Dielektriske RheoSANS - Samtidig Spørre Impedans, Reologi og Small Angle Neutron Spredning av komplekse fluider

Summary

Her presenterer vi en fremgangsmåte for måling av impedans samtidig, reologi og nøytron-spredning fra myke materialer substans under skjær- strøm.

Abstract

En fremgangsmåte for drift av en ny dielektrisk RheoSANS instrument i stand til samtidig utspørring av de elektriske, mekaniske og mikro egenskaper av komplekse fluider er presentert. Instrumentet består av en Couette geometri inneholdt i en modifisert tvungen konveksjon ovn som er montert på en kommersiell reometer. Dette instrumentet er tilgjengelig for bruk på liten vinkel nøytronspredning (SANS) beamlines ved National Institute of Standards and Technology (NIST) Senter for Neutron forskning (NCNR). Den Couette geometri er maskinert for å være transparent for nøytroner og sørger for måling av de elektriske egenskaper og mikrostruktur egenskapene til en prøve avgrenset mellom titaniumsylinderne mens prøven gjennomgår vilkårlig deformasjon. Synkroniseringen av disse målingene er aktivert ved bruk av et passelig program som overvåker og styrer gjennomføringen av forhåndsbestemte eksperimentelle protokoller. Beskrevet her er en protokoll for åutføre en strømnings sveip eksperiment hvor skjærhastigheten logaritmiske trinn fra en maksimal verdi til en minimumsverdi som holder i hvert trinn for en bestemt tidsperiode, mens frekvensavhengige dielektriske målinger er gjort. Representative resultater er vist fra en prøve som består av en gel bestående av sotaggregater dispergert i propylenkarbonat. Som gelen gjennomgår en jevn skjærkraft, er den sot nettverk mekanisk deformert, noe som fører til en initial nedgang i ledningsevnen i forbindelse med bryting av bindinger som omfatter carbon black-nettverket. Men ved høyere skjærhastigheter, gjenoppretter ledningsevnen forbundet med utbrudd av skjær-fortykkelse. Samlet viser disse resultatene at nytten av den samtidige måling av den reo-elektro-mikrostruktur egenskapene til disse suspensjoner ved hjelp av dielektriske RheoSANS geometri.

Introduction

Måling av makroskopiske egenskaper blir ofte brukt for å få grunnleggende innsikt i naturen av kolloidale materialer og selv-sammensatte systemer, som regel med det mål å utvikle forståelse for å forbedre ytelsen formulering. Spesielt innen reologi, som måler en fluidum dynamiske respons på en påtrykt spenning eller deformasjon, gir verdifull innsikt i kolloidal oppførsel begge under likevektsbetingelser, og også langt fra likevekt, for eksempel under behandling av ¹ Reologiske tester av forbruker og industrielle væsker, geler, og glass kan også anvendes for å måle reologiske parametre, slik som viskositet, som er rettet av tilvirkere. Mens reologi er en kraftig sonde av materialegenskaper, er det en indirekte måling av kolloidalt informasjon på mikroskopisk nivå, slik at vår forståelse av fundamental kolloidal oppførsel kan bli betydelig forbedret ved å kombinere reologiske målinger med complementary teknikker.

En slik teknikk er ortogonale impedans-spektroskopi. Impedans-spektroskopi er en bulk sonde av dielektrisk avslapping oppførsel, som måler responsen av et materiale til en påsatte oscillerende elektrisk felt. ² Den impedans spektret Resultatene fra elektriske avspenningsmodi som er aktive i det material som herunder ladningstransport og polarisering. ^{3, 4} Disse målinger gir ytterligere bevis for kolloidal oppførsel særlig i kombinasjon med reologi. ⁵ Derfor er kombinasjonen av disse teknikkene særlig relevant når sonderings belastet kolloidale dispersjoner, proteiner, ioniske overflateaktive midler, nanokompositter, og andre systemer. ^{6, 7}

En grunnleggende interesse for undersøkelser av kolloidalt oppførsel er materialets microstruc ture. Mikrostrukturen av en kolloidal væske er antatt å kode for alle de opplysninger som er nødvendige for å rekonstruere både dens reologiske og elektriske oppførsel. Fundamentalt, søker vi å måle et øyeblikksbilde av nanoskala mikro funksjoner som fører til en målt materiale respons. På grunn av den kompliserte natur av mange komplekse fluider avhengighet av deres prosesshistorie, mye av innsatsen på mikrostruktur karakterisering har fokusert på å gjøre in situ målinger av materialet når det utsettes for deformering. Dette har utfordret experimentalists å utvikle metoder for å være i stand til å foreta målinger av nano-størrelse-partikler i henhold til for eksempel jevn skjærkraft, hvor hastighetene av partiklene har gjort direkte visualisering egen utfordrende. Direkte måling av materialmikrostruktur i henhold til strømnings har tatt mange former som strekker seg fra reo-optikk, reo-mikroskopi og til og med reo-NMR. ^{8, 9,}ass = "ekstern referanse"> 10 liten vinkel spredningsmetoder, og spesielt liten vinkel nøytronspredning (SANS) teknikker, har vist seg effektiv ved å måle den gjennomsnittlige tidsmikrostruktur av prøver ved stabil tilstand ved en masseskjærfelt, inkludert alle tre plan av klippe. ^{11, 12, 13.} Imidlertid har nye data innsamlingsteknikker tillatt konstruksjons transienter å være tatt med tidsoppløsning så fin som 10 ms. ¹⁴ Faktisk kombinere reologi med ulike in situ spredningsmetoder har vist seg uvurderlig i hundrevis av nyere studier. ¹⁵

En voksende teknisk utfordring er bruken av kolloidale suspensjoner som ledende additiver i halvfaste strømningsbatterielektroder. ¹⁶ I denne søknad, må ledende kolloidale partikler opprettholde et elektrisk percolated nettverk mens material pumpes gjennom en elektrokjemisk celle strømnings. Ytelseskravene for disse materialene krever at de opprettholder høy ledningsevne, uten skadelig virkning på reologisk ytelse over et bredt område av skjærhastigheter. ¹⁷ Det er derfor meget ønskelig å være i stand til å foreta målinger av den kolloidale oppførsel under konstante og tidsavhengige skjærkraftbetingelser for å kvantifisere og karakterisere underliggende reologiske og elektriske respons av disse materialer langt fra sin likevektstilstand. En betydelig kompliserende faktor som har hindret ytterligere teoretisk utvikling i denne forbindelse er den tiksotrope natur av carbon black oppslemminger. ¹⁸ Disse historie avhengig reologiske egenskaper og elektriske egenskaper gjør eksperimenter notorisk vanskelige å reprodusere; således, noe som gjør det vanskelig å sammenligne datasett som måles ved hjelp av forskjellige protokoller. Videre til dags dato er det ingen enkel geometri stand til å utføre alle tre, Dielectric, reologisk, og mikrostrukturen karakteriseringer, samtidig. Samtidig måling er viktig som strømmen kan endre strukturen, slik at resten målinger av bearbeidet materiale ikke kan tilveiebringe nøyaktige indikasjoner på de egenskaper under strømningen, som er mer relevant for deres anvendelse. I tillegg, som mange av de målte egenskapene til carbon black oppslemminger er geometrisk avhengig, det komplikasjoner med å sammenligne data som er oppnådd fra den samme prøven på forskjellige instrumenter. ¹⁹

For å møte denne utfordring i metrologi, har vi utviklet en ny dielektriske RheoSANS geometri ved NIST senter for Neutron Research and University of Delaware i stand til in situ impedans-spektroskopi, reologi- og SANS målinger av et materiale under vilkårlig deformasjon på en kommersiell stamme kontrollert rheometer. Dette muliggjøres ved å utvikle et Couette geometri i stand til å måle mikrostruktur omfatter den elektriskel og reologiske reaksjon av et materiale avgrenset mellom gapet mellom to konsentriske sylindere. Som den ytre sylinderen roterer, blir dreiemomentet pålagt av deformasjon av prøven målt på den indre sylinder og impedansen måling foretas radialt tvers over gapet. Sylindrene er maskinert fra titan slik at det er transparent for nøytroner og robust nok til å motstå den skjærspenning erfarne i reometeret. Vi utfører SANS målinger gjennom den radiale posisjon av Couette, og har vist at det er mulig å måle kvalitets SANS mønstre fra prøven gjennomgår deformasjon. På denne måten blir alle tre målinger utført på den samme region av interesse i prøven som det gjennomgår en godt definert deformasjon profil. Målet med denne artikkelen er å beskrive dielektrisk Couette geometri, installasjon på RheoSANS instrument, og en vellykket gjennomføring av en simultan måling. Dette rheometer er tilgjengelig på NIST Senter for NeutronForskning ved National Institute of Standards and Technology. Det har blitt konstruert for å arbeide på NG-7 SANS bjelke linje. Vi har gitt tegninger og en detaljert beskrivelse av de tilpassede komponenter som har blitt maskinert og montert for å muliggjøre denne målingen.

Protocol

1. Montering av Rheometer på SANS beamline MERK: Se figur 1 for definisjoner av navngitte komponenter. Sikrer at kraften til reometeret er slått av, transduseren er låst og motorluftlager beskytteren er installert. Slå av nøytron-bjelke, og lukk ovnsdøren. Sett på det store basisplaten på bordet, fjerner snute, installere vinduet, og feste de 4 maljer til monteringsbrakettene på reometeret kran adapter slik at kablene ikke floke og ikke er vridd…

Representative Results

Representative resultater fra et dielektrisk RheoSANS eksperiment er vist i figur 5 og 6. Disse data er tatt på en suspensjon av ledende sot i propylenkarbonat. Disse aggregater flokkulere grunn tiltrekkende samvirkninger ved forholdsvis lave faststoffbelastninger dannende geler som er elektrisk ledende. De reologiske og konduktivitets responser hos slike suspensjoner er et aktivt forskningsområde og undersøkelsene søke å forstå de mikro opprinnels…

Discussion

Et dielektrisk eksperiment tiltak RheoSANS samtidig de reologiske, elektriske og mikrostruktur responser hos et materiale som gjennomgår en forutbestemt deformasjon. Det viste eksempel er en elektrisk ledende sot suspensjon som danner den ledende tilsetningsstoff som brukes i elektrokjemiske celler strømnings. Den dielektriske RheoSANS instrument muliggjør utspørring av den radiale skjærplan innenfor en smal spalte Couette celle uten at nøyaktigheten av enten elektrisk eller reologisk måling. I tillegg gir geomet…

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