RheoSANS dielétricas - Interrogation simultânea de impedância, Reologia e pequeno ângulo de espalhamento de nêutrons de Fluidos Complexos

Summary

Aqui, nós apresentamos um processo para a medição da impedância simultânea, a reologia e a dispersão de neutrões a partir de materiais de matéria moles sob fluxo de cisalhamento.

Abstract

Um procedimento para o funcionamento de um novo instrumento RheoSANS dieléctrico capaz de interrogação simultânea das propriedades eléctricas, mecânicas e microestruturais dos fluidos complexos é apresentado. O aparelho é composto de uma geometria Couette contido dentro de um forno de convecção forçada modificado montado num reómetro comercial. Este instrumento está disponível para uso no pequeno ângulo de espalhamento de nêutrons (SANS) linhas de luz no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) Centro para Pesquisa de Nêutrons (NCNR). A geometria Couette é maquinada para ser transparente aos neutrões e proporciona para a medição das propriedades eléctricas e as propriedades microestruturais de uma amostra confinada entre os cilindros de titânio, enquanto a amostra sofre deformação arbitrária. Sincronização destas medições é activada através da utilização de um programa personalizado que monitoriza e controla a execução de protocolos experimentais predeterminados. Aqui descrito é um protocolo pararealizar uma experiência de varrimento de fluxo, onde a taxa de cisalhamento é logaritmicamente em degraus a partir de um valor máximo para um valor mínimo de manutenção a cada passo, durante um período especificado de tempo, enquanto as medições dieléctricas dependentes de frequência são feitas. Os resultados representativos são apresentados a partir de uma amostra que consiste de um gel composto de agregados de negro de carbono disperso em carbonato de propileno. Como o gel é submetido a cisalhamento constante, a rede de negro de fumo é mecanicamente deformado, o que provoca uma diminuição inicial na condutividade associada com a quebra de ligações que constituem a rede de negro de fumo. No entanto, a velocidades de corte mais elevadas, a condutividade recupera associado com o aparecimento de espessamento cisalhamento. No geral, estes resultados demonstram a utilidade da medição simultânea das propriedades electro-reo-microestrutural destas suspensões utilizando a geometria RheoSANS dieléctrico.

Introduction

Medição de propriedades macroscópicas são muitas vezes utilizados para obter insights fundamentais sobre a natureza dos materiais coloidais e sistemas auto-organizados, geralmente com o objetivo de desenvolver a compreensão, a fim de melhorar o desempenho formulação. Em particular, o campo de reologia, que mede a resposta dinâmica do fluido para uma tensão aplicada ou deformação, fornece informações valiosas sobre o comportamento coloidal, tanto sob condições de equilíbrio e também longe do equilíbrio, tal como durante o processamento ¹ testes reológicos de fluidos industriais e de consumo, géis, e vidros também podem ser utilizados para medir os parâmetros reológicas, tais como a viscosidade, que são alvo de formuladores. Enquanto reologia é uma sonda poderoso das propriedades do material, é uma medição indirecta da informação coloidal no nível microscópico, de tal modo que a nossa compreensão do comportamento coloidal fundamental pode ser grandemente aumentada através da combinação de medições reológicas com ctécnicas omplementary.

Uma dessas técnicas é ortogonal espectroscopia de impedância. espectroscopia de impedância é uma sonda de grandes quantidades de comportamento de relaxamento dieléctrico, que mede a resposta de um material a um campo eléctrico oscilante aplicado. ² Os resultados do espectro de impedância de modos de relaxamento eléctricos que são activas no interior do material, incluindo o transporte de carga e de polarização. ^{3, 4} Essas medições fornecem uma evidência adicional para o comportamento coloidal particularmente quando combinada com reologia. ⁵ Por conseguinte, a combinação destas técnicas é especialmente relevante quando sondagem carregada dispersões coloidais, proteínas, agentes tensioactivos iónicos, nanocompósitos, e outros sistemas. ^{6, 7}

Um interesse fundamental nas investigações de comportamento coloidal é microstruc do material de ture. A microestrutura de um fluido coloidal é pensado para codificar todas as informações necessárias para reconstituir a sua ambos reológico e comportamento eléctrico. Fundamentalmente, buscamos medir um instantâneo das características microestruturais em nanoescala que levam a uma resposta de material medido. Devido à natureza complexa da dependência de muitos fluidos complexos na sua história do processo, a maior parte do esforço da caracterização microestrutural tenha focado em fazer medições in situ do material à medida que sofre deformação. Isto tem desafiado os experimentalistas para conceber métodos para ser capaz de fazer medições de partículas nanométricas por exemplo sob cisalhamento constante, onde as velocidades das partículas fez visualização directa intrinsecamente desafiador. A medição directa da microestrutura do material sob fluxo tem assumido muitas formas que vão desde rheo-óptica, reo-microscopia e mesmo reo-RMN. ^{8, 9,}burro = "refex"> 10 métodos ângulo de dispersão de pequeno porte, nomeadamente o espalhamento de ângulo de neutrões (SANS) técnicas, provaram-se eficazes na medição da microestrutura média em tempo das amostras no estado estacionário em um campo de cisalhamento incluindo todos os três planos do cisalhamento. ^{11, 12, 13} transientes estruturais No entanto, novas técnicas de aquisição de dados permitiram a ser capturadas com resolução de tempo tão fino como 10 ms. ¹⁴ Com efeito combinando reologia com diferentes em métodos de dispersão in situ provou inestimável em centenas de estudos recentes. ¹⁵

Um desafio de engenharia emergente é a utilização de suspensões coloidais como aditivos condutores em eléctrodos de bateria de fluxo semi-sólidos. ¹⁶ Nesta aplicação, partículas coloidais condutoras deve manter uma rede electricamente percolada enquanto o material é bombeada através de uma célula de fluxo electroquimica. As exigências de desempenho sobre estes materiais exigem que eles manter a alta condutividade sem efeito prejudicial sobre o desempenho reológico sobre uma vasta gama de velocidades de corte. ¹⁷ Por conseguinte, é altamente desejável ser capaz de fazer medições do comportamento coloidal sob condições de cisalhamento constante e dependentes do tempo, a fim de quantificar e caracterizar a resposta subjacente reológico e eléctrica destes materiais longe do seu estado de equilíbrio. Um fator complicador significativo que tem dificultado ainda mais o desenvolvimento teórico a este respeito é a natureza tixotrópica de lamas de negro de fumo. ¹⁸ Estes dependente de história propriedades reológicas e elétricos fazer experimentos notoriamente difíceis de reproduzir; Assim, o que torna difícil comparar os conjuntos de dados medidos usando protocolos diferentes. Além disso, até à data não há nenhuma geometria única capaz de executar todos os três, Dielectric, reológico, e caracterizações microestruturais, simultaneamente. A medição simultânea é importante que o fluxo pode alterar a estrutura, de tal modo que as medições de repouso de materiais processados ​​não podem fornecer indicações precisas sobre as propriedades sob fluxo, que são mais relevantes para a sua utilização. Além disso, como muitas das propriedades medidas de lamas de negro de fumo são a geometria dependente, existem complicações com a comparação dos dados obtidos a partir da mesma amostra em instrumentos diferentes. ¹⁹

A fim de enfrentar este desafio em metrologia, desenvolvemos uma nova geometria RheoSANS dielétricos no centro do NIST para Pesquisa de Nêutrons e da Universidade de Delaware capaz de em espectroscopia de impedância situ, reologia e SANS medições de um material sob deformação arbitrária em uma linhagem comercial reómetro controlada. Isso é ativado através do desenvolvimento de uma geometria Couette capaz de medir a microestrutural, electrical e resposta reológicas de um material confinado entre a diferença de dois cilindros concêntricos. À medida que o cilindro exterior gira, o torque imposta pela deformação da amostra é medido no cilindro interior e a medição da impedância é feita radialmente através da abertura. Os cilindros são maquinados a partir de titânio de modo a ser transparente aos neutrões e suficientemente robusta para suportar a tensão de cisalhamento experimentado no reómetro. Nós realizar a medição SANS através da posição radial do Couette, e demonstraram que é possível medir elevados padrões de qualidade SANS da amostra sofrer deformação. Desta forma, todas as três medições são feitas sobre a mesma região de interesse na amostra, uma vez que sofre um perfil de deformação bem definida. O objetivo deste artigo é descrever a geometria dielétrica Couette, sua instalação no instrumento RheoSANS, e a execução bem sucedida de uma medição simultânea. Este rheometer está disponível no centro do NIST para NeutronPesquisa do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia. Ele foi projetado para trabalhar no SANS linha de luz NG-7. Temos desde desenhos e uma descrição detalhada dos componentes personalizados que foram usinadas e montados de modo a permitir esta medida.

Protocol

1. Montagem do Reómetro para o SANS Beamline Nota: Consulte a Figura 1 para definições de componentes nomeados. Assegure-se que a energia para o reómetro é desligado, o transdutor está bloqueada e o protector de rolamento de ar do motor está instalado. Desligue o feixe de nêutrons, e feche a porta do forno. Instalar a placa de base grande sobre a mesa, remover o focinho, instalar a janela, e para fixar as 4 ilhós para os suportes de montagem no …

Representative Results

Os resultados representativos de uma experiência RheoSANS dielétrica são mostrados na Figura 5 e 6. Estes dados são tomados em uma suspensão de negro de fumo condutor, em carbonato de propileno. Estes agregados devido às interacções flocular atraentes a cargas relativamente baixas de sólidos que formam geles que são electricamente condutores. As respostas reológicas e de condutividade de tais suspensões são uma área ativa de pesquisa e inve…

Discussion

Um dieléctrico medidas experimentais RheoSANS simultaneamente as respostas reológicas, eléctricos e microestruturais de um material, uma vez que sofre uma deformação pré-definido. O exemplo aqui mostrado é uma suspensão de negro de fumo electricamente condutor que constitui o aditivo condutor utilizado em células de fluxo electroquímicos. O instrumento RheoSANS dieléctrico permite a interrogação do plano radial de corte dentro de uma célula de Couette estreito intervalo sem comprometer a fidelidade da medi…

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