RheoSANS dieléctricas - La interrogación simultánea de impedancia, reología y ángulo pequeño dispersión de neutrones de Fluidos Complejos

Summary

A continuación, presentamos un procedimiento para la medición de la impedancia simultánea, la reología y la dispersión de neutrones a partir de materiales materia blanda bajo flujo de cizallamiento.

Abstract

Se presenta un procedimiento para el funcionamiento de un nuevo instrumento RheoSANS dieléctrico capaz de interrogación simultánea de las propiedades eléctricas, mecánicas y microestructurales de fluidos complejos. El instrumento consiste en una geometría Couette contenida dentro de un horno de convección forzada modificado montado en un reómetro comercial. Este instrumento está disponible para su uso en el pequeño ángulo de dispersión de neutrones (SANS) líneas de luz en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) Centro para la Investigación de Neutrones (NCNR). La geometría Couette está mecanizada para ser transparente a los neutrones y proporciona para la medición de las propiedades eléctricas y las propiedades microestructurales de una muestra confinada entre cilindros de titanio mientras que la muestra sufre una deformación arbitraria. La sincronización de estas mediciones se habilita mediante el uso de un programa adaptable que supervisa y controla la ejecución de los protocolos experimentales predeterminados. Aquí se describe un protocolo pararealizar un experimento de barrido de flujo, donde la velocidad de cizallamiento está escalonada logarítmicamente desde un valor máximo a un valor mínimo que sostiene en cada etapa por un período de tiempo especificado mientras que las mediciones dieléctricas dependientes de la frecuencia se realizan. Los resultados representativos se muestran a partir de una muestra que consiste en un gel compuesto de agregados de negro de carbono dispersadas en carbonato de propileno. A medida que el gel se somete a cizallamiento constante, la red de negro de carbón es deformado mecánicamente, lo que provoca una disminución inicial en la conductividad asociados con la ruptura de los enlaces que comprenden la red de negro de carbono. Sin embargo, a velocidades de cizallamiento más altas, la conductividad recupera asocia con el inicio de espesamiento de cizalla. En general, estos resultados demuestran la utilidad de la medición simultánea de las propiedades RHEO-electro-microestructural de estas suspensiones utilizando la geometría RheoSANS dieléctrico.

Introduction

Medición de las propiedades macroscópicas a menudo se utilizan para obtener conocimientos fundamentales sobre la naturaleza de los materiales coloidales y sistemas de auto-ensamblado, por lo general con el objetivo de desarrollar la comprensión con el fin de mejorar el rendimiento de la formulación. En particular, el campo de la reología, que mide la respuesta dinámica de un fluido a una tensión aplicada o la deformación, proporciona información valiosa sobre el comportamiento coloidal, tanto en condiciones de equilibrio y también lejos del equilibrio, tal como durante el procesamiento de ¹ pruebas reológicas de los fluidos industriales y de consumo, geles, y vasos también se pueden usar para medir los parámetros reológicos, tales como la viscosidad, que están dirigidos por los formuladores. Mientras que la reología es un potente sonda de propiedades del material, es una medida indirecta de la información coloidal a nivel microscópico, de manera que nuestra comprensión del comportamiento coloidal fundamental se puede mejorar en gran medida mediante la combinación de mediciones reológicas con ctécnicas omplementary.

Una de tales técnicas es ortogonal espectroscopia de impedancia. espectroscopía de impedancia es una sonda grueso de comportamiento de relajación dieléctrica, que mide la respuesta de un material a un campo eléctrico oscilante aplicado. ² Los resultados del espectro de impedancia a partir de modos de relajación eléctricos que están activos dentro del material, incluido el transporte de carga y la polarización. ^{3, 4} Estas mediciones proporcionan evidencia adicional para el comportamiento coloidal particularmente cuando se combina con la reología. ⁵ Por lo tanto, la combinación de estas técnicas es especialmente relevante cuando sondeo cargada dispersiones coloidales, proteínas, tensioactivos iónicos, nanocompuestos, y otros sistemas. ^{6, 7}

Un interés fundamental en las investigaciones de comportamiento coloidal es microstruc de la materia tura. La microestructura de un fluido coloidal se piensa para codificar toda la información necesaria para reconstituir tanto su reológico y comportamiento eléctrico. Fundamentalmente, se busca medir una instantánea de las características microestructurales a nanoescala que conducen a una respuesta del material medido. Debido a la naturaleza complicada de la dependencia de muchos fluidos complejos en su historia proceso, gran parte del esfuerzo en la caracterización microestructural se ha centrado en la fabricación de mediciones in situ de material a medida que se somete a deformación. Esto ha desafiado experimentadores para idear métodos para ser capaz de hacer mediciones de partículas de tamaño nanométrico bajo por ejemplo cizallamiento constante, donde las velocidades de las partículas han hecho visualización directa intrínsecamente difícil. La medición directa de la microestructura material bajo flujo ha tomado muchas formas que van desde RHEO-óptica, RHEO-microscopía e incluso RHEO-NMR. ^{8, 9,}culo = "xref"> 10 pequeños métodos ángulo de dispersión, y en particular la dispersión de ángulo pequeño de neutrones (SANS) técnicas, han demostrado ser eficaces en la medición de la microestructura promediada en el tiempo de las muestras en estado estacionario en un campo de cizallamiento mayor, incluyendo los tres planos de cortar. ^{11, 12, 13} transitorios estructurales Sin embargo, las nuevas técnicas de adquisición de datos han permitido a ser capturada con resolución de tiempo tan fino como de 10 ms. ¹⁴ De hecho la combinación de reología con varios en métodos de dispersión in situ ha demostrado un valor incalculable en cientos de estudios recientes. ¹⁵

Un reto de ingeniería emergente es el uso de suspensiones coloidales como aditivos conductores en electrodos de la batería de flujo semi-sólidos. ¹⁶ En esta aplicación, las partículas coloidales conductoras debe mantener una red eléctricamente percolado mientras que el material se bombea a través de una célula de flujo electroquímico. Las demandas de rendimiento de estos materiales requieren que mantienen una alta conductividad sin efecto perjudicial sobre el comportamiento reológico de un amplio intervalo de velocidades de cizallamiento. ¹⁷ Por tanto, es altamente deseable ser capaz de hacer mediciones del comportamiento coloidal en condiciones de cizallamiento constante y dependientes del tiempo con el fin de cuantificar y caracterizar la respuesta reológica y eléctrica subyacente de estos materiales lejos de su estado de equilibrio. Un factor que complica significativo que ha dificultado un mayor desarrollo teórico en este sentido es la naturaleza tixotrópica de suspensiones de negro de carbono. ¹⁸ Estas propiedades reológicas y eléctricas historia depende hacen experimentos notoriamente difíciles de reproducir; por lo tanto, por lo que es difícil comparar los conjuntos de datos medidos a través de protocolos diferentes. Además, hasta la fecha no hay ninguna geometría única capaz de realizar los tres, Dielectric, reológico, y caracterizaciones microestructurales, simultáneamente. Medición simultánea es importante ya que el flujo puede cambiar la estructura, de manera que las mediciones de descanso de los materiales procesados ​​pueden no proporcionar indicaciones precisas de las propiedades bajo flujo, que son más relevantes para su uso. Además, como muchas de las propiedades medidas de las suspensiones de negro de carbono son la geometría dependiente, hay complicaciones con la comparación de datos obtenidos a partir de la misma muestra en diferentes instrumentos. ¹⁹

Con el fin de cumplir con este desafío en materia de metrología, hemos desarrollado una nueva geometría RheoSANS dieléctricas en el Centro de NIST para la Investigación de Neutrones y la Universidad de Delaware capaz de hacer en espectroscopía de impedancia in situ, reología y SANS mediciones de un material de bajo deformación arbitraria en una variedad comercial reómetro controlado. Esto es posible mediante el desarrollo de una geometría Couette capaz de medir la microestructural, electrical y la respuesta reológico de un material confinado entre el hueco de dos cilindros concéntricos. A medida que el cilindro exterior gira, el par impuesto por la deformación de la muestra se mide en el cilindro interior y la medición de la impedancia se hace radialmente a través de la brecha. Los cilindros se mecanizan a partir de titanio de manera que sea transparente a los neutrones y lo suficientemente robusto para soportar el esfuerzo cortante con experiencia en el reómetro. Llevamos a cabo la medición SANS través de la posición radial de la Couette, y hemos demostrado que es posible medir los patrones de altas SANS calidad de la muestra de sufrir deformación. De esta manera, las tres mediciones se hacen en la misma región de interés en la muestra, ya que se somete a un perfil de deformación bien definida. El objetivo de este artículo es describir la geometría Couette dieléctrica, su instalación en el instrumento RheoSANS, y la ejecución exitosa de una medición simultánea. Este reómetro está disponible en el Centro de NIST para neutronesInvestigación en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología. Se ha diseñado para trabajar en la línea del haz NG-7 SANS. Hemos proporcionado dibujos y una descripción detallada de los componentes personalizados que han sido mecanizadas y ensambladas con el fin de permitir a esta medida.

Protocol

1. Montaje del reómetro sobre la SANS Beamline NOTA: Véase la Figura 1 para las definiciones de los componentes nombrados. Asegúrese de que la alimentación del reómetro está apagado, el transductor está bloqueado y se instala el protector de cojinete de aire del motor. Apagar el haz de neutrones, y cierre la puerta del horno. Instalar la placa base grande sobre la mesa, quitar el hocico, instale la ventana, y asegurar los 4 ojales a los soportes d…

Representative Results

Los resultados representativos de un experimento RheoSANS dieléctrica se muestran en la Figura 5 y 6. Estos datos se toman en una suspensión de negro de carbón conductor en carbonato de propileno. Estos agregados floculan debido a las interacciones atractivas en cargas relativamente bajas de sólidos que forman geles que están eléctricamente conductor. Las respuestas reológicas y conductividad de tales suspensiones son un área activa de investigac…

Discussion

Un dieléctrico medidas experimento RheoSANS simultáneamente las respuestas reológicas, eléctricas y microestructurales de un material a medida que se somete a una deformación predefinida. El ejemplo que se muestra aquí es una suspensión de negro de humo eléctricamente conductor que forma el aditivo conductor usado en celdas de flujo electroquímicos. El instrumento RheoSANS dieléctrico permite el interrogatorio del plano radial de cizallamiento dentro de una célula de Couette hueco estrecho sin comprometer la …

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