Måling Materiale Mikrostruktur Under Flow Brug 1-2 Plane Flow-Small Angle neutronspredning

Summary

En forskydning celle er udviklet til små-vinkel neutronspredning målinger hastigheden-hastighedsgradient plan forskydning og til at karakterisere komplekse væsker. Det er muligt for at studere shear-banding materialer Stedligt målinger i hastighedsgradienten retning. Applikationerne omfatter undersøgelser af kolloide dispersioner, polymer løsninger og selvstændige samlet konstruktioner.

Abstract

En ny små-vinkel neutronspredning (SANS) prøve miljø optimeret til at studere mikrostrukturen af ​​væsker under simple shear flow præsenteres. SANS shear celle består af en koncentrisk cylinder Couette geometri, som er forseglet, og roterer omkring en vandret akse, således at hvirveldannelse strømretningen feltet flugter med neutronstrålen muliggør spredning fra 1-2 plan forskydning (velocity-hastighedsgradient , henholdsvis). Denne fremgangsmåde er et fremskridt i forhold til tidligere forskydning celleprøve miljøer, da der er en stærk kobling mellem hovedparten rheologi og mikrostrukturelle træk i 1-2 plan forskydning. Flow-ustabilitet, såsom shear banding, også kan studeres ved stedligt målinger. Dette opnås i denne prøve miljø ved hjælp af en smal åbning til neutronstrålen og scanning langs hastighedsgradienten retning. Tidsopløst eksperimenter, såsom flow nystartede virksomheder og stor amplitude oscillerende hunar flow er også mulig ved synkronisering af forskydning bevægelse og tidsopløst påvisning af spredte neutroner. Repræsentative resultater med de metoder, der er skitseret her demonstrere nyttige karakter af rumlig opløsning til måling af et en wormlike micelleopløsning, der udviser forskydning banding et fænomen, der kun kan undersøges ved at løse strukturen langs hastighedsgradienten retning. Endelig potentielle forbedringer til den nuværende udformning drøftes sammen med forslag til supplerende eksperimenter som motivation for fremtidige eksperimenter på en bred vifte af komplekse væsker i en bred vifte af shear bevægelser.

Introduction

Udvikling af en videnskabelig forståelse af et naturligt fænomen kræver nøjagtige og præcise målinger. Metrologi er også grundlaget for en vellykket teknik og design af nye processer og materialer. Rheology er videnskaben om deformation og flow af sagen. Rheologi er central i vores evne til at behandle en bred vifte af materialer og bruges også af produkt middelproducenter at målrette specifikke materialeegenskaber. Typiske eksempler på førstnævnte er støbning polymerer eller danner kompositter, mens sidstnævnte omfatter udvikling af dagligvarer såsom maling, shampoo og fødevarer. Uanset om viskositeten af et smeltet polymer styres således, at det kan være effektivt sprøjtestøbes eller viskoelasticitet en shampoo er ændret, så det har den rette konsistens til forbrugeren, og de ​​rheologiske egenskaber kontrolleres ved at ændre formuleringen af materiale ^1.. Rheologien af ​​materialer og produkter afhænger også af than struktur i flydende tilstand, og denne struktur spænder fra mikroskala til nanoskala. Desuden ændrer denne struktur med procesparametre, såsom flow og tidspunkt for flow, der udfordrer rheologists at måle strukturen i flow. Det er denne udfordring, der er opfyldt, dels ved romanen instrumentering beskrevet i denne artikel.

Nye teknikker, der kan sondering mikrostrukturen af ​​bløde materialer under shear flow kan gavne blødt materiale produktudvikling og forarbejdning tilstand optimering. Mange spændende og langvarige udfordringer for anvendelsen af bløde materialer i en række forskellige brancher og i grundlæggende videnskab involverer usædvanlig flow adfærd, såsom shear fortykkelse i kolloide suspensioner ^2, forskydning og vorticity banding i ormeagtige miceller ^3, og heterogeneities der ligger i strømmen af kolloide geler ^4-6. Rheologists konstant udfordret til at belyse microstructural oprindelsen af ​​lineariteterne i de rheologiske svarene og nogle gange endda inden for klipning viskoelastiske materialer hastighed. Denne udfordring kræver samtidige erhvervelse af mikrostruktur som en funktion af både den rumlige placering i strømmen felt og den tid afhængige adfærd, som har vist en formidabel opgave for eksperimentalister.

Lille vinkel neutronspredning (SANS) er særlig velegnet til måling af strukturen af ​​væsker, da det kan sonde materialer, som er uigennemtrængelige for lys. Også selektiv deuteration kan bruges til at give kontrast mellem komponenter, der kan ligne under røntgenspredning ^7. Endvidere neutroner har en fordel i forhold til røntgenstråler, da der ikke er nogen stråleskader af biologiske eller andre bløde stof prøver. I forsøgene er illustreret her, er kolde neutroner genereret af en reaktor eller en Spallation Source kollimeret og belyst efter en prøve. Spredningen intensitet yields information om strukturen af ​​materialet på længden skaleres fra den atomare til hundreder nanometer (og med ultra-lille vinkel neutronspredning op til snesevis af mikron), men i den form af en Fouriertransformation af det virkelige rum struktur. Derfor kan fortolkning af data være udfordrende og indebærer en invers transformation eller sammenligning til mikrostrukturelle modeller eller simuleringer. Mere om SANS instrumentering, eksperimenter og kontrast matching kan findes på tutorials bogført på webstedet for Center for Neutron Videnskab, www.cns.che.udel.edu.

Her beskriver vi en forskydning celle til formål at udvide SANS metode til at undersøge materialer under flow. En nyere oversigt over den generelle metode og instrumentering, samt en væsentlig litteratur gennemgang af de seneste programmer kan findes i reference ⁸ og de ​​citerede referencer deri. En bekvem og næsten ideelle miljø til at undersøge flydende struktur under shear flow medSANS er et snævert gab Couette geometri, også kendt som koncentriske cylindre ^9. Denne geometri anvender en enkel (dvs. laminar) forskydningsstrømningen til prøven og samtidig opretholde en tilstrækkelig uhindret volumen for hændelsen neutron stråle. Anvendelsen af ​​strøm bryder symmetrien i mikrostrukturen, som sådan en fuldstændig karakterisering af materialet mikrostruktur under simpel forskydningsstrømningen kræver mikrostrukturelle målinger i alle tre planer forskydning. To fly af forskydning kan undersøges ved hjælp af standard Couette geometri konfiguration (figur 1a): neutronstrålen er konfigureret til at rejse langs hastighedsgradienten retning og sonde hastigheden-vorticity (1-3) plan forskydning ("radial"-konfiguration) alternativt, er strålen kollimeret af en tynd spalte og rettes ind parallelt med strømningsretningen, hvorved sondering hastighedsgradienten-vorticity (2-3) plan ("tangential"-konfiguration). Dette instrument er tilgængelig commercially og er for nylig blevet dokumenteret for behandlingen af komplekse væsker under forskydning ^10. Den førnævnte gennemgang beskriver sin brug og til relaterede enheder for struktur-ejendom beslutsomhed tværs af en bred vifte af materialer og applikationer ^8. Tidsopløste eksperimenter, såsom oscillerende shear flow er også blevet rapporteret ^{11, 12.}

Ofte de mest interessante og vigtigste plan strømning er hastigheden-hastighedsgradient (1-2) plan (figur 1b), men det er også den mest vanskelige at undersøge, da det kræver specielle instrumenter. En brugerdefineret shear celle er blevet designet til at give direkte undersøgelse af hastigheden-hastighedsgradient (1-2) planet ved SANS sådan at neutronstrålen rejser parallelt med hvirveldynamik akse forskydning ^13-16. Målinger i 1-2 plan flow er afgørende for at få en kvantitativ forståelse for forskydningsviskositet fordi de elucidspiste orienteringen af strukturen i forhold til strømningsretningen ^{15, 17, 18.} Dette er vigtigt for materialer, såsom polymerer, selvsamlede overfladeaktive stoffer, kolloider, og andre komplekse væsker. Desuden er det muligt at undersøge materialernes mikrostruktur som en funktion af positionen over spalten i gradienten retning forskydningsstrømningen. Med tilføjelsen af ​​rumlig opløsning, metoden giver et middel til at studere materialer, der udviser mikrostrukturelle ændringer langs gradient retning af forskydning. Et eksempel, som undersøger ændringer i mikrostruktur og sammensætning langs gradienten er strømningsretningen shear-banding. Shear banding er et fænomen forårsaget af en kobling mellem mikrostruktur og strømretning, der resulterer i en inhomogen strømning felt ^13. I denne artikel beskriver vi instrumentet, dets samling og strømmen-SANS måleteknik som gennemføres på NIST Center for Neutron Research (NCNR) på National Institute of Standards and Technology (NIST) i Gaithersburg, MD. Denne prøve miljø er resultatet af et samarbejde mellem University of Delaware, NIST og Institut Laue-Langevin (ILL), og er blevet gennemført med succes på både syge og NIST. I forbindelse med denne artikel, hvor SANS bestemte dele af protokollen er bekymrede, er teknikken beskrevet som gennemføres på NIST. Imidlertid bør ændre sådanne instrumentspecifikke detaljer være ligetil, og den samlede teknik kan gennemføres på en hvilken som helst SANS instrument for lind strøm (afsnit 5.1). Desuden kan instrumenter med tidsopløste SANS kapaciteter også udføre oscillerende shear flow-SANS eksperimenter (afsnit 5.2). Tekniske tegninger af shear cellekomponenter leveres som figur 12-23.

Protocol

Figur 2 viser en samlet forskydning celle fastgjort til bundpladen, som er monteret på breadboard på prøven miljø scenen og justeres i neutronstrålen til SANS eksperiment. Stepmotoren, gearkasse og remtræk, slids motor scene, shear celle og retning neutronstrålen mærkes i figur 2.. Den nuværende protokol giver anvisninger for montering af shear celle (afsnit 1), montering af shear celle på scenen prøve miljø (afsnit 2), kalibrering af geometri for en SANS eksperiment (afsnit…

Representative Results

Repræsentative resultater af en vellykket gennemstrømningshastighed SANS eksperiment er angivet i figur 9, 10 og 11.. Disse eksempler er fra undersøgelser foretaget på en wormlike micelleopløsning (WLM) (tabel 1) kendt for at udstille shear banding under visse betingelser i forskydning. En fuldstændig diskussion af de videnskabelige resultater kan findes i referencerne 15-17. Figur 10 repræsenterer resultater af en sprednin…

Discussion

Et nyt instrument, der kan måle mikrostruktur klipning komplekse væsker i hastigheden-hastighedsgradient plan forskydning via lille vinkel neutronspredning er udviklet og valideret. Shear celle design supplerer andre instrumenter ved at bruge strålingskilder, såsom røntgen og lysspredning samt RHEO-SANS instrumenter, der kan karakterisere mikrostrukturen i de to andre fly af shear (velocity-hvirvelstyrke og hastighedsgradient-vorticity) ^{8 10.} Denne instrumentets funktioner til både stationære forskydni…

Materials

Deuterated Water (99.9%)	Cambridge Isotopes	7789-20-0	83.3 wt % in formulation D2O
CTAB- Cetyl Trimethyl Ammonium Bromide	Sigma-Aldrich	57-09-0	16.7 wt % in formulation CH3(CH2)15N(Br)(CH3)3
1/16" Allen wrench
3/16" Allen wrench
3/8" open end wrench
tape
thread seal tape
syringes (2)