RheoSANS דיאלקטרי - חקירת סימולטני של עכבה, Rheology וקטנים זווית ניוטרון פיזור של נוזלים מורכבים

Summary

כאן, אנו מציגים הליך לשקילת עכבה סימולטני, rheology ואת פיזור נייטרונים מחומרים משנה רך תחת זרם גזירה.

Abstract

נוהל הפעלת מכשיר חדש דיאלקטרי RheoSANS מסוגל חקירה סימולטני של תכונות חשמליות, מכניות microstructural של נוזלים מורכבים מוצג. המכשיר מורכב הגיאומטריה Couette הכלול בתוך תנור הסעה נאלץ לשנות רכוב על rheometer מסחרי. מכשיר זה זמין לשימוש על פיזור נויטרונים זווית קטנה (SANS) beamlines במכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה (NIST) מרכז ניוטרון מחקר (NCNR). גיאומטרית Couette במכונה להיות שקוף ניטרונים מספקת למדידה של תכונות החשמליות המאפיינים microstructural של מדגם הכלוא בין בלוני טיטניום בעוד הדגימה עוברת דפורמציה שרירותית. סנכרון של מדידות אלה מופעל באמצעות תכנית אישית כי מעקב ובקרה על ביצוע פרוטוקולי ניסוי מראש. מתואר כאן הוא פרוטוקוללבצע ניסוי זרימה לטאטא שבו שיעור הגזירה הוא צעד לוגריתמיות מערך מקסימאלי לערך מינימום מחזיקים בכל שלב למשך פרק זמן קצוב בזמן מדידות דיאלקטרי תלויות בתדירות מבוצעות. תוצאות נציג מוצגים ממדגם המורכב ג'ל מורכב אגרגטים פחמן שחור מפוזרים קרבונט פרופילן. כמו ג'ל עובר גזירה יציבה, רשת פחמן השחורה הוא מעווה מכאני, אשר גורמת לירידה ראשונית מוליכות הקשורים השביר איגרות חוב המרכיב את רשת פחמן השחורה. עם זאת, בשיעורי גזירה גבוהים, מוליכות שחזר יחד עם ההתפרצות של עיבוי גזירה. בסך הכל, תוצאות אלה ממחישות את התועלת של מדידה בו זמנית של המאפיינים rheo-אלקטרו-microstructural של השעיות אלה באמצעות הגיאומטריה RheoSANS דיאלקטרי.

Introduction

מדידה של נכסי מקרוסקופית משמשת לעתים קרובות כדי לקבל תובנה בסיסית לתוך הטבע של חומרים קולואידים ומערכות עצמיות התאסף, בדרך כלל במטרה לפתח הבנה על מנת לשפר את ביצועי ניסוח. בפרט, בתחום rheology, אשר מודד תגובה הדינמית של נוזל אל מתח או עיוות יישומית, מספק תובנה חשובה התנהגות קולואידים הם בתנאי שיווי משקל וגם רחוק משיווי משקל, כגון במהלך עיבוד ¹ בדיקות ראולוגיות של נוזלים צרכניים ותעשייתיים, ג'לים, וכוסות יכולים לשמש גם כדי למדוד פרמטרים הריאולוגיות, כגון צמיגות, אשר ממוקדים על ידי מנסחים. בעוד rheology הוא בדיקת עצמה של תכונות חומר, זה מהווה מדד עקיף של מידע קולואידים ברמה המיקרוסקופית, כך ההבנה שלנו של התנהגות קולואידים יסוד ניתן משפרת ידי שילוב של מדידות הריאולוגיות עם גטכניקות omplementary.

טכניקה כזו מאונכת אחד היא ספקטרוסקופיה עכבה. ספקטרוסקופיה עכבה היא בדיקה עיקר התנהגות הרפיה דיאלקטרי, אשר מודד את התגובה של חומר לשדה חשמלי נדנוד מיושם. ² תוצאות ספקטרום העכבה מ מצבי רגיעת חשמל הפועלים בתחומי החומר כולל הובלת תשלום קיטוב. ^{3, 4} מדידות אלו מספקים ראיות נוספות להתנהגות קולואידים במיוחד בשילוב עם rheology. ⁵ לכן, השילוב של טכניקות אלה הם רלוונטיים במיוחד כאשר דברים סמויים טעונים תפוצות קולואידים, חלבונים, פעילות שטח יוני, nanocomposites, ומערכות אחרות. ^{6, 7}

אינטרס יסודי בחקירות של התנהגות קולואידים הוא microstruc של החומר ture. מיקרו של נוזל קולואידים נחשב לקודד את כל המידע הדרוש כדי לשקם הן הריאולוגיות שלה וההתנהגות חשמל. ביסודו של דבר, אנו מבקשים למדוד תמונת מצב של תכונות microstructural ננו להוביל לתגובת חומר נמדדת. בשל אופיו המורכב של תלות נוזלים מורכבים רבים על ההיסטוריה התהליך שלהם, הרבה מהמאמץ על אפיון microstructural התמקדה שהופך במדידות באתרו של החומר כפי שהוא עובר עיוות. זה אתגר ניסיונאים לפתח שיטות כדי להיות מסוגל לבצע מדידות של חלקיקים בגודל ננו תחת עבור גזירה קבועה למשל, שם המהירויות של החלקיקים הפכו להדמיה ישירה מאתגרות במהותו. מדידה ישירה של מיקרו חומר תחת זרימת לקחה על צורות רבות, החל-אופטיקה rheo, rheo-מיקרוסקופיה ואפילו rheo-NMR. ^{8, 9,}התחת = "Xref"> 10 שיטות קטנים זווית פיזור, ובשנת נויטרונים פיזור זווית קטנה במיוחד (SANS) טכניקות, הוכיחו עצמם יעילים למדידת מיקרו ממוצעים פעמי של דגימות על מצב יציב בשדה גזירה בתפזורת כולל את כל שלושת המטוסים של לִגזוֹז. ^{11, 12, 13} עם זאת, טכניקות רכישת נתונים חדשות ארעיים מבני מותר לנפול בפח עם רזולוצית זמן בדייקנות כמו 10 ms. Rheology ¹⁴ שילוב ואכן עם שונות בשיטות פיזור באתרו הוכיחה שלא יסולא בפז מאות מחקרים שנערכו לאחרונה. ¹⁵

אתגר הנדסי מתעוררים הוא שימוש השעיות קולואידים כמו תוספים מוליכים אלקטרודות סוללת זרימה חצי מוצקות. ¹⁶ בבקשה זו, חלקיקים קולואידים מוליך חייבים לשמור על רשת percolated חשמלית בעוד מאטרial נשאב באמצעות תא זרימה אלקטרוכימיים. דרישות הביצועים על חומרים אלה דורשים כי הם שומרים על מוליכות גבוהות ללא השפעה מזיקה על ביצועי הריאולוגיות פני טווח רחב של שיעורי גזירה. ¹⁷ לכן רצוי מאוד להיות מסוגל לבצע מדידות של ההתנהגות קולואידים בתנאי גזירה יציבים תלוי זמן על מנת לכמת ולאפיין את התגובה הריאולוגיות וחשמלית הבסיסית של חומרים אלה רחוקים ממצב שיווי המשקל שלהם. גורם שמסבך משמעותי כי יש פגם בפיתוח תיאורטי נוסף בעניין זה טבעה thixotropic של והכלומניקים פחמן שחור. ¹⁸ אלה תולדות תלויות מאפיינים הריאולוגיות וחשמליים לעשות ניסויים ידועים שקשה לשחזר; וכך, מה שהופך אותו קשה להשוות ערכות נתונים שנמדדו באמצעות פרוטוקולים שונים. יתר על כן, עד כה אין יחיד גיאומטריה מסוגלת לבצע את כל השלושה, dielectric, הריאולוגיות, ומאפיינים microstructural, בו זמנית. מדידת סימולטני חשובה כזרימתם יכולה לשנות את המבנה, כך מדידות שאר חומרים מעובדים לא יכולות לספק אינדיקציות מדויקות של הנכסים תחת זרימה, שהן רלוונטיות יותר לשימוש שלהם. בנוסף, כמו רבי המאפיינים הנמדדים של והכלומניקים שחורים פחמן הם גיאומטריה תלויות, ישנם סיבוכים עם השוואת נתונים המתקבלים מאותו המדגם על מכשירים שונים. ¹⁹

על מנת לענות על האתגר הזה המטרולוגיה, פיתחנו הגיאומטריה RheoSANS דיאלקטרי חדש במרכז NIST עבור ניוטרון מחקר מאוניברסיטת דלאוור מסוגל בספקטרוסקופיה עכבה באתרו, מדידות rheology ו SANS של חומר תחת עיוות שרירותי על זן מסחרי rheometer נשלט. זו מופעלת על ידי פיתוח גיאומטרית Couette ליכולת למדוד את microstructural, electrical ותגובה הריאולוגיות של חומר הכלוא בין הפער של שני גלילים קונצנטריים. כפי הגליל החיצוני ספינים, מומנט שהטיל העיוות של המדגם נמדד על הגליל הפנימי ומדידת העכבה נעשית רדיאלית על פני הפער. הגלילים הם במכונה מ טיטניום כדי להיות שקוף ניטרונים חזקים מספיק כדי לעמוד בפני לחץ הגזירה המנוסה rheometer. אנו מבצעים את המדידה SANS דרך העמדה רדיאלי של Couette, וכן הדגימו כי ניתן למדוד דפוסי SANS באיכות גבוהה מן המדגם עובר דפורמציה. בדרך זו, כל שלוש המדידות נעשות באותו האזור של אינטרס במדגם כפי שהוא עובר פרופיל עיוות מוגדר היטב. מטרת מאמר זה היא לתאר את גיאומטרית Couette דיאלקטרי, ההתקנה שלה על גבי מכשיר RheoSANS, ועל הביצוע המוצלח של מדידה סימולטנית. rheometer זה זמין במרכז NIST עבור ניוטרוןמחקר במכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה. זה תוכנן לעבוד על קו קרן SANS NG-7. סיפקנו ציורים תיאור מפורט של רכיבים מותאמים אישית, כי כבר במכונה התאספו כדי לאפשר מדידה זו.

Protocol

1. הרכבת Rheometer על beamline SANS הערה: ראה איור 1 עבור הגדרות של רכיבים בשם. ודא כי הכח אל rheometer כבוי, מתמר נעול ואת מגן נושאת אוויר המנוע מותקן. כבה את קרן נויטרונים, ולסגור את דלת הת…

Representative Results

נציג תוצאות מניסוי RheoSANS דיאלקטרי מוצגות איור 5 ו 6. נתונים אלו נלקחים על השעיה של פחמן שחור מוליך קרבונט פרופילן. אגרגטים אלה flocculate עקב אינטראקציות אטרקטיביות מקדמי מוצקים נמוכים יחסית להרכיב לים, כי הם מנהלים חשמליים. התגובות הריא…

Discussion

מודד בניסוי RheoSANS דיאלקטרי זמנית התגובות הריאולוגיות, חשמל microstructural של חומר כפי שהוא עובר עיוות מוגדרת מראש. הדוגמא המוצגת כאן היא השעיה שחורה מוליך חשמל פחמן המהווה תוסף מוליך השמש בתאי זרימת אלקטרוכימיים. מכשיר RheoSANS דיאלקטרי מאפשר החקירה של המטוס רדיאלי של גזירה בת…

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