Диэлектрические RheoSANS - Одновременная Допрос импеданса, реология и малого угол рассеяния нейтронов сложных жидкостей
Summary
Здесь мы приводим процедуру для измерения импеданса, одновременной реологии и рассеяния нейтронов из мягких вещества материалов при сдвиговом потоке.
Abstract
Порядок работы нового диэлектрического RheoSANS инструмента, способного одновременного опрос электрических, механических и микроструктурных свойств сложных жидкостей представлен. Прибор состоит из геометрии Куэтты, содержащейся в модифицированной принудительной конвекционной печи, установленной на коммерческий реометре. Этот инструмент доступен для использования на малоугловом рассеянии нейтронов (SANS) beamlines в Национальном институте стандартов и технологии (NIST) центре нейтронных исследований (NCNR). Геометрии Куэтты механически обработаны, чтобы быть прозрачными для нейтронов и обеспечивают для измерения электрических свойств и микроструктурных свойств образца, заключенного между цилиндрами титана в то время как образец подвергается произвольной деформации. Синхронизация этих измерений обеспечиваются с помощью использования настраиваемой программы, которая отслеживает и контролирует выполнение заданных экспериментальных протоколов. Описанные здесь является протоколомвыполнить эксперимент развертки потока, где скорость сдвига логарифмический ступенчатая от максимального значения до минимального значения, держащего на каждый шаг в течение определенного периода времени, в то время как зависящие от частоты диэлектрических измерений. Типичные результаты показаны из образца, состоящий из геля, состоящий из агрегатов углеродной сажи, диспергированных в пропиленкарбонате. По мере того как гель претерпевает устойчивый сдвиг, сажа сеть механической деформации, что вызывает начальное снижение проводимости, связанное с разрывом связей, входящих в состав углеродной сажи сети. Тем не менее, при более высоких скоростях сдвига, проводимость восстанавливается, связанные с наступлением сдвига утолщения. В целом, эти результаты показывают полезность одновременного измерения РЕО-электро-микроструктурных свойств этих суспензий с использованием диэлектрической RheoSANS геометрии.
Introduction
Измерение макроскопических свойств часто используются, чтобы получить фундаментальное понимание природы коллоидных материалов и самоорганизующихся систем, как правило, с целью развития понимания, с тем чтобы повысить эффективность состава. В частности, поле реологии, который измеряет динамическую характеристику текучей среды , в к приложенному напряжению или деформации, обеспечивает ценную информацию коллоидного поведение как в равновесных условиях , а также далеко от равновесия, например, при обработке 1 Реологических испытаний потребительских и промышленных жидкостей, гели, и очки также могут быть использованы для измерения реологических параметров, такие как вязкость, которые ориентированы на рецептурах. В то время как реология представляет собой мощный зонд свойств материала, это косвенное измерение коллоидной информации на микроскопическом уровне, таким образом, что наше понимание фундаментального коллоидного поведения может быть значительно повышенно путем комбинирования реологических измерений с помощью Complementary методы.
Одним из таких ортогональны метод импедансной спектроскопии. Импеданс спектроскопия является объемным датчиком диэлектрической релаксации поведения, который измеряет отклик материала на приложенном осциллирующее электрическое поле. 2 Результаты спектра импеданса от электрических режимов релаксации, которые активны в материале , включающем перенос заряда и поляризации. 3, 4 Эти измерения обеспечивают дополнительные свидетельства для коллоидного поведения особенно в сочетании с реологии. 5 Таким образом, сочетание этих методов особенно актуально при зондировании заряженных коллоидных дисперсий, белки, ионные поверхностно -активные вещества, нанокомпозитов и других систем. 6, 7
Фундаментальная интерес к исследованиям коллоидного поведения microstruc материала р. Микроструктура коллоидной жидкости, как полагают, чтобы кодировать всю информацию, необходимую для восстановления как ее реологических и электрическое поведение. По сути, мы стремимся измерить снимок наноразмерных микроструктурных особенностей, которые приводят к измеренному реакции материала. Из – за сложного характера зависимости многих сложных флюидов на их истории процесса, большая часть усилий по микроструктурных характеристик была сосредоточена на создании измерений на месте материала , как он подвергается деформации. Это вызов экспериментаторов разработать методы, чтобы иметь возможность производить измерения наноразмерных частиц, например, при установившемся сдвиге, где скорости частиц сделали прямую визуализацию внутренне сложной. Непосредственное измерение микроструктуры материала в потоке принял на многих формах, начиная от РЕО-оптики, РЕО-микроскопии и даже Rheo-ЯМР. 8, 9,осел = «Xref»> 10 Малых методов угла рассеяния, и , в частности , малый углом рассеяния нейтронов (SANS) метода, доказал свою эффективность при измерении усредненных по времени микроструктуры образцов при стационарном состоянии в объемном поле сдвига в том числе всех три плоскостей сдвиг. 11, 12, 13 Однако, новые методы сбора данных позволили структурные переходные процессы, которые будут захвачены с временным разрешением , как тонкой , как 10 мс. 14 В самом деле сочетание реологических свойств с различными методами в рассеивающих на местах оказались неоценимыми в сотнях недавних исследований. 15
Становится инженерной задачей является использование коллоидных суспензий в качестве проводящих добавок в полутвердых поток электродов батарей. 16 В этом приложении, проводящие частицы коллоидного должны поддерживать электрически процеживают сеть в то время как матерIAL прокачивается через ячейку электрохимического потока. Требования производительности на этих материалов требуют, чтобы они сохраняют высокую проводимость без отрицательного воздействия на реологические свойства в широком диапазоне скоростей сдвига. 17 Поэтому весьма желательно , чтобы иметь возможность производить измерение коллоидного поведения в стационарных и нестационарных условиях сдвига для того , чтобы количественно оценить и охарактеризовать реологический , лежащий в основе и электрический отклик этих материалов далеки от их равновесного состояния. Существенный усложняя фактор, который препятствует дальнейшему теоретическое развитию в этом отношении является тиксотропным характером сажих шламов. 18 Этих зависимые истории реологические и электрические свойства делают эксперименты крайне трудно воспроизвести; таким образом, что затрудняет сравнение наборов данных, измеренных с использованием варьируемых протоколов. Кроме того, на сегодняшний день не существует единой геометрии способна выполнять все три, Dielectric, реологический, и микроструктурная характеризация одновременно. Одновременное измерение важно, так как поток может изменить структуру, таким образом, что измерения остальных обрабатываемых материалов не могут обеспечить точные показания свойств в потоке, которые являются более актуальными для их использования. Кроме того, так как многие из измеренных свойств углеродной сажи в суспензиях геометрия зависит, возникает осложнения при сравнении данных, полученных из того же образца на различных инструментах. 19
Для того , чтобы решить эту задачу в метрологии, мы разработали новую диэлектрические RheoSANS геометрию на NIST центр нейтронных исследований и Университета штата Делавэр , способного на месте импедансной спектроскопии в измерения реологии и SANS материала при произвольной деформации на коммерческой деформации контролируемый реометр. Это обеспечивается путем разработки геометрии Куэтты, способную измерять микроструктурный, Electricaл и реологический отклик материала, заключенного между зазором два концентрических цилиндров. При вращении внешнего цилиндра, крутящий момент, введенной деформации образца измеряют на внутреннем цилиндре и измерение импеданса выполнен в радиальном направлении через зазор. Цилиндры изготовлены из титана таким образом, чтобы быть прозрачными для нейтронов и достаточно прочными, чтобы выдерживать напряжение сдвига испытывал в реометре. Проводит измерение SANS через радиальное положение Куэтты, и показал, что можно измерить высокие качество SANS образцы из образца, подвергающейся деформацию. Таким образом, все три измерения выполнены на одной и той же области, представляющей интерес в образце, как он проходит четко определенный профиль деформации. Целью данной статьи является описание диэлектрической Куэтты геометрии, его установки на прибор RheoSANS и успешное выполнение одновременного измерения. Этот вискозиметр доступен в NIST Центре NeutronИсследования в Национальном институте стандартов и технологий. Он предназначен для работы на линии пучка NG-7 SANS. Мы предоставили чертежи и подробное описание пользовательских компонентов, которые были механической обработке и собранными, с тем чтобы это измерение.
Protocol
Representative Results
Discussion
Диэлектрические меры эксперимента RheoSANS одновременно реологические, электрические и микроструктурные ответы материала, как он подвергается предопределенные деформациям. Пример, показанный здесь, является электропроводящей сажи подвеска, которая образует проводящую добавку, исполь?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы хотели бы отметить NIST центр нейтронных исследований CNS кооперативного соглашение номер # 70NANB12H239 гранта на частичное финансирование в течение этого периода времени, а также Национальный научно-исследовательский совет по поддержке. Некоторое торговое оборудование, инструменты или материалы указаны в этой статье, чтобы уточнить методику эксперимента адекватно. Такая идентификация не подразумевает рекомендацию или одобрение со стороны Национального института стандартов и технологий, а также не подразумевает, что материалы или оборудование Идентифицированными обязательно лучше для этой цели.
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).
