluxo de quebra a simetria da microestrutura, como tal caracterização completa da microestrutura do material sob fluxo de cisalhamento simples requer medições microestruturais em todos os três planos de corte. Dois planos de corte pode ser investigado utilizando a configuração padrão geometria Couette (Figura 1A): o feixe de neutrões está configurado para viajar ao longo do gradiente de velocidade e de direcção da velocidade de sonda-vorticidade (1-3) do plano de corte (configuração "radial") , em alternativa, o feixe é colimado por uma fenda fina e paralelos alinhados com a direcção do fluxo, sondando assim a velocidade de gradiente de vorticidade-(2-3) plano (configuração "tangencial"). Este instrumento está disponível commercially e foi recentemente documentado pelo exame de fluidos complexos sob cisalhamento ^10. O exame acima referido descreve seu uso e de dispositivos relacionados para a determinação de estrutura de propriedade em uma ampla gama de materiais e aplicações ^8. Experimentos resolvida no tempo, como para os fluxos de cisalhamento oscilatórias também foram relatados ^{11, 12.}

Muitas vezes, o plano mais interessantes e mais importante do fluxo é o gradiente de velocidade, a velocidade (1-2) plano (Figura 1b), mas também a mais difícil para investigar uma vez que requer instrumentos especiais. Uma célula de cisalhamento personalizado foi projetado para permitir a investigação direta do gradiente de velocidade, velocidade (1-2) de avião por SANS tal que o feixe de nêutrons viaja paralelo ao eixo de vorticidade de cisalhamento ^13-16. Medições no 1-2 plano de fluxo são fundamentais para a obtenção de um entendimento quantitativo para a viscosidade de cisalhamento porque ElucidComeram a orientação da estrutura em relação à direcção ^de escoamento ^{15, 17, 18.} Isto é importante para os materiais, tais como polímeros, surfactantes de auto-montagem, colóides, e outros fluidos complexos. Além disso, é possível investigar a microestrutura dos materiais em função da posição através da abertura na direcção do fluxo de gradiente de cisalhamento. Com a adição de resolução espacial, o método proporciona um meio para o estudo de materiais que exibem alterações microestruturais, ao longo da direcção de gradiente de cisalhamento. Um exemplo para o qual investigar mudanças na microestrutura e composição ao longo da direção do gradiente de fluxo é de corte de bandas. Cisalhamento de bandas é um fenómeno causado por um acoplamento entre a microestrutura e direcção de fluxo que resulta em um campo de fluxo não homogéneo ^13. Neste artigo, descreve-se o instrumento, sua montagem e técnica de medição de fluxo SANS como implementado no Centro NIST para NeUtron Pesquisa (NCNR) do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), em Gaithersburg, MD. Este ambiente amostra é o resultado de uma colaboração entre a Universidade de Delaware, o NIST ea Institut Laue Langevin-(ILL), e tem sido implementado com sucesso em ambos ILL e NIST. Para os fins deste artigo, em que as partes específicas SANS do protocolo estão preocupados, a técnica é descrita como implementado no NIST. No entanto, modificar os detalhes específicos do instrumento deve ser simples ea técnica geral pode ser implementado em qualquer instrumento SANS para fluxo constante (seção 5.1). Além disso, instrumentos equipados com recursos de SANS resolvido em tempo, também pode realizar experimentos de cisalhamento fluxo SANS oscilatórios (seção 5.2). Desenhos técnicos dos componentes da célula de cisalhamento são fornecidos como Figuras 12-23.

Protocol

A Figura 2 mostra uma célula de corte montado ligado à placa de base, o qual está montado para o placa de ensaio na fase ambiente amostra e alinhados no feixe de neutrões para um experimento SANS. O motor de passo, caixa de velocidades e transmissão por correia, cortou fase motor, celular e direção do feixe de nêutrons de cisalhamento são rotulados na Figura 2. O presente protocolo fornece instruções para a montagem da célula de cisalhamento (seção 1), a montagem da célul…

Representative Results

Os resultados representativos de um experimento de fluxo SANS sucesso são apresentados nas Figuras 9, 10 e 11. Estes exemplos são a partir de investigações feitas sobre uma solução vermiforme micela (WLM) (Tabela 1) conhecidos por apresentar bandas de cisalhamento durante determinadas condições de cisalhamento. Uma discussão completa sobre as descobertas científicas podem ser encontrados nas referências 15-17. A Figura 10</stron…

Discussion

Um novo instrumento capaz de medir a microestrutura de corte fluidos complexos no gradiente avião velocidade à velocidade de corte via espalhamento pequeno ângulo de nêutrons é desenvolvido e validado. O design da célula de cisalhamento complementa outros instrumentos que utilizam fontes de radiação, como raios-X e espalhamento de luz, bem como instrumentos rheo-SANS capazes de caracterizar a microestrutura nos dois outros planos de cisalhamento (velocidade-vorticidade e velocidade gradiente-vorticidade) ^{8 …}

Materials

Deuterated Water (99.9%)	Cambridge Isotopes	7789-20-0	83.3 wt % in formulation D2O
CTAB- Cetyl Trimethyl Ammonium Bromide	Sigma-Aldrich	57-09-0	16.7 wt % in formulation CH3(CH2)15N(Br)(CH3)3
1/16" Allen wrench
3/16" Allen wrench
3/8" open end wrench
tape
thread seal tape
syringes (2)