誘電RheoSANS - インピーダンス、レオロジー及び複雑流体の小角中性子散乱の同時尋問
Summary
ここでは、せん断流動下ソフトマター材料からの同時インピーダンス、レオロジーおよび中性子散乱を測定するための手順を提示します。
Abstract
複合流体の電気的、機械的及び微細構造的特性の同時問い合わせが可能な新たな誘電RheoSANS器具の操作のための手順が提示されます。器具は、市販のレオメータに取り付けられ変性強制対流オーブン内に含まクエットジオメトリから構成されています。この装置は、小角中性子散乱（SANS）中性子研究のための国立標準技術研究所（NIST）センター（NCNR）のビームライン上での使用のために利用可能です。クエット形状は、中性子に対して透明であるように機械加工され、電気的特性及び試料は、任意の変形を受けながら、チタンシリンダとの間に閉じ込められたサンプルの微細構造特性の測定を提供します。これらの測定の同期が監視し、所定の実験プロトコルの実行を制御するカスタマイズプログラムを使用することによって有効になっています。ここでの説明はするプロトコルです周波数に依存する誘電測定が行われている間、せん断速度が対数的に指定された期間のための各ステップで保持最大値から最小値にステップされるフロースイープ実験を行ないます。代表的な結果は、プロピレンカーボネート中に分散されたカーボンブラック凝集体からなるゲルからなる試料から示されています。ゲルが定常剪断を受けるように、カーボンブラックのネットワークは、カーボンブラックネットワークを含む結合の破壊に関連した導電率の初期低下を引き起こす、機械的に変形します。しかし、より高いせん断速度で、導電率はずり肥厚の発症と関連する回復します。全体として、これらの結果は、誘電RheoSANSジオメトリを使用して、これらの懸濁液のRHEO電気微細構造特性の同時測定の有用性を実証します。
Introduction
巨視的特性の測定は、多くの場合、通常、製剤の性能を改善するために理解を開発する目的で、コロイド物質と自己組織化システムの性質に基本的な洞察を得るために使用されます。具体的には、加えられた応力または変形に対する流体の動的応答を測定レオロジーの分野は、平衡状態下でも遠く平衡からの両方のコロイド挙動に貴重な洞察を提供し、そのような消費者および工業用流体の1つのレオロジーテストを処理中として、ゲルおよびガラスはまた、配合者により標的とされる粘度などレオロジーパラメータを測定するために使用することができます。レオロジーは、材料特性の強力なプローブであるが、それは基本的なコロイド挙動の理解が大幅Cとレオロジー測定を組み合わせることによって向上させることができるように、顕微鏡レベルでコロイド情報の間接的な測定値でありますomplementary技術。
そのような直交技法は、インピーダンス分光法です。インピーダンス分光法は、印加する振動電場に対する材料の応答を測定する誘電緩和挙動のバルクプローブです。 2電荷輸送及び偏光を含む材料内に活性である電気緩和モードからインピーダンススペクトルの結果。 3、4これらの測定は、レオロジー組み合わせる特にコロイド動作のための追加の証拠を提供します。荷電コロイド分散体、タンパク質、イオン性界面活性剤、ナノ複合材料、及び他のシステムをプロービングするとき5したがって 、これらの技術の組み合わせが特に適切です。 6、7
コロイド状の挙動の調査の基本的な関心は、材料のmicrostrucですトゥーレ。コロイド状流体の微細構造は、そのレオロジー及び電気的挙動の両方を再構成するために必要なすべての情報を符号化すると考えられています。基本的に、我々は測定された材料の応答につながるナノスケールの微細構造の特徴のスナップショットを測定しようとしています。それらのプロセスの歴史上の多くの複雑な流体依存性の複雑な性質のために、微細構造特性上の努力の多くは、それが変形したような材料のその場での測定で作ることに焦点を当てています。これは、粒子の速度は、直接可視化が本質的に困難な作った例えば定常剪断下でナノサイズの粒子の測定を行うことができるようにする方法を考案する実験者に挑戦しています。流れの下で、材料の微細構造の直接測定は、RHEO-光学、RHEO-顕微鏡ともRHEO-NMR至るまで多くの形態をとっています。 8、9、尻=「外部参照」> 10の小角散乱方法、および特定の小角中性子散乱（SANS）技術では、全ての3つの平面を含むバルク剪断場に定常状態でのサンプルの時間平均微細構造を測定することでそれ自体が有効であることが証明されています剪断。 11、12、13は、しかしながら、新たなデータ収集技術は、構造過渡が10msほど細かい時間分解能で撮像することが可能となりました。 14は、実際にその場散乱法で様々なとレオロジーを組み合わせることにより、最近の研究の数百に貴重であることが証明されました。 15
新興の技術課題は、半固体フロー電池電極内の導電性添加剤としてのコロイド懸濁液を使用することです。本出願において16、導電性のコロイド粒子は、母校ながら電気的パーコレーションネットワークを維持しなければなりませんIALは、電気化学フローセルを通ってポンピングされます。これらの材料の性能要求は、彼らはせん断速度の広い範囲にわたってレオロジーパフォーマンスに悪影響を及ぼすことなく、高い導電率を維持することが必要です。 17はるかに彼らの平衡状態からのこれらの物質の基礎となるレオロジー特性および電気的応答を定量し、特徴付けるために安定した時間に依存する剪断条件下でコロイド挙動の測定を行うことができることが非常に望ましいです。この点で更なる理論的発展を妨げている重要複雑な要因は、カーボンブラックスラリーのチキソトロピー性質です。 18のこれらの歴史に依存するレオロジー特性及び電気的特性が再現する実験が難しいことで知ら作ります。したがって、それは困難な様々なプロトコルを使用して測定したデータセットを比較すること。さらに、これまでに3つのすべてを行うことが可能な単一のジオメトリ、dieleはありませんctric、レオロジー、および微細構造の特徴付け、同時に。フローは処理材料の残りの測定値は、それらの使用のために、より関連性の高い気流下特性の正確な表示を提供しないことができるように、構造を変更することができるように同時測定が重要です。カーボンブラックスラリーの測定された特性の多くは、幾何学的形状に依存しているように、さらに、別の機器で同じサンプルから得られたデータを比較すると合併症があります。 19
計測では、この課題に対応するために、我々は中性子研究NISTセンターとその場インピーダンス分光法での可能デラウェア大学の新しい誘電RheoSANSジオメトリを開発した、商用系統上の任意の変形の下で、材料のレオロジーとSANS測定制御レオメーター。これは、微細構造を測定することが可能なクエットジオメトリ、エレクトリカを開発することによって有効になっていますL及び二つの同心シリンダのギャップの間に閉じ込められた材料のレオロジー応答。外筒が回転するように、試料の変形によって課されるトルクが内筒に測定され、インピーダンス測定はギャップを横切って半径方向に形成されています。レオメーターで経験せん断応力に耐えるのに十分な中性子に対して透過的かつ堅牢になるようにシリンダはチタンから機械加工されています。我々は、クエットの半径方向の位置を介してSANS測定を行い、変形を受けて試料から高品質のSANSパターンを測定することが可能であることを実証しました。それは明確に定義された変形形状を受けるようにこのように、全ての3つの測定は、サンプル中の関心のある同じ領域上に形成されています。この記事の目的は、誘電体クエットジオメトリ、RheoSANS機器へのインストール、および同時測定の実行が成功を記述することです。このレオメーターは、中性子のためのNISTセンターで入手できますアメリカ国立標準技術研究所の研究。 NG-7 SANSビームライン上で動作するように設計されています。我々は、図面及びこの測定を可能にするために、機械加工及び組み立てられたカスタムコンポーネントの詳細な説明を提供しました。
Protocol
Representative Results
Discussion
同時に誘電RheoSANS実験措置が事前定義された変形を受けるような材料の、流動学的、電気的および微細構造応答。ここに示す例では、電気化学フローセルに用いられる導電性添加剤を形成する導電性カーボンブラックの懸濁液です。誘電RheoSANS器具は、いずれかの電気またはレオロジー測定の忠実度を損なうことなく、狭いギャップクエットセル内せん断の半径方向平面の問い合わせを可能に…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者は、この期間中に部分的に資金調達のための中性子研究CNS協力協定番号＃の70NANB12H239助成金だけでなく、支援のための国立研究評議会のためにNISTセンターを確認したいと思います。特定の業務用機器、楽器、または材料が十分に実験手順を指定するために、この論文で識別されます。このような識別は、アメリカ国立標準技術研究所による推薦または保証を意味するものではありません、またそれは、材料や識別装置が、その目的のために利用可能な最善であることを意味することを意図しています。
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
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