Mätning Material Mikro Under Flow Använda 1-2 Plane Flow-Small Angle Neutron Scattering

Summary

A shear cell är utvecklat för små vinklar neutronspridning mätningar i det hastighetskvadrerade hastighetsgradient planet för skjuvning och används för att karakterisera komplexa fluider. Rumsligt upplösta mätningar i hastighetsgradienten riktning är möjliga för att studera skjuvning-banding material. Tillämpningar innefattar undersökningar av kolloidala dispersioner, polymerlösningar, och själv monterade konstruktioner.

Abstract

En ny liten vinkel neutronspridning (SANS) provmiljö optimerad för att studera mikrostrukturen av komplexa fluider under enkla skjuvflöde presenteras. Den skjuvning cell SANS består av ett koncentriskt cylinder Couette-geometri som är förseglad och som roterar kring en horisontell axel, så att virvelbildning riktning strömningsfältet är inriktat med neutronstrålen möjliggör spridning från den 1-2 planet av skjuvning (hastighets hastighetsgradient , respektive). Detta tillvägagångssätt är ett framsteg jämfört med tidigare skjuvning cellprovs miljöer som det finns en stark kopplingen mellan bulk reologi och mikrostrukturella egenskaper vid 1-2 planet skjuvning. Flow-instabiliteter såsom skjuvning banding, kan också studeras genom att rumsligt upplösta mätningar. Detta åstadkommes i detta prov miljön genom att använda en smal öppning för neutronstrålen och scanning längs hastighetsgradient riktning. Tidsupplöst experiment, såsom flödesnystartade företag och stora amplitud oscillerande honar flöde är också möjligt genom synkronisering av skjuvning rörelse och tidsupplöst detektering av spridda neutroner. Representativa resultat med hjälp av de metoder som beskrivs här visar användbar natur spatial upplösning för att mäta mikrostrukturen av en ormlika micellösning som uppvisar skjuvning banding, ett fenomen som endast kan undersökas genom att lösa strukturen längs hastighetsgradienten riktning. Slutligen är möjliga förbättringar av den nuvarande utformningen diskuteras tillsammans med förslag på kompletterande experiment som motivation för framtida experiment på ett stort antal komplexa vätskor i olika skjuv rörelser.

Introduction

Att utveckla en vetenskaplig förståelse av ett naturligt fenomen kräver exakta och precisa mätningar. Metrology är också grunden för lyckad konstruktion och design av nya processer och material. Reologi är läran om deformation och flödet av materia. Reologi är central i vår förmåga att bearbeta en mängd olika material och används också av produkt formulerare att rikta specifika materialegenskaper. Typiska exempel på den förstnämnda innefattar gjutning polymerer eller bildar kompositer, medan den senare omfattar utveckling av vardagliga konsumentprodukter som färger, schampo, och livsmedel. Oavsett om viskositeten hos en smälta polymeren styrs så att det kan vara effektivt formsprutas eller viskoelasticiteten av ett schampo ändras så att det har rätt konsistens för konsumenten, är de reologiska egenskaperna regleras genom att ändra sammansättningen av det material ^1. Reologin av material och produkter är också beroende av than strukturera i flytande tillstånd och denna struktur varierar från mikroskala till nanonivå. Vidare förändrar denna struktur med de bearbetningsparametrar, såsom flödeshastighet och tid för flöde, som utmanar rheologists att mäta strukturen under flödet. Det är denna utmaning som är uppfyllt, delvis av den nya instrumenteringen som beskrivs i den här artikeln.

Nya tekniker som kan sondera mikrostrukturen av mjuka material under skjuvning flöde kan dra mjukt material produktionsutveckling och bearbetning skick optimering. Många spännande och långvariga problem för tillämpningen av mjuka material i en mängd olika branscher och inom grundläggande vetenskap innebär ovanliga flytegenskaper, såsom skjuvning förtjockning i kolloidala suspensioner ^2, skjuvning och vorticity streck i maskartade miceller ^3, och heterogeniteter inneboende i flödet av kolloidala geler ^4-6. Rheologists ständigt utmanas att belysa microstructural ursprunget av olinjäriteter i de reologiska svaren och ibland till och med i hastighetsområdet skjuvning viskoelastiska material. Denna utmaning kräver samtidiga förvärv av mikrostrukturen som en funktion av både den rumsliga läge i strömningsfältet och de tidsberoende beteende, vilket har visat sig vara en formidabel uppgift för experimental.

Mindre vinkel neutronspridning (SANS) är särskilt väl lämpad för mätning av den struktur av komplexa fluider som det kan sondera material som är opakt för ljus. Även selektiv deuterering kan användas för att ge kontrast mellan komponenter som kan förekomma liknande under X-ray scattering ^7. Dessutom neutroner har en fördel framför röntgenstrålning eftersom det inte finns några strålskador av biologiska eller andra mjuk materia prover. I försöken som visas här, är kalla neutroner som genereras av en reaktor eller en spallationskälla koUimeras och belyst på ett prov. Den spridningsintensiteten yields information om strukturen av materialet på längden skalor från atom till hundratals nanometer (och med extremt liten vinkel neutronspridning upp till tiotals mikrometer), men i form av en Fouriertransform av den verkliga rymdstrukturen. Därför kan tolkning av data vara utmanande och innebär en invers transform eller jämförelse med mikrostrukturella modeller eller simuleringar. Mer om SANS instrumentering, experiment, och kontrast matchning kan hittas på tutorials publiceras på webbplatsen för Centrum för Neutron vetenskap, www.cns.che.udel.edu.

Här beskriver vi en cell skjuvning avsedd att förlänga SANS metoden för att undersöka material i flödet. En färsk översikt av den allmänna metodik och instrumentering, samt en betydande litteraturgenomgång av de senaste program finns i referens ⁸ och de citerade referenserna däri. Ett bekvämt och nästan idealisk miljö för att undersöka vätske struktur under skjuvning flöde medSANS är ett smalt gap Couette-geometri, även känd som koncentriska cylindrar ^9. Denna geometri tillämpar en enkel (dvs. laminärt) skjuvflöde till provet samtidigt som en tillräckligt stor fri volym för den infall neutronstrålen. Tillämpningen av flödes bryter symmetrin av mikrostrukturen, som sådan en fullständig karakterisering av materialets mikrostruktur enligt enkel skjuvflöde kräver mikrostrukturella mätningar i alla tre plan av skjuvning. Två plan av skjuvning kan undersökas med hjälp Couette-geometri den standardmässiga konfigurationen (figur 1a): neutronstrålen är konfigurerad för att röra sig längs hastighetsgradient riktning och sondera hastighetskvadrerade vorticitet (1-3)-plan av skjuvning ("radial"-konfiguration) alternativt strålen kollimeras av en tunn slits och inriktade parallellt med flödesriktningen, vari sondera hastighetsgradient av vorticitet (2-3)-planet ("tangentiell"-konfiguration). Detta instrument är tillgängligt commercially och har nyligen dokumenterats för att undersöka komplexa vätskor under skjuvning ^10. Den tidigare nämnda översyn beskriver dess användning och att av relaterade enheter för struktur-fastighetsbestämning inom ett brett spektrum av material och tillämpningar ^8. Time-resolved experiment, såsom oscillerande skjuv flöden har också rapporterats ^{11, 12.}

Ofta är den mest intressanta och viktigaste plan flödet är det hastighetskvadrerade hastighetsgradient (1-2)-planet (figur 1b) men det är också den svåraste att undersöka eftersom det kräver speciell instrumentering. En anpassad skjuvning cellen har utformats för att möjliggöra direkt undersökning av den hastighet med hastighets gradient (1-2)-plan av SANS sådan att neutronstrålen färdas parallellt med virvelbildning axel skjuvning ^13-16. Mätningar i 1-2 plan flödet är avgörande för att få en kvantitativ förståelse för viskositets skjuvning eftersom de elucidåt orienteringen av strukturen i förhållande till strömningsriktningen ^{15, 17, 18.} Detta är viktigt för material såsom polymerer, self-assembled tensider, kolloider, och andra komplexa fluider. Dessutom är det möjligt att undersöka materialens mikrostruktur som en funktion av positionen över gapet i gradienten riktning skjuvflöde. Med tillägg av rumslig upplösning tillhandahåller metoden ett medel för att studera material som uppvisar mikrostrukturella förändringar längs gradienten riktning skjuvning. Ett exempel för vilka undersöker ändringar i mikrostrukturen och sammansättningen längs gradienten flödesriktningen är skjuv-banding. Shear banding är ett fenomen som orsakas av en koppling mellan mikrostruktur och flödesriktning som resulterar i en inhomogen flödesfält ^13. I den här artikeln beskriver vi instrumentet, dess sammansättning och flödes SANS mätteknik som genomförts vid NIST Centrum för Neutron Research (NCNR) vid National Institute of Standards and Technology (NIST) i Gaithersburg, MD. Detta prov miljö är resultatet av ett samarbete mellan University of Delaware, NIST och Institut Laue-Langevin (ILL), och har framgångsrikt genomförts på både ILL och NIST. För tillämpningen av denna artikel, där SANS specifika delar av protokollet är berörda, är den teknik som beskrivs som genomförts vid NIST. Dock bör ändra dessa instrument specifika detaljer vara enkel och den övergripande tekniken kan implementeras på alla SANS instrument för jämnt flöde (avsnitt 5.1). Dessutom kan vågar utrustade med tidsupplösta SANS kapacitet även utföra oscillerande skjuvflöde-SANS experimenten (avsnitt 5.2). Tekniska ritningar av skjuvning cellkomponenter tillhandahålls som figurerna 12-23.

Protocol

Figur 2 visar en monterad skjuvning cell fäst vid bottenplatta, som är monterad på kopplingsdäcket på provet miljö scenen och inriktad i neutronstrålen till SANS experiment. Stegmotorn, växellåda och remdrift, slit motorstadiet, skjuvning cell och riktning neutronstrålen märks i figur 2. Det nuvarande protokollet ger anvisningar för montering av cell skjuvning (avsnitt 1), montering av cell skjuvning på provmiljön stadiet (avsnitt 2), kalibrering av geometrin för en SANS …

Representative Results

Representativa resultat av en lyckad flödes SANS experiment ges i fig. 9, 10 och 11. Dessa exempel kommer från undersökningar som gjorts på en ormlika micellösning (WLM) (Tabell 1) kända för att uppvisa skjuvning banding under vissa villkor för skjuvning. En fullständig diskussion av vetenskapliga rön finns i referenserna 15-17. Figur 10 representerar resultatet av ett spridningsmönster som erhållits under skjuvning fl…

Discussion

Ett nytt instrument som kan mäta mikrostrukturen för klippning komplexa vätskor i hastigheten-hastighetsgradienten plan skjuvning via liten vinkel neutronspridning utvecklas och valideras. Den skjuvning cell design kompletterar andra instrument som använder strålningskällor, till exempel röntgen-och ljusspridning, liksom rheo-SANS instrument som kan karakterisera mikrostrukturen i de två andra plan av skjuvning (velocity-virvelbildning och hastighetsgradient-vorticity) ^{8 , 10.} Detta instrument fungera…

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)