RheoSANS - Interrogation simultanée Dielectric d'impédance, Rhéologie et petit angle de diffusion neutronique des fluides complexes
Summary
Ici, nous présentons une procédure pour la mesure de l'impédance simultanée, la rhéologie et la diffusion des neutrons à partir de matières de matière molle sous écoulement de cisaillement.
Abstract
Procédé pour l'exploitation d'un nouvel instrument RheoSANS diélectrique capable d'interrogation simultanée des propriétés électriques, mécaniques et microstructurales de fluides complexes est présenté. L'appareil se compose d'une géométrie Couette contenu dans un four à convection forcée modifié monté sur un rhéomètre commercial. Cet instrument est disponible pour une utilisation sur le petit angle de diffusion de neutrons (Sans) beamlines à l'Institut national des normes et de la technologie (NIST) Centre de recherche neutronique (NCNR). La géométrie Couette est usiné pour être transparent aux neutrons et fournit pour la mesure des propriétés électriques et les propriétés microstructurales d'un échantillon confiné entre les cylindres en titane tandis que l'échantillon subit une déformation arbitraire. La synchronisation de ces mesures est activé par l'utilisation d'un programme personnalisable qui surveille et contrôle l'exécution des protocoles expérimentaux prédéterminés. Décrit ici est un protocoleeffectuer un essai de balayage d'écoulement, où le taux de cisaillement est logarithmiquement un pas d'une valeur maximale à une valeur minimale de maintien à chaque étape pendant une période de temps spécifiée tandis que les mesures diélectriques dépendant de la fréquence sont effectués. Les résultats représentatifs sont présentés à partir d'un échantillon constitué d'un gel composé d'agrégats de noir de carbone dispersé dans du carbonate de propylène. Comme le gel est soumis à un cisaillement constant, le réseau noir de carbone est mécaniquement déformé, ce qui provoque une diminution de la conductivité initiale associée à la rupture des liaisons constituant le réseau du noir de carbone. Cependant, à taux de cisaillement plus élevés, la conductivité associée à la récupère l'apparition d'un épaississement de cisaillement. Dans l'ensemble, ces résultats démontrent l'utilité de la mesure simultanée des propriétés rhéo-électro-microstructure de ces suspensions à l'aide de la géométrie RheoSANS diélectrique.
Introduction
La mesure des propriétés macroscopiques sont souvent utilisés pour mieux comprendre la nature fondamentale des matériaux et des systèmes colloïdaux auto-assemblés, habituellement dans le but de développer la compréhension afin d'améliorer les performances de la formulation. En particulier, le domaine de la rhéologie, qui mesure la réponse dynamique d'un fluide à une contrainte appliquée ou déformation, fournit des informations précieuses sur le comportement colloïdal à la fois dans des conditions d'équilibre et aussi loin de l' équilibre, par exemple pendant le traitement 1 des tests rhéologiques des fluides industriels et de consommation, les gels et les verres peuvent également être utilisés pour mesurer des paramètres rhéologiques, tels que la viscosité, qui sont ciblés par les formulateurs. Alors que rhéologique est une sonde puissante des propriétés des matériaux, il est une mesure indirecte de l'information colloïdale au niveau microscopique, de sorte que notre compréhension du comportement colloïdal fondamentale peut être grandement améliorée en combinant les mesures rhéologiques avec ctechniques omplementary.
Une telle technique est orthogonale par spectroscopie d'impédance. La spectroscopie d'impédance est une sonde en vrac du comportement de relaxation diélectrique, qui mesure la réaction d'un matériau à un champ électrique oscillant appliqué. 2 Les résultats du spectre de l' impédance à partir des modes de relaxation électriques qui sont actives au sein du matériau , y compris le transport de charge et la polarisation. 3, 4 Ces mesures fournissent des preuves supplémentaires pour le comportement colloïdal en particulier lorsqu'il est combiné avec rhéologique. 5 Par conséquent, la combinaison de ces techniques est particulièrement pertinent lorsque palpage chargé des dispersions colloïdales, des protéines, des agents tensioactifs ioniques, les nanocomposites, et d' autres systèmes. 6, 7
Un intérêt fondamental dans les enquêtes sur le comportement colloïdal est la microstruc du matériau ture. La microstructure d'un fluide colloïdal est pensé pour coder toutes les informations nécessaires pour reconstituer à la fois son comportement rhéologique et électrique. Fondamentalement, nous cherchons à mesurer un aperçu des caractéristiques des microstructures nanométriques qui mènent à une réponse matérielle mesurée. En raison de la nature complexe de la dépendance de nombreux fluides complexes sur l' histoire de leur processus, une grande partie de l'effort sur la caractérisation des microstructures a mis l' accent sur faire des mesures in situ du matériau qu'il subit une déformation. Cela a contesté expérimentateurs de mettre au point des méthodes pour pouvoir effectuer des mesures de particules de taille nanométrique par exemple sous cisaillement stable, où ont fait la visualisation directe intrinsèquement difficile les vitesses des particules. Mesure directe de la microstructure du matériau sous écoulement a pris plusieurs formes allant de rheo-optique, rheo-microscopie et même rheo-RMN. 8, 9,ass = « xref »> 10 petit angle des méthodes de diffusion, et dans un petit angle particulier la diffusion de neutrons techniques (SANS), se sont avérées efficaces dans la mesure de la microstructure moyenne dans le temps des échantillons à l' état stable dans un domaine en vrac de cisaillement , y compris les trois plans de tondre. 11, 12, 13 Cependant, de nouvelles techniques d'acquisition des données ont permis de passage de structure pour capturer avec une résolution temporelle plus fine que 10 ms. 14 En effet rhéologique combinant avec diverses méthodes de diffusion in situ a été extrêmement précieux dans des centaines d'études récentes. 15
Un défi technique émergente est l'utilisation de suspensions colloïdales comme additifs conducteurs à des électrodes de batterie d'écoulement semi-solides. 16 Dans cette application, les particules colloïdales conductrices doivent maintenir un réseau électriquement percolée tandis que la pieial est pompé à travers une cellule d'écoulement électrochimique. Les exigences de performance de ces matériaux exigent qu'ils maintiennent une conductivité élevée sans effet néfaste sur la performance rhéologique sur une large gamme de taux de cisaillement. 17 Il est donc hautement souhaitable de pouvoir effectuer des mesures du comportement colloïdale dans des conditions de cisaillement stables et en fonction du temps afin de quantifier et de caractériser la réponse rhéologique et électrique sous – jacente de ces matériaux loin de leur état d'équilibre. Un facteur de complication important qui a entravé le développement théorique plus à cet égard est la nature thixotrope des boues noires de carbone. 18 Ces propriétés rhéologiques et électriques dépendant de l' histoire font des expériences notoirement difficiles à reproduire; ainsi, ce qui rend difficile la comparaison des ensembles de données mesurées en utilisant différents protocoles. De plus, à ce jour il n'y a pas une seule géométrie capable d'effectuer tous les trois, dielectric, rhéologique et caractérisations microstructurales, en même temps. La mesure simultanée est important que le flux peut changer la structure, de sorte que les mesures de repos des matières traitées ne peuvent pas fournir des indications précises des propriétés sous écoulement, qui sont plus pertinents pour leur utilisation. De plus, comme un grand nombre des propriétés mesurées de boues noires de carbone dépendent, il géométrie des complications avec la comparaison des données obtenues à partir d'un même échantillon sur des instruments différents. 19
Afin de relever ce défi en métrologie, nous avons mis au point une nouvelle géométrie de RheoSANS diélectrique au Centre NIST pour la recherche neutronique et l'Université du Delaware capable en spectroscopie d'impédance in situ, les mesures de rhéologie et SANS d'un matériau sous déformation arbitraire sur une souche commerciale rhéomètre contrôlé. Cela est rendu possible par le développement d'une géométrie capable de mesurer Couette la microstructurale, Electrical et la réponse rhéologique d'un matériau confiné entre la fente de deux cylindres concentriques. Comme le cylindre externe tourne, le couple imposé par la déformation de l'échantillon est mesurée sur le cylindre intérieur et la mesure d'impédance est réalisée radialement à travers l'espace. Les cylindres sont usinées à partir de titane de manière à être transparent aux neutrons et suffisamment robuste pour résister à la contrainte de cisaillement connu dans le rhéomètre. Nous effectuons la mesure par la position SANS radiale de la Couette, et ont démontré qu'il est possible de mesurer des modèles de haute qualité SANS de l'échantillon soumis à une déformation. De cette façon, les trois mesures sont effectuées sur la même région d'intérêt dans l'échantillon tel qu'il est soumis à un profil de déformation bien définie. Le but de cet article est de décrire la géométrie Couette diélectrique, sa mise en place sur l'instrument RheoSANS, et l'exécution réussie d'une mesure simultanée. Ce rhéomètre est disponible au Centre NIST pour NeutronLa recherche à l'Institut national des normes et de la technologie. Il a été conçu pour fonctionner sur la ligne de faisceau SANS NG-7. Nous avons fourni des dessins et une description détaillée des composants personnalisés qui ont été usinées et assemblées afin de permettre cette mesure.
Protocol
Representative Results
Discussion
Un diélectrique mesures expérimentales RheoSANS simultanément les responses rhéologiques, électriques et microstructurales d'un matériau tel qu'il subit une déformation prédéfinie. L'exemple présenté ici est une suspension de noir de carbone électriquement conducteur qui forme l'additif conducteur utilisé dans les cellules d'écoulement électrochimique. L'instrument RheoSANS diélectrique permet l'interrogation du plan radial de cisaillement dans une cellule de Couette étroit i…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs tiennent à remercier le Centre NIST pour le numéro accord de coopération Neutron Research CNS # 70NANB12H239 subvention pour le financement partiel au cours de cette période, ainsi que le Conseil national de recherches pour le soutien. Certains équipements commerciaux, instruments ou matériaux sont identifiés dans le présent document afin de préciser de manière adéquate la procédure expérimentale. Une telle identification ne vise pas à laisser entendre recommandation ou une approbation par l'Institut national des normes et de la technologie, et ne vise pas à laisser entendre que les matériaux ou équipements identifiés ne sont pas nécessairement les meilleurs disponibles à cet effet.
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 |
References
- Macosko, C. Rheology: Principles, Measurements and Applications. Powder Technology. 86 (3), (1996).
- Barsoukov, E., Macdonald, J. R. . Impedance Spectroscopy Theory, Experiment, and Applications. , (2010).
- Pelster, R., Simon, U. Nanodispersions of conducting particles: Preparation, microstructure and dielectric properties. Colloid Polym. Sci. 277 (1), 2-14 (1999).
- Hollingsworth, A. D., Saville, D. A. Dielectric spectroscopy and electrophoretic mobility measurements interpreted with the standard electrokinetic model. J. Colloid Interface Sci. 272 (1), 235-245 (2004).
- Mewis, J., Spaull, A. J. B. Rheology of concentrated dispersions. Adv. Colloid Interface Sci. 6 (3), 173-200 (1976).
- Mijović, J., Lee, H., Kenny, J., Mays, J. Dynamics in Polymer-Silicate Nanocomposites As Studied by Dielectric Relaxation Spectroscopy and Dynamic Mechanical Spectroscopy. Macromolecules. 39 (6), 2172-2182 (2006).
- Newbloom, G. M., Weigandt, K. M., Pozzo, D. C. Electrical, Mechanical, and Structural Characterization of Self-Assembly in Poly(3-hexylthiophene) Organogel Networks. Macromolecules. 45 (8), 3452-3462 (2012).
- Fowler, J. N., Kirkwood, J., Wagner, N. J. Rheology and microstructure of shear thickening fluid suspoemulsions. Appl. Rheol. 24 (4), 23049 (2014).
- Wagner, N. J. Rheo-optics. Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 3 (4), 391-400 (1998).
- Callaghan, P. T., et al. Rheo-NMR: nuclear magnetic resonance and the rheology of complex fluids. Reports Prog. Phys. 62 (4), 599-670 (1999).
- Gurnon, A. K., et al. Measuring Material Microstructure Under Flow Using 1-2 Plane Flow-Small Angle Neutron Scattering. J. Vis. Exp. (84), e51068 (2014).
- Calabrese, M. A., Rogers, S. A., Murphy, R. P., Wagner, N. J. The rheology and microstructure of branched micelles under shear. J. Rheol. 59 (5), 1299-1328 (2015).
- Helgeson, M. E., Vasquez, P. A., Kaler, E. W., Wagner, N. J. Rheology and spatially resolved structure of cetyltrimethylammonium bromide wormlike micelles through the shear banding transition. J. Rheol. 53 (3), 727 (2009).
- Calabrese, M. A., et al. An optimized protocol for the analysis of time-resolved elastic scattering experiments. Soft Matter. 12 (8), 2301-2308 (2016).
- Eberle, A. P. R., Porcar, L. Flow-SANS and Rheo-SANS applied to soft matter. Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 17 (1), 33-43 (2012).
- Campos, J. W., et al. Investigation of carbon materials for use as a flowable electrode in electrochemical flow capacitors. Electrochim. Acta. 98, 123-130 (2013).
- Duduta, M., et al. Semi-solid lithium rechargeable flow battery. Adv. Energy Mater. 1 (4), 511-516 (2011).
- Mewis, J., de Groot, L. M., Helsen, J. A. Dielectric Behaviour of Flowing Thixotropic Suspensions. Colloids Surf. 22, (1987).
- Richards, J. J., Wagner, N. J., Butler, P. D. A Strain-Controlled RheoSANS Instrument for the Measurement of the Microstructural, Electrical and Mechanical Properties of Soft Materials. Rev. Sci. Instr. , (2016).
- Youssry, M., et al. Non-aqueous carbon black suspensions for lithium-based redox flow batteries: rheology and simultaneous rheo-electrical behavior. Phys. Chem. Chem. Phys. PCCP. 15 (34), 14476-14486 (2013).
- Cho, B. -. K., Jain, A., Gruner, S. M., Wiesner, U. Mesophase structure-mechanical and ionic transport correlations in extended amphiphilic dendrons. Sci. 305 (5690), 1598-1601 (2004).
- Kiel, J. W., MacKay, M. E., Kirby, B. J., Maranville, B. B., Majkrzak, C. F. Phase-sensitive neutron reflectometry measurements applied in the study of photovoltaic films. J. Chem. Phys. 133 (7), 1-7 (2010).
- López-Barròn, C. R., Chen, R., Wagner, N. J., Beltramo, P. J. Self-Assembly of Pluronic F127 Diacrylate in Ethylammonium Nitrate: Structure, Rheology, and Ionic Conductivity before and after Photo-Cross-Linking. Macromolecules. 49 (14), 5179-5189 (2016).
