Misurare Materiale microstruttura Under flusso Utilizzo di 1-2 aereo Flow-Small Angle Neutron Scattering

Summary

Una cella a taglio è sviluppato per piccoli angoli misure di scattering di neutroni nel gradiente piano velocità-velocità di taglio ed è utilizzato per caratterizzare fluidi complessi. Misure risolta spazialmente nella direzione del gradiente di velocità sono possibili per lo studio dei materiali shear-banding. Le applicazioni includono ricerche di dispersioni colloidali, soluzioni polimeriche e strutture auto-assemblate.

Abstract

Un ambiente nuovo campione di scattering di neutroni a basso angolo (SANS) ottimizzato per studiare la microstruttura dei fluidi complessi inferiore a semplice flusso di taglio è presentato. La cella shear SANS costituito da un cilindro geometria Couette concentrica che viene sigillato e girevole attorno ad un asse orizzontale in modo che la direzione vorticità del campo di moto è allineato con il fascio di neutroni consentendo dispersione dal piano 1-2 di taglio (velocità-gradiente di velocità rispettivamente). Questo approccio è un progresso rispetto ambienti campione cellulare shear precedenti in quanto vi è un forte accoppiamento tra la reologia rinfusa e caratteristiche microstrutturali nel piano di taglio 1-2. Flow-instabilità, come shear banding, può anche essere studiato da misure spazialmente risolte. Ciò si ottiene in questo ambiente campione utilizzando una stretta apertura per il fascio di neutroni e la scansione lungo la direzione del gradiente di velocità. Tempo di esperimenti risolti, come il flusso di start-up e grande ampiezza oscillatoria leiflusso di Ar sono possibili anche dalla sincronizzazione del moto di taglio e la rilevazione risolta nel tempo di neutroni sparse. Risultati rappresentativi utilizzando i metodi descritti qui dimostrano la natura utile di risoluzione spaziale per la misurazione della microstruttura di una soluzione micellare wormlike che presenta bande di taglio, un fenomeno che può essere studiata solo risolvendo la struttura lungo la direzione del gradiente di velocità. Infine, i potenziali miglioramenti al disegno corrente vengono discusse insieme con suggerimenti per esperimenti supplementari come motivazione per futuri esperimenti su una vasta gamma di fluidi complessi in una varietà di movimenti di taglio.

Introduction

Sviluppare una comprensione scientifica di un fenomeno naturale richiede misurazioni accurate e precise. Metrologia è anche la base di ingegneria di successo e progettazione di nuovi processi e materiali. Reologia è la scienza della deformazione e flusso di materia. Reologia è centrale nella nostra capacità di trattare un'ampia varietà di materiali e viene utilizzato anche da formulatori di prodotti di indirizzare specifiche proprietà del materiale. Tipici esempi del primo tipo sono i polimeri per stampaggio o materiali compositi che costituiscono, mentre il secondo comprende lo sviluppo di prodotti di consumo quotidiano come vernici, shampoo e prodotti alimentari. Se la viscosità di un polimero fuso è controllato in modo che possa essere effettivamente stampato ad iniezione o la viscoelasticità di uno shampoo viene modificata in modo che abbia la giusta consistenza per il consumatore, le proprietà reologiche sono controllati modificando la formulazione del materiale ^1. La reologia dei materiali e prodotti dipende anche tha strutturare allo stato fluido e questa struttura spazia dalla microscala alla nanoscala. Inoltre, questa struttura cambia con i parametri di processo, quali portata e tempo di flusso, che sfida rheologists per misurare la struttura durante il flusso. È questa la sfida che si incontra, in parte, dalla nuova strumentazione descritto in questo articolo.

Nuove tecniche in grado di sondare la microstruttura di materiali morbidi sotto flusso di taglio possono beneficiare morbido ingegneria di prodotto condizione materiale e lavorazione di ottimizzazione. Molte sfide intriganti e di lunga data per l'applicazione di materiali morbidi in una varietà di industrie e nella scienza fondamentale coinvolgere comportamento del flusso insolito, come ad esempio taglio ispessimento in sospensioni colloidali ^2, taglio e vorticità bande in micelle wormlike ^3, ed eterogeneità inerenti alla flusso di gel colloidali ^4-6. Rheologists sono costantemente chiamati a chiarire la microstruorigini ctural delle nonlinearità nelle risposte reologiche e talvolta anche nel campo di velocità di taglio materiali viscoelastici. Questa sfida richiede acquisizione simultanea della microstruttura in funzione sia della posizione spaziale nel campo di flusso e il tempo comportamenti dipendenti, che si è dimostrato un compito arduo per sperimentali.

Piccolo angolo di scattering di neutroni (SANS) è particolarmente adatto per la misurazione della struttura di fluidi complessi come può sondare materiali che sono opachi alla luce. Inoltre deuterizzazione selettiva può essere utilizzato per fornire contrasto tra componenti che possono sembrare simili sotto raggi X di scattering ^7. Inoltre, i neutroni hanno un vantaggio rispetto ai raggi X in quanto non vi è alcun danno da radiazione dei campioni soft-materia biologici o di altro. Negli esperimenti qui illustrati, neutroni freddi generati da un reattore o una fonte di spallazione sono collimati e illuminate su un campione. L'intensità yi dispersioneelds informazioni sulla struttura del materiale su scale di lunghezza dalla atomico a centinaia di nanometri (e con ultra-piccolo angolo di scattering di neutroni fino a decine di micron), ma nella forma di una trasformata di Fourier della struttura spazio reale. Pertanto, l'interpretazione dei dati può essere difficile e comporta una trasformazione inversa o rispetto ai modelli microstrutturali o simulazioni. Più su SANS strumentazione, esperimenti, e la corrispondenza di contrasto può essere trovato su i tutorial pubblicati sul sito web del Centro per Neutron Science, www.cns.che.udel.edu.

Qui si descrive una cella di taglio progettato per estendere il metodo SANS di esaminare i materiali in condizioni di flusso. Una recente rassegna della metodologia generale e strumentazione, così come una revisione della letteratura sostanziale delle applicazioni recenti può essere trovato in riferimento ⁸ ei riferimenti ivi citata. Un ambiente comodo e quasi ideale per sondare la struttura fluido in flusso di taglio conSANS è una stretta geometria gap Couette, noto anche come cilindri concentrici ^9. Questa geometria applica una semplice (cioè laminare) flusso di taglio al campione, pur mantenendo un volume ostruita sufficiente per il fascio di neutroni incidente. L'applicazione del flusso rompe la simmetria della microstruttura, come tale caratterizzazione completa della microstruttura di un materiale in semplice flusso di taglio richiede misurazioni microstrutturali nei tre piani di taglio. Due piani di taglio possono essere studiati utilizzando la configurazione geometria Couette standard (Figura 1a): il fascio di neutroni è configurato per spostarsi lungo la direzione del gradiente di velocità e sondare la velocità-vorticità (1-3) piano di taglio (configurazione "radiale") , in alternativa, il fascio viene collimato da una fenditura sottile e allineati parallelamente alla direzione di flusso, sondando così il gradiente di velocità-vorticità (2-3) aereo (configurazione "tangenziale"). Questo strumento è disponibile commercially ed è stato recentemente documentato per l'esame di fluidi complessi in taglio ^10. La revisione descrive l'uso e che di relativi dispositivi per la determinazione della struttura-proprietà in una vasta gamma di materiali e applicazioni ^8. Esperimenti risolte nel tempo, come per i flussi di taglio oscillatori sono stati riportati anche ^{11, 12.}

Spesso l'aereo più interessante e più importante di flusso è il gradiente di velocità-velocità (1-2) aereo (Figura 1b), ma è anche il più difficile da indagare quanto richiede strumenti speciali. Una cellula taglio personalizzato è stato progettato per consentire indagine diretta del gradiente di velocità-velocità (1-2) aereo da SANS tale che il fascio di neutroni muove parallelamente all'asse vorticità di taglio ^13-16. Misurazioni all'interno del piano di flusso 1-2 sono fondamentali per ottenere una comprensione quantitativa per la viscosità di taglio perché elucidmangiato l'orientamento della struttura rispetto alla direzione di flusso ^{15, 17, 18.} Questo è importante per materiali come polimeri, tensioattivi auto-assemblati, colloidi, e altri fluidi complessi. Inoltre, è possibile indagare microstruttura dei materiali 'in funzione della posizione di tutti i gap nella direzione del gradiente di flusso di taglio. Con l'aggiunta di risoluzione spaziale, il metodo fornisce un mezzo per studiare materiali che presentano variazioni microstrutturali lungo la direzione del gradiente di taglio. Un esempio per cui eventuali modificazioni della microstruttura e composizione lungo la direzione del gradiente di flusso è shear-bande. Shear bendaggio è un fenomeno causato da un accoppiamento tra la microstruttura e la direzione del flusso che si traduce in un campo di flusso disomogeneo ^13. In questo articolo, descriviamo lo strumento, il suo montaggio e la tecnica di misurazione del flusso-SANS come attuata presso il Centro NIST per Neutron Research (NCNR) presso il National Institute of Standards and Technology (NIST) in Gaithersburg, MD. Questo ambiente campione è il risultato di una collaborazione tra l'Università di Delaware, NIST e l'Institut Laue-Langevin (ILL), ed è stato attuato con successo sia a ILL e NIST. Ai fini del presente articolo, in cui le SANS parti specifiche del protocollo sono interessati, la tecnica è descritta come attuata al NIST. Tuttavia, modificando i dettagli specifici strumenti deve essere semplice e la tecnica generale può essere implementata su qualsiasi strumento SANS per il flusso costante (paragrafo 5.1). Inoltre, strumenti dotati di capacità di SANS risolte nel tempo possono anche eseguire oscillatori taglio esperimenti di flusso SANS (sezione 5.2). Disegni tecnici dei componenti cellulari taglio sono forniti come figure 12-23.

Protocol

La Figura 2 mostra una cella di taglio assemblata collegato alla piastra, che è montato per la basetta sulla scena ambiente campione e allineato nel fascio di neutroni per un esperimento SANS. Il motore passo-passo, riduttore e trasmissione a cinghia, spacco fase motore, cellula taglio e la direzione del fascio di neutroni sono etichettati in Figura 2. Il presente protocollo fornisce indicazioni per il montaggio della cella di taglio (sezione 1), montare la cella di taglio sul palco am…

Representative Results

Risultati rappresentativi di un esperimento flusso SANS successo sono riportati nelle figure 9, 10 e 11. Questi esempi sono da indagini effettuate su una soluzione wormlike micella (WLM) (Tabella 1), noto per esibire bande di taglio durante certe condizioni di taglio. Una discussione completa delle scoperte scientifiche in cui si trovano i riferimenti 15-17. Figura 10 rappresenta i risultati di un modello di dispe…

Discussion

Un nuovo strumento in grado di misurare la microstruttura di tosatura fluidi complessi nel gradiente piano velocità-velocità di taglio con piccolo angolo di scattering di neutroni è sviluppato e convalidato. Il design delle cellule taglio integra altri strumenti che utilizzano fonti di radiazioni, come X-ray e diffusione della luce, così come strumenti rheo-SANS in grado di caratterizzare la microstruttura negli altri due piani di taglio (velocità-vorticità e il gradiente di velocità-vorticità) ^{8 , 10.</sup…}

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)