Summary
여기서는 전단 유동하 부드러운 물질 재료에서 동시에 임피던스 레올 중성자 산란을 측정하는 방법을 제시한다.
Abstract
복합 유체의 전기적, 기계적 특성과 미세 구조를 동시에 질문 할 수있는 새로운 유전체 RheoSANS 기기의 동작을위한 방법이 제시된다. 장비는 상업 레오 미터에 장착 된 수정 된 강제 대류 오븐 내에 포함 된 쿠 에트 형상으로 구성되어 있습니다. 이 기기는 작은 각도 중성자 산란 (SANS) 중성자 연구를위한 국립 표준 기술 연구소 (NIST) 센터 (NCNR)에서 빔라인에서 사용할 수 있습니다. 쿠 에트 형상 중성자 투명하게 가공하고 전기적 특성 시료는 임의의 변형을 겪는 동안 티탄 실린더 사이에 한정된 미세 시료의 특성의 측정을 제공한다. 이러한 측정의 동기화를 모니터링하고, 소정의 실험 프로토콜의 실행을 제어하는 맞춤형 프로그램의 사용을 통하여 활성화한다. 여기에 설명하는 프로토콜에있다주파수 의존형 유전 측정이 수행되는 동안 전단 속도가 대수적으로 일정 기간 동안 각 단계에서 유지하는 최소값에 대한 최대 값으로부터 강화 된 흐름 스윕 실험을 수행한다. 대표적인 결과는 프로필렌 카보네이트에 분산 된 카본 블랙 응집체로 이루어진 겔 이루어진 샘플과 같다. 겔 안정된 전단력이 일어나, 카본 블랙 네트워크는 카본 블랙을 포함하는 네트워크를 결합 파괴와 관련된 초기 전도도의 감소를 야기하는 기계적으로 변형된다. 그러나, 높은 전단 속도로, 전도성이 전단 농화의 발병과 관련된 복구합니다. 전반적으로, 이러한 결과는 유전체 RheoSANS 형상을 이용하여 상기 현탁액의 rheo-미세 전기 특성을 동시에 측정의 유용성을 입증한다.
Introduction
거시적 특성의 측정은 종종 일반적으로 배합 성능을 개선하기 위해 이해를 개발하는 것을 목표로, 콜로이드 소재 및 자기 조립 시스템의 성격에 근본적인 통찰력을 얻을하는 데 사용됩니다. 특히,인가되는 응력 또는 변형 유체의 동적 응답을 측정 레올의 분야는, 예컨대 소비자 및 산업 유체 1 개 유변학 테스트 처리 동안과 같은 평형 조건 하에서도까지 평형에서 모두 콜로이드 동작에 대한 통찰력을 제공한다 겔, 안경은 배합 대상이되는 점도와 같은 유동 학적 파라미터를 측정하는데 사용될 수있다. 레올 로지 특성은 물질의 강력한 프로브 인 반면, 미세한 수준의 콜로이드 정보의 간접 측정 인 콜로이드 같은 기본적인 동작을 이해 크게 C의 유변학 적 측정을 결합하여 개선 될 수 있음omplementary 기술.
하나 개는 이러한 직교 기술은 임피던스 분광이다. 임피던스 분광은 진동인가 전계에 대한 물질의 응답을 측정하는 유전 완화 거동 벌크 프로브이다. 2 전하 수송 및 편광을 포함하는 물질 내의 전기 활성 휴식 모드에서 임피던스 스펙트럼 결과. 3, 4, 이러한 측정은 유동성과 함께 특히 콜로이드 동작에 대한 추가 증거를 제공합니다. 콜로이드 분산액, 단백질, 이온 성 계면 활성제, 나노 복합 재료 및 기타 시스템을 충전 할 때 탐침 (5) 따라서, 이들 기술의 조합이 특히 적합하다. 6,7
콜로이드 행동의 연구에 기본적인 관심은 재료의 microstruc입니다 사실. 콜로이드 유체의 미세 구조의 유변학 적 및 전기 행동 모두를 재구성하는 데 필요한 모든 정보를 인코딩하는 생각된다. 기본적으로, 우리는 측정 물질의 반응으로 이어질 나노 크기의 미세 기능의 스냅 샷을 측정하기 위해 노력한다. 때문에 자신의 프로세스 역사에 대한 많은 복잡한 유체 의존도의 복잡한 특성으로 미세 특성에 노력의 대부분은 변형이 일어나 재료의 현장 측정에서 만들기에 초점을 맞추고있다. 이는 입자의 속도는 직접적인 시각화 본질적 도전 만들었다 예 정상 전단위한 하에서 나노 크기의 입자의 측정을 할 수있는 방법을 고안 experimentalists 도전했다. 기류 하에서 미세 물질을 직접 측정 rheo-광학 현미경 rheo-심지어 rheo-NMR에 이르기까지 다양한 형태를 취해왔다. 8, 9,엉덩이 = "외부 참조"> 10 소각 산란 방법, 특히 소각 중성자 산란 (SANS) 기술에서는의 세면을 포함하는 벌크 전단 영역에서 정상 상태에서의 샘플 시간 평균 미세 측정에 스스로 효과 입증 전단. 11, 12, 13 단, 새로운 데이터 수집 기술을 허용 한 구조 과도 10 밀리 초만큼 미세한 시간 해상도로 캡처한다. 현장 산란 방법에서 다양한 14 참으로 결합 레올 로지는 최근 연구의 수백에 귀중한 입증되었습니다. (15)
신흥 엔지니어링 도전 반고체 흐름 전지 전극에 도전성 첨가제 등의 콜로이드 현탁액의 사용이다. 본 출원에서 16 도전성 콜로이드 입자는 교인 동안 전기적 여과 된 네트워크를 유지해야IAL이 전기 유동 셀을 통하여 펌핑된다. 이 자료에 대한 성능 요구 사항은 전단 속도의 넓은 범위의 유변학 적 성능에 나쁜 영향없이 높은 전도성을 유지해야합니다. 17 정량화까지 자신의 평형 상태에서이 물질의 기본 유변학 및 전기 응답 특성을하기 위해 꾸준하고 시간에 따른 전단 조건에서 콜로이드 행동의 측정을 할 수 있어야하는 것이 매우 바람직하다. 이 점에서 더 이론적 발전을 방해 한 중요한 복잡한 요소는 카본 블랙 슬러리의 요 변성 특성이다. (18 개)이 역사에 의존 유변학 적 및 전기적 특성이 재현 실험이 어렵기로 악명이 만들어; 따라서 어려운 다양한 프로토콜을 사용하여 측정 데이터 세트를 비교 할 수있다. 또한, 지금까지 세 가지를 모두 수행 할 수있는 단일 구조는 diele 없다동시에 ctric, 유동성 및 미세 특성화. 플로우 처리 재료의 나머지 측정의 사용에 더 적합하다 유동하 특성의 정확한 표시를 제공 할 수 있도록, 구성을 변경할 수있는 동시 측정이 중요하다. 카본 블랙 슬러리의 측정 된 특성들의 많은 형상으로 의존 또한, 다른 기기에 동일한 샘플로부터 얻어진 데이터를 비교 합병증이있다. (19)
계측에서이 과제를 해결하기 위해, 우리는 중성자 연구를위한 NIST 센터 및 현장 임피던스 분광에서 할 수있는 델라웨어 대학의 새로운 유전체 RheoSANS 형상을 개발, 상용 변형에 임의의 변형에 따라 재료의 유동성 및 SANS 측정 제어 레오 미터. 이것은 미세, ELECTRICA을 측정 할 수있는 쿠 에트 형상을 개발하여 사용 가능(L)와 두 개의 동심 실린더의 간극 사이에 한정된 물질의 유변학 응답. 외통이 회전으로, 샘플의 변형에 의해 부과 된 토크는 내부 실린더를 측정하고, 임피던스 측정은 갭을 가로 질러 반경 방향으로 이루어진다. 중성자에 투명하고 레오 미터에 경험이 전단 응력에 견딜 수있을만큼 견고하도록 실린더는 티타늄 가공된다. 우리는 쿠 에트의 반경 위치 통해 SANS 측정을 수행하고, 변형을받은 샘플에서 고품질 SANS 패턴을 측정 할 수 있음을 증명 하였다. 이 잘 정의 된 변형 프로파일을 겪는 이러한 방식으로, 모든 세 개의 측정 시료에서 동일한 관심 영역에 제조된다. 이 문서의 목적은 유전체 쿠 에트 형상의 RheoSANS 악기 위에의 설치 및 동시 측정의 성공적인 실행을 설명하는 것입니다. 이 레오 미터는 중성자를위한 NIST 센터에서 확인할 수있다국립 표준 기술 연구소의 연구. NG-7 SANS의 빔 라인에서 작동하도록 설계되었습니다. 우리는 도면 및 가공이 측정을 가능하게하기 위해 조립 된 사용자 지정 구성 요소에 대한 자세한 설명을 제공하고 있습니다.
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Protocol
1. SANS 빔라인에 레오 미터를 장착
참고 : 명명 된 구성 요소의 정의는 그림 1을 참조하십시오.
- 레오 미터의 전원이 꺼져있는 트랜스 듀서가 고정되고 모터 공기 베어링 프로텍터가 설치되어 있는지 확인. 중성자 빔을 끄고 오븐 문을 닫습니다.
- , 주둥이를 제거, 테이블에 큰베이스 플레이트를 설치 창을 설치하고 케이블이 복잡하게 얽힌하지 않고 트위스트되지 않도록 레오 미터의 크레인 어댑터에 장착 브래킷에 4 개 개의 작은 구멍을 고정합니다.
- 크레인을 사용하여, 레오 미터를 들어 올려 엉킴을 최소화하기 위해 케이블을 안내하는주의하면서 바깥쪽으로 향하도록 레오 미터의 LCD 화면과 테이블의 중앙에 휴식 레오 메타 테이블에서 기동.
- SANS의 제어 소프트웨어를 사용하여 최소 Z 위치로 테이블을 보낼 수 있습니다.
- 레오 '크레인 어댑터를 제거하고 CR을 사용하여 플랫폼에서 멀리 들어메탄을.
2. 유전체 셀 조립
참고 : 명명 된 구성 요소의 정의는 그림 2를 참조하십시오.
- 레오 미터의 전원이 꺼져있는 트랜스 듀서가 고정되고 모터 공기 베어링 프로텍터가 설치되어 있는지 확인. 사용하기 전에 몇 가지 탈 이온수 린스 다음에 세제 용액을 사용하여 유전체 컵과 밥 어셈블리를 청소하고 완전히 건조 할 수 있습니다.
- 오븐 문을 열어 변환기의 잠금을 해제하고 모터 베어링 잠금 장치를 제거합니다. 레오 미터의 상하의 공구 마운트 상에 유전체 구조와 유전 밥 실장 어셈블리. 2 맹 알렌 렌치를 사용하여 유전체 구조에 모두 고정 나사를 풀고 유전체 구조에 장착 될 수 있도록 상기 유전체 컵 조립체를 배치했다.
- 레오 미터 제어 소프트웨어를 사용하여, 샘플 형상 메뉴에서 간극을 제로 및 축력 드롭 다운 메뉴를 사용하여 10 N 수직력을 적용한다. 압축에서 사용 나사를 조이유전체 컵 조립체까지 3 mm 알렌 키 유전체 형상에 완전히 고정된다.
- 레오 미터 제어 소프트웨어를 사용하여 측정 갭의 간격을 설정하고 오븐 문을 닫습니다. 오븐 완전히 형상의 상단과 하단에 충분한 수직 간극 유전체 셀을 둘러싸 수 있도록. 높이 조절이 필요한 경우 오븐 인클로저 유전체 셀 주변에 적절한 공차 맞도록 고정 나사를 조정한다. 상기 유전체 구조는 오븐에 들어가고 오븐 벽을 건드리지 않고 완전한 회전을 겪을 때 충분한 간극이 달성된다.
- 한 편으로, 유전체 밥 조립체 유전체 컵 조립체 / 유전체 구조를 모두 제거하고 하부 공구 헤드의 유량계 정렬 도구를 교체한다.
3. 슬립 링을 설치
참고 : 단계별 회화 요약 그림 3을 참조하십시오.
- 의 샤프트에 와이어 배플 설치유전체 구조와 슬립 링 커넥터에 유전체 컵 커넥터를 연결한다.
- 이 유전체 컵 조립체 / 유전체 형상의 샤프트 그러나 유전체 형상의 플랜지 위에 동심이되도록 슬립 링을 잡고. 그들의 NOBS 유전체 형상으로 가공 된 구멍에 삽입하고 그베이스 유전체 형상 플랜지에 달려되도록 슬립 링 어댑터 (X2)를 놓는다.
- 부드럽게 슬립 링 어댑터를 통해 슬립 링을 밀어 넣습니다. 슬립 링은 장소에 들고 슬립 링 어댑터 주위에 쉽게 밀어해야합니다.
레오 미터 4. 정렬
참고 : 빔 경로를 개략적으로 그림 4를 참조하십시오.
- 레오 메타 정렬 도구 주위에 오븐을 닫습니다. 유량계 제어 소프트웨어를 사용하여 절단 둥 샘플 개구 (높이 폭 1mm × 8mm)를 설치하고, 상기 모터 제어에 0.49 라드의 형상 변위 각을 설정할드롭 다운 메뉴.
- 모든 중성자 가이드가 제거되었는지 확인하고 레이저가 볼 수 있도록 오븐 문을 열고 SANS 인스트루먼트 컨트롤 소프트웨어를 사용하여. 빔이 오븐을 통과하여 유량계 정렬 도구의 중앙에 슬릿을 가로 지르도록 SANS 기기 제어 소프트웨어의 테이블의 높이 및 각도를 변경하여 유량계의 거친 조정을 수행한다.
- SANS의 기기 제어 소프트웨어를 사용하여 테이블의 높이 및 레이저 정렬을 최적화의 회전을 조절한다. 레이저 빔의 벽에 충돌하지 않고 0.49 라드 설정 기하학적 변위 레오 메타 정렬 툴의 슬릿을 통과하여 상기 빔 오븐 중심선을 통과 할 때 유량계가 정렬되어 있습니다.
SANS의 악기 5. 교정
- 원하는 SANS기구의 구성 기기 과학자 정렬되면, 개방 투광 측정빈 셀 산란, 어두운 현재 산란 측정.
- 3 분 동안 원하는 검출기 위치에 송신 빔 측정을 수행하여 개방 투광 측정을 수행한다.
- 유전체 구조를 설치하고, 원하는 위치 검출기 산란 측정을 측정함으로써 빈 셀 산란 측정을 수행한다.
- 완전히 메인 빔 산란 신호를 감쇠 카드뮴 3 mm 두께의 부재를 이용하여 암전류 산란 측정을 수행한다.
6. 전기 구성 요소를 연결
- 100mm로 LCD 화면을 사용하여 간격을 설정합니다.
- 하단의 도구 플랜지에서 레오 미터 정렬 도구를 제거합니다. 일체로 하부 공구 헤드에 상부 공구 헤드 유전체 컵 조립체 / 유전체 형상 / 슬립 링 어셈블리에 유전체 밥 조립체를 다시 재 제로 갭.
- 탄소 브러시 어셈블리가 안전한지 확인나사를 사용하여 카본 브러시 어댑터 D, 나사를 이용하여 유량계의 카본 브러시 어댑터와 카본 브러시 조립체를 고정. 탄소 브러시 어셈블리의 카본 브러쉬 슬립 링의 홈 금속 링과 짝을 확인하십시오. 이 전기 접점의 유지 보수를 보장합니다.
- 카본 브러시 조립체 각각 상부 및 하부 모선의 핀 커넥터 유전체 밥 조립체에 암형 핀 커넥터를 연결한다. LCR 미터의 모선에 접속되고, 종단 차폐 표지 BNC 케이블들이 대응 BNC 커넥터에 설치되어 있는지 확인.
- "AO0"로 표시된 DAQ 카드에 연결된 BNC 케이블에 "SANS에게"로 표시된 BNC 케이블을 연결합니다. "AI0"로 표시된 DAQ 카드에 연결된 BNC 케이블에 "SANS FROM"로 표시된 BNC 케이블을 연결합니다. "AO1"로 표시된 DAQ 카드에 연결된 BNC 케이블에 "TRIGGER"로 표시된 BNC 케이블을 연결합니다. 연결합니다"AI3"로 표시된 BNC 케이블 레오 미터 뒤쪽의 15 핀 커넥터에 접속 BNC 케이블. LCR 미터 유량계 및 상기 제어 컴퓨터와 통신하고 있는지 확인.
7. 측정 장비 준비
- 오븐을 열고 100mm의 간격을 설정하고, 샘플을 최소화 돌보는 온도 평형 유전체 컵 어셈블리로 프로필렌 카보네이트, 카본 블랙 분산액의 부하 4 mL의 컵 벽에 남아.
- 전면 LCD 스크린을 사용하는 40mm의 형상을 낮춘다. 1 RAD / s로 모터 제어 설정을 사용하여 레오 미터 제어 소프트웨어에 속도를 설정합니다. 갭 거리가 0.5 mm가 될 때까지 레오 미터에 슬루 옵션을 사용하여, 유전체 밥 조립체 저하.
- 장비 소프트웨어를 사용하여, 유전체 형상 측정 간격으로 이동 0 RAD / s로 모터 제어 설정을 사용하여 레오 미터 제어 소프트웨어에 모터 속도를 설정합니다. 이 단계에서, 샘플은 부하이다에디션.
주 : 샘플 레벨이 과도하게 채워지지 않고 쿠 에트 벽을 모든 방법을 채우고 수 있도록 한 번 더 샘플 채우기 수준을 확인합니다. - 바람직한 용매 내 유전체 밥 조립체 벽을 충전하여 용매 트랩을 설치하고, 유전체 컵 조립체의 가장자리에서 용매 트랩 장소.
제 유전체 RheoSANS 실험 실행
- "TA_ARES_FlowSweep.vi"라고 표시된 코드를 구성합니다. GUI를 유전체 RheoSANS 실험의 실험 실행 조건을 지정 수정 필드가 표시됩니다. 다음과 같은 순서로 이러한 필드를 설정합니다.
- 로그 파일과 로그 파일의 기본 이름에 대한 경로를 지정합니다. 메뉴 표시 줄에서 "실행"화살표 버튼을 눌러 코드를 실행합니다.
- 유동 학적 파라미터를 선택 - 시작 전단 속도 (25 RAD / S), 전단 속도를 종료 (/ s의 1 RAD), 전단 속도 포인트의 수를 (6)과 포인트는 마을 영웅 수 있는지 여부ithmically 또는 선형 간격 (라디오 버튼). 이 실험을 위해 25 ° C로 선택 온도. (원하는 경우, 라디오 버튼에 "ON"을 활성화) preshear 조건을 선택 -이 실험에서 preshear 단계 이후 300의 대기 시간은 600 초 동안 25 RAD / s preshear를 사용한다.
- 전단 속도 및 수집 속도에 따라 시간을 지정합니다. 핸드 쉐이킹 라디오 버튼을 사용합니다. 테스트 파라미터 탭 대수 또는 선형 스위프 선택 - 라디오 버튼이 녹색이면, N 포인트의 수의리스트는 대수 맥스 쉬어 속도에 대한 전단 속도 최소 이격된다.
- 원하는 경우 "개별 값"탭을 통해 분리 된 전단 속도와 시간을 지정합니다. 주파수 포인트의 수, 주파수의 최소 주파수 최대 기본을 선택합니다. 시간 의존 주파수를 설정 - 모든 전단 속도에 원하는 시간에 따라 주파수를 지정합니다. 정상 상태에 대한 시간을 설정 - 고정 된 주파수에서의 코드 유전체 파라미터를 측정하는 시간을 설정각각의 전단 속도에 대한 시간의 함수로서 uency.
- 신호 유형 및 크기를 지정한다. 평균하는 사이클의 수와 측정 시간을 지정합니다.
- SANS의 컴퓨터에 autoLogging를 켭니다. SANS의 구성을 설정합니다. 구성을 선택하고 코드에서 전단 속도 목록에 포함 된 총 시간보다 적어도 1 분 이상으로 실행 시간을 지정합니다.
주 : 구성이 달성 될 때 독사는 변경 데이터 수집 카드로부터의 아날로그 신호를 대기 할 것을 나타내는 "DIO 합계 16"를 판독한다. - 레오 미터 제어 소프트웨어 구성. 실험 탭에서 "절차"을 누르고 "열기 절차 파일"드롭 다운 메뉴. "유전체 RheoSANS 스크립트 파일"이라는 절차 파일로 이동합니다. 그 레오 미터를 확인하는 실험을 수행 할 준비가되어 있습니다.
- SANS의이 준비되면, 제어 소프트웨어가 구성되고 레오 미터 계속 보장ROL 소프트웨어 스크립트 파일이 열려 눌러 "매개 변수 설정". 이것은 지정된 실험의 실행을 트리거하고 모든 데이터가 프로그램 된 샘플 실행을 통해 로그인해야합니다.
실험 9. 끝
- 중성자 빔 및 해제 자동 로깅을 끕니다. 샘플을 언로드하고, 레오 미터에서 유전체 컵 밥 어셈블리를 제거한다. 모터 공기 베어링 보호기를 설치하여 트랜스 듀서를 잠글.
- 컴퓨터, LCR 미터 및 레오 미터 전원 공급 장치의 전원을 끕니다. 공기 라인을 분리합니다. 모든 BNC 케이블을 분리하고 레오 미터에 크레인 리프트를 다시 설치하십시오.
- 버림 주둥이를 제거합니다. 레오 미터의 크레인 어댑터를 다시 설치하십시오. 테이블에서 레오 미터를 들어 올려 케이블이 untangled 남아 보장 레오 미터 테이블 위에 놓습니다.
그림 1 :.. A) - 공동의 전자) 사진 SANS의 빔라인과 레오 미터 필요한의 mponents는 레이블과 아래 정의 된 빔라인에 유량계를 설치합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2 : 다음은 레이블 정의 약관에 그림 구성 요소의 유전 RheoSANS 기하학. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3 : 유전체 RheoSANS 기하학, 전자에 슬립 링을 설치하기위한 절차의 a.-d.) 사진) 완벽하게 조립 유전체 RheoSANS 기하학의 그림..ove.com/files/ftp_upload/55318/55318fig3large.jpg "target ="_ blank "> 검색이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4 : 오븐 기하학 및 유전체 RheoSANS 기하학을 통해 빔 경로의 도식. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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Representative Results
유전체 RheoSANS 실험에서 대표적인 결과를도 5 및도 6에 나타낸다. 이러한 데이터는 프로필렌 카보네이트에 전도성 카본 블랙의 현탁액에 촬영된다. 이 집계 인해 전기적으로 실시하고 젤을 형성 상대적으로 낮은 고체 부하에서 매력적인 상호 작용에 응집. 같은 현탁액의 유동 학적 전도도 응답은 연구의 활성 영역이며, 현재의 연구는 이러한 측정의 미세 기원을 이해하기 위해 노력한다. 유전체 RheoSANS 악기 고유하게는 반고체 전기 플로우 셀과 애플리케이션에서 발견되는 것과 유사한 변형을 겪는다으로 동시에 물질의 전기적 및 기계적 특성을 프로빙으로이 문제를 해결하는 데 적합한 도구이다. 이러한 셀에서 카본 블랙 형태 플로에 부피 전도성을 제공하는 전도성 첨가제날개 전극.
절차에서 설명하는 실험은 전단 속도가 지정된 기간 동안 각각의 전단 속도로 유지하는 최소값에 대한 최대 값에서 대수적 차진 플로우 스윕 테스트를 거쳐 같은 도전성 재료를 시험하기 위해 설계된다. 레올 유전체 데이터 및 중성자 산란 실험은이 시퀀스의 과정 동안 연속적으로 측정된다. 유전체 RheoSANS 실험이 완료되면, 데이터는 3 개의 독립적 인 형식으로 저장된다. 산세 데이터 검출기와 X,이 검출되었다 된 화소의 Y 위치에 각 중성자의 도달 시간의리스트를 포함하는 검출기에 의해 생성되는 바이너리 파일 이벤트 모드 파일로 저장된다. 레올 로지 데이터는 별도의 데이터 파일로 레오 미터 제어 소프트웨어에 저장하고 해당 유변학 적 매개 변수를 포함하는 열 구분 된 텍스트 파일로 내보낼 수 있습니다 (즉, (20), SANS의 원시 측정 된 신호는, 레오 미터 및 LCR 미터는 전단 속도와 시간의 함수로서 재구성 될 수있다.
원시 신호가 정렬되면, 이들은 공지 된 전기 유변 셀 상수를 사용하고, (S)를 사용하여 보정tandard SANS 감소 방법. 유전체 데이터 보정 및 분석 과정을 각 주파수 및 전단 속도에서 개방 및 단락을 제거한 후 측정도 5a에 도시된다. 일단 유전체 신호 주파수에 대한 임피던스의 실수 및 허수 성분으로 변환되어 보정. 도 5a에서, 정상 전단을받는 0.08 중량 분율 벌컨 XC72 샘플의 유전체 측정 나이키 스트 표현의 플롯은 획득의 마지막 900 개의 평균화가있다. 나이키 스트 표현에서, 임피던스의 실수 및 복합체 성분은 서로에 대해 파라 메트릭 그려진다. 왼쪽 상단 그래프에서 데이터 포인트는 대수적 측정 황색 최저 접근 주파수 (20 Hz로)를 나타내는 가장 높은 주파수 (20MHz의) 블랙을 대표로 촬영되는 빈도에 의해 색상 화된다. 중간 플롯 샘플 어드미턴스 Y *, 또는 역에서의복소 임피던스 Z의 *는 주파수에 대해 도시된다. 이것은 일정한 알려진 셀 λ로 규격화하고, 샘플의 전기 전도도 및 감수성은 어드미턴스의 실수 성분과 허수로 정의된다. 이 정규화 된 샘플 응답 2πƒε 0으로 나누어 어드미턴스 복소 유전율 ε의 *로 전환시킬 수있다. 마지막으로, 우리는 Havriliak-Nagami 이완 합 전극 분극의 효과를 차지하는 일정 위상 소자로서 유전체 응답 모델을 사용하여 샘플 응답의 복소 유전율을 장착한다. (20)
도 5 : 유전체 데이터 분석 a)의 개요]. 오른쪽 주파수 대 전도도 및 감수성 : 왼쪽 나이키 스트 표현 중간 주파수에 대한 복소 유전율 - 유전체. 모델 전극 분극 Havriliak-네가 미 완화 데이터 위에 겹쳐 도시 b) SANS 데이터 분석의 개요를 차지하고; 좌측 : I는 (Q) 0.08 중량 분율 벌컨 XC72 1 RAD / s의 전단 속도, 중간의 마지막 900 초 동안 평균 (Q)을 샘플 P 희석 배율 모델 착용감 오른쪽 : 샘플 구조 인자, S (Q) = I (Q)은 / (A · P는 (Q))은 - 레드 원 데이터가 최소 구조 인자 농도, S 0을 구하는 평균화 Q 포지션 위치를 나타낸다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
원시 이벤트 모드 데이터는 I (Q의 X, Y의 Q)를 나타내는 이차원 SANS 검출기에 시간에 대하여 histogrammed된다. 이 원시 신호 강도를 그 빈 셀에 대해 보정하고, 빔을 차단하고 송신 및 압솔뤼 변환단위 cm와 TE 스케일 -1. 이 수정 후, 절대 강도는 전단 속도 및 시간의 함수로서 플로팅 될 수있다. 도 5b에서, 좌측에, Q x 및 y를 대 Q 이차원 감소 된 산란 강도가 플롯되어있다. 중앙에서는 동일한 Q-범위 희석 카본 블랙 현탁액 모델 피팅의 prefactor, A, 형태에 의해 스케일링 계수 P (Q)을, 플롯. 그런 다음 시료를 구성하는 카본 블랙 프랙탈 집합체 사이의 상호 작용에 대한 명백한 구조 인자를 나타내고, S (Q)를 얻었다는 * P (Q)에 의해 I (Q)을 나눈다. 다음 이차원 S (Q) 플롯은 최소 접근 Q 값에 통합 = 0.0015 -1 프랙탈 집합체의 겉보기 반발 작용의 추정치 인 S 0, 계산. 이 결과는 다음 동등한 하드 구 체적 분율로 변환됩니다.
는이 방법을 사용정상 상태 데이터 각각의 전단 속도에서 분석 될 수 있으며,도 6에 도시 된 바와 같은 구조 해석 유전체 분석 둘 다의 결과 추출 된 매개 변수가 적용된 전단 율 및 유변학 전단 응력의 함수로서 플로팅 될 수있다. 또한 중요한 미세 전이를 표시 관심의 여러 전단 속도에 대한 두 치수 S (Q) 플롯이다 꾸몄다. 이 값은 모든 쿠 에트 내의 동일 영역에서 동시에 측정되기 때문에, 이들은 직접 비교 상관 될 수있다. 이는 전도성 κ LF 및 유효 부피 분율로 천이 사실을 강조 φ 전단 응력 영역 I-II의 전환에 의해 표시 항복 응력을 초과하는 경우 HS는, 응력의 증대에 대응한다. 이러한 전환에 모두 HS 및 거시적 겔 산출과 관련된 κ LF 감소 φ. 전단 속도는 더 증가함에 따라,점도의 명백한 증가 HS가 계속 감소 φ 동안 κ LF 증가로 나타낸 바와 같이, 샘플의 전단이 두꺼워. 이 천이 영역 II-III로 표시된다. 농축 콜로이드 현탁액의 경우, 전단의 비후는 기본 카본 블랙 입자 주위 벌크 유체의 흐름에 의해 부과 유체 역학적 상호 작용의 결과로서 형성 대형 구조물의 형성과 관련된다. 이러한 유체 역학적 힘은 집계가 함께 전도성과 점도의 급격한 증가의 결과로 그립니다.
도 6 : 상부 : 이차원 S (Q) 전단 샘플을, 아래쪽에서 중요한 미세 전이를 나타내는 속도로 플롯 : 유변학 (전단 응력)을 요약하면, 유전체 (정적 유전율 저주파 전도도) 및 SANS 파라미터 (SCA 적용된 전단 율의 함수로서 르 인자 효과적인 제외 부피비). 관심의 영역은 I-III으로 표시됩니다. 지역 I에서 크리프는 상호 연결된 네트워크 구조를 유지한다. 영역 II에서, 상기 겔은 거시적 전체적인 도전성의 저하로 이어지는 산출한다. 영역 III에서의 클러스터링 결과 겉보기 전단 육화 전도도의 증가가있다. 오차 막대는 평균의 하나의 표준 편차를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
이 형상이 유사한 왜곡 제어 레오 미터에 재생 될 수 있도록, 8, -도 2에 나타낸 유전체 RheoSANS 형상의 주요 구성 요소의 개략도가 기술적 부가도 1에 제공된다.
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보충 그림 3 : 유전체 밥 월의 기술 도식. 여기를 클릭하세요 이 그림의 더 큰 버전을 볼 수 있습니다.
보충도 4 : 유전체 밥 축의 기술 회로도. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
보충 그림 5 : 유전체 밥 캡의 기술 도식. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
보충 그림 6 : 유전체 밥 총회의 기술 도식.TP : //ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55318/55318supfig6large.jpg "target ="_ blank "> 검색이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
보충 그림 7 : 슬립 링 어댑터의 기술 도식. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
보충 그림 8 : 카본 브러쉬 어댑터의 기술 도식. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
동시에 유전체 RheoSANS 실험 방법은 소정의 변형이 일어나 재료, 전기 유변 미세 반응. 여기에 도시 된 예는 전기 흐름 셀에 사용되는 도전 조제를 구성하는 도전성 카본 블랙 현탁액이다. 유전체 RheoSANS 기기 중 하나 또는 전기 유변 측정 정확도의 저하없이 좁은 갭 쿠 에트 셀 내의 전단의 방 사면의 질의를 가능하게한다. 또한, 형상은 전단 응력, 전도성과 같은 고유 전율 변수가 적절한 데, 원시 신호 토크 저항, 및 위상 시프트의 변환을 허용한다. 시간에 따른 전단 속도 의존 rheo-전기 구조적 특성을 기록하는 동안 전단 속도가 대수적 최소값 최대 값에서 강화되는 경우,이 절차에서 설명 된 실험에서, 플로우 스윕 수행. 이러한 측정으로부터, 미세하고 수득로서 카본 블랙 전도성 겔의 진화를 조사하는 것이 가능하고, 거시적 흐름을 겪는다. 때문에 유전체 동시 측정, 우리는 그들이 용융물로부터 멀리 평형이 겔화 물질의 전도의 기원을 조사 할 수있다. 20 플로우 스윕을 수행 할 수있는 잠재적 인 테스트의 한 종류이며, 전위 형상은 시간에 따라 전단 응력 프로파일의 넓은 범위를 수용 할 수 있도록 설계된다. 이 결과는 낮은 점도, 높은 전도성 유체의 형성을 유도함으로써 유량 전지 전극의 성능을 향상시킬 가능성이있다. (21)
유전체 RheoSANS 실험의 중요한 활성화 성분 모두 3 개 회 측정의 동기화이다. 동기화는 세 가지 특성의 측정 시간과 전단 속도의 함수로 비교 될 수있다. 이것은가 가능해진다alogue 중성자 도착 시간에 전단 속도에 전환을 암호화 프로토콜 트리거링. 이 프로토콜은 도착 시간과 각 검출 된 중성자의 화소 위치의 연속적인리스트를 생성 SANS 검출기의 이벤트 모드 획득을 이용한다. 검출기 클럭 시간은 아날로그 트리거 5 V 진폭 10ms의 펄스를 이용하여 초기화 될 수있다. 이것은 그리스트 내의 중성자의 절대 도달 시간을 리셋한다. 위에 설명 된 프로토콜이 시계 모터와 각각의 전단 속도 사이에 온 시점에서 리셋 될 수있다. 이 동기화 프로토콜은 사용자가 100 ms의 시간 해상도로 샘플의 미세 진화를 재구성 할 수 있습니다. 이 방법의 중요한 한계는 현재 획득 과정 동안 검출 위치를 변경할 수있는 방법이 없기 때문이다. 따라서, 단 하나의 검출기 위치 주어진 실험 프로토콜에 대해 획득 될 수있다. 이것은 모두 레오 미터에서 곧 소프트웨어 변경에 의해 개선 될 것제어 프로토콜뿐만 아니라 SANS 악기 작업.
새로운 장비에 의해 제공된 결과들은 변형을 거쳐 전기적으로 활성 콜로이드 물질 심문 새로운 길을 열어. rheo-전기 rheo-SANS 및 유전체 SANS 형상 기존과는 대조적으로, 여기에 기재된 유전체 RheoSANS 형상은 임의의 적용 분야 전단 하에서 동시 유전 SANS 측정 할 수있다. 이 방법뿐만 아니라 전기 흐름 셀에 관련되지만, 연료 전지의 전극 재료가 전단 육안으로 용액 상태 및 피사체 처리되는 다른 전자 장치의 개발이있다. 22, 23, 24 악기는 또한 기계적 특성 전계인가를 통해 작동 할 수있는 재료의 연구와 관련이있다. 이러한 모든 응용 프로그램은 잠재적으로 flexibl 덕분에 공부하실 수 있습니다이 전자 기기의 설계 및 각각의 테스트 프로토콜의 실행을위한 동기화 방법.
작품은 유전체 RheoSANS 실험을 실행하고 재료의 넓은 범위에 대한 새로운 테스트 방법을 작성하기위한 프로토콜을 향상시키기 위해 진행되고있다. 또한, 개선 된 대기 제어 오븐 디자인과 오븐 환경에서 윈도우 재료의 곧 교체의 개선과 활성화됩니다. 이 휘발성 액체에 장기간 실험이 가능하게됩니다 개선 용매 트랩 디자인이 포함됩니다. 다가오는 오븐 운영 RheoSANS 악기에서 입증 된 전단의 접선 평면에 약속 접근을 설계하지만, 현재 유전체 RheoSANS 기기의 테스트 및 검증 기능이 없습니다.
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Disclosures
저자가 공개하는 게 없다.
Acknowledgments
저자는이 기간뿐만 아니라 국가 연구위원회 등의 지원을하는 동안 중성자 연구 CNS 협력 계약 번호 번호에 대한 부분적인 자금 70NANB12H239 보조금을 NIST 센터에 감사드립니다. 특정 상용 장비, 악기, 또는 재료가 적절하게 실험 절차를 지정하기 위해 본 논문에서 식별됩니다. 이러한 식별은 국립 표준 기술 연구소에서 권장하거나 보증을 의미하는 것은 아니다 않으며 자료 또는 확인 된 장비는 반드시 목적에 가장 적합한 사용할 수 있다는 것을 의미하는 것이다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| ARES G2 Rheometer | TA Instruments | 401000.501 | Rheometer |
| ARES G2-DETA ACCY Kit | TA Instruments | 402551.901 | BNC Connectors |
| Geometry ARES 25 mm 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. , Wiley-Inerscience. (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).
- Helal, A., Divoux, T., McKinley, G. H. Simultaneous rheo-electric measurements of strongly conductive complex fluids. , Available from: http://arxiv.org/abs/1604.00336 (2016).
- 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. , In prepara (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), New York, N.Y. 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).
