Medición material Microestructura Bajo Flujo de 1-2 Plano de Flujo de ángulo pequeño dispersión de neutrones

Summary

Una célula de cizallamiento es desarrollado para mediciones de dispersión de neutrones de ángulo pequeño en el plano gradiente de velocidad-velocidad de cizallamiento y se usa para caracterizar fluidos complejos. Mediciones espacialmente resueltas en la dirección del gradiente de velocidad son posibles para el estudio de los materiales de cizalla-anillado. Las aplicaciones incluyen investigaciones de dispersiones coloidales, soluciones de polímeros, y estructuras auto-ensambladas.

Abstract

Se presenta un entorno de ejemplo nueva dispersión de neutrones de ángulo pequeño (SANS) optimizado para el estudio de la microestructura de los fluidos complejos bajo flujo cortante simple. La célula de corte de SANS se compone de una geometría Couette cilindro concéntrico que está sellado y que gira alrededor de un eje horizontal, de modo que la dirección de vorticidad del campo de flujo está alineado con el haz de neutrones que permite la dispersión desde el plano 1-2 de cizallamiento (gradiente de velocidad-velocidad , respectivamente). Este enfoque es un avance sobre los entornos de muestra de células de cizallamiento anteriores ya que hay un fuerte acoplamiento entre la reología mayor y características microestructurales en el plano 1-2 de la cizalladura. Flow-inestabilidades, tales como bandas de corte, también puede ser estudiada mediante mediciones espacialmente resueltas. Esto se lleva a cabo en este entorno de ejemplo mediante el uso de una abertura estrecha para el haz de neutrones y de exploración a lo largo de la dirección del gradiente de velocidad. Experimentos resueltos Tiempo, como el flujo de nueva creación y de gran amplitud oscilatoria de ellaflujo ar también son posibles mediante la sincronización del movimiento de cizalla y la detección con resolución temporal de neutrones dispersados. Los resultados representativos utilizando los métodos descritos aquí demuestran la naturaleza útil de resolución espacial para la medición de la microestructura de una solución de micelas con forma de gusano que exhibe bandas de cizallamiento, un fenómeno que sólo puede ser investigado por la resolución de la estructura a lo largo de la dirección del gradiente de velocidad. Por último, las posibles mejoras en el diseño actual se discuten junto con sugerencias para experimentos complementarios como la motivación para futuros experimentos en una amplia gama de fluidos complejos en una variedad de movimientos de corte.

Introduction

El desarrollo de una comprensión científica de un fenómeno natural requiere mediciones exactas y precisas. La metrología es también la base de la ingeniería con éxito y diseño de nuevos procesos y materiales. Reología es la ciencia de la deformación y el flujo de la materia. La reología es central en nuestra capacidad para procesar una amplia variedad de materiales y también es utilizado por los formuladores de productos para apuntar propiedades de los materiales específicos. Ejemplos típicos de la antigua incluyen polímeros o compuestos de moldeo de formación, mientras que el segundo incluye el desarrollo de productos de consumo diario, tales como pinturas, champús, y los alimentos. Si la viscosidad de un polímero fundido se controla de modo que pueda ser efectivamente se cambia moldeado por inyección o la viscoelasticidad de un champú por lo que tiene la consistencia correcta para el consumidor, las propiedades reológicas son controlados por el cambio de la formulación del material ^1. La reología de materiales y productos también depende de tse estructura en el estado fluido y esta estructura va desde la microescala a la escala nanométrica. Además, esta estructura cambia con los parámetros de procesamiento, tales como la tasa de flujo y el tiempo de flujo, que desafía rheologists para medir la estructura durante el flujo. Este es el objetivo que se cumple, en parte, por la nueva instrumentación descrito en este artículo.

Nuevas técnicas capaces de sondear la microestructura de los materiales suaves bajo flujo de cizalla pueden beneficiarse de ingeniería de producto material suave y condición de procesamiento de optimización. Muchos desafíos interesantes y de larga data para la aplicación de materiales blandos en una variedad de industrias y en la ciencia fundamental implican un comportamiento de flujo inusual, como el engrosamiento de cizalla en suspensiones coloidales ^2, cortante y bandas vorticidad en micelas similares a gusanos ³ y heterogeneidades inherentes a la flujo de geles coloidal ^4-6. Rheologists son constantemente desafiados a dilucidar el microstruorígenes ctural de las no linealidades en las respuestas reológicas y, a veces, incluso en el campo de velocidades de cizallamiento materiales viscoelásticos. Este reto requiere adquisición simultánea de la microestructura como una función tanto de la localización espacial en el campo de flujo y el tiempo de comportamientos dependientes, que ha demostrado ser una tarea formidable para los experimentadores.

Dispersión de neutrones de ángulo pequeño (SANS) es especialmente adecuado para la medición de la estructura de fluidos complejos, ya que puede sondear los materiales que son opacos a la luz. También deuteración selectiva se puede utilizar para proporcionar un contraste entre los componentes que pueden aparecer similar bajo de rayos X de dispersión ^7. Por otra parte, los neutrones tienen una ventaja sobre los rayos X ya que no hay daño de la radiación de las muestras de materia blanda biológicos o de otro tipo. En los experimentos ilustrados aquí, neutrones fríos generados por un reactor o una fuente de espalación se colimados y iluminados en una muestra. La intensidad de dispersión YiELDs información acerca de la estructura del material en escalas de longitud de la atómica a cientos de nanómetros (y con ultra pequeño ángulo de dispersión de neutrones de hasta decenas de micras), pero en la forma de una transformada de Fourier de la estructura de espacio real. Por lo tanto, la interpretación de los datos puede ser difícil e implica una transformada inversa o comparación de modelos microestructurales o simulaciones. Más sobre instrumentación SANS, experimentos, y el contraste a juego se pueden encontrar en los tutoriales publicados en el sitio web del Centro de Neutrones Ciencia, www.cns.che.udel.edu.

Aquí se describe una célula de corte diseñado para extender el método SANS para examinar materiales bajo flujo. Una revisión reciente de la metodología e instrumentación en general, así como una revisión de la literatura sustancial de aplicaciones recientes se puede encontrar en la referencia ⁸ y las referencias citadas en la misma. Un entorno conveniente y casi ideal para investigar la estructura de fluido bajo flujo de cizallamiento conSANS es una geometría Couette hueco estrecho, también conocido como cilindros concéntricos ^9. Esta geometría se aplica un sencillo flujo de cizallamiento (es decir, laminar) a la muestra mientras se mantiene un volumen sin obstrucciones suficiente para que el haz de neutrones incidente. La aplicación de flujo rompe la simetría de la microestructura; como tal caracterización completa de la microestructura del material bajo flujo de cizallamiento simple requiere mediciones microestructurales en los tres planos de cizallamiento. Dos planos de cizalla pueden ser investigados utilizando la configuración de geometría Couette estándar (Figura 1a): el haz de neutrones está configurado para viajar a lo largo de la dirección del gradiente de velocidad y la sonda de la velocidad-vorticidad (1-3) plano de corte (configuración "radial") ; Alternativamente, el haz se colima por una ranura delgada y alineadas en paralelo a la dirección de flujo, el sondeo de ese modo la velocidad de gradiente de vorticidad (2-3) plano (configuración "tangencial"). Este instrumento está disponible commercially y recientemente ha sido documentado para el examen de fluidos complejos bajo cizallamiento ^10. El examen mencionado describe su uso y que de dispositivos relacionados para la determinación de estructura de la propiedad a través de una amplia gama de materiales y aplicaciones ^8. Experimentos Tiempo de resolver, como por los flujos de cizalla oscilatoria también se han reportado ^{11, 12.}

A menudo, el plano más interesante y más importante de flujo es el gradiente de velocidad-velocidad (1-2) plano (Figura 1b), pero también es el más difícil de investigar, ya que requiere la instrumentación especial. Una célula de corte de encargo ha sido diseñado para permitir la investigación directa de la gradiente de velocidad-velocidad (1-2) plano por SANS de tal manera que el haz de neutrones se desplaza paralelo al eje de vorticidad de cizalla ^13-16. Las mediciones en el plano 1-2 de flujo son fundamentales para obtener una comprensión cuantitativa de la viscosidad de corte porque Elucidcomió la orientación de la estructura con relación a la dirección de flujo ^{15, 17, 18.} Esto es importante para materiales tales como polímeros, tensioactivos auto-ensambladas, coloides, y otros fluidos complejos. Además, es posible investigar la microestructura de los materiales como una función de la posición a través de la brecha en la dirección del gradiente de flujo de cizallamiento. Con la adición de resolución espacial, el método proporciona un medio para el estudio de materiales que exhiben cambios microestructurales a lo largo de la dirección del gradiente de cizallamiento. Un ejemplo para los que la investigación de los cambios en la microestructura y composición a lo largo de la dirección del gradiente de flujo es de cizalla-anillado. Bandas de cizallamiento es un fenómeno causado por un acoplamiento entre la microestructura, y la dirección del flujo que resulta en un campo de flujo no homogéneo ^13. En este artículo se describe el instrumento, su montaje y la técnica de medición de flujo-SANS tal como se aplica en el Centro de NIST para NeUTRON Investigación (NCNR) en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de Gaithersburg, MD. Este entorno de la muestra es el resultado de una colaboración entre la Universidad de Delaware, el NIST y el Institut Laue-Langevin (ILL), y ha sido aplicado con éxito tanto en ILL y NIST. Para efectos de este artículo, cuando las porciones específicas SANS del protocolo se refiere, la técnica se describe tal como se aplica en el NIST. Sin embargo, la modificación de dichos instrumentos detalles específicos debe ser sencillo y la técnica en general puede ser implementado en cualquier instrumento SANS de flujo constante (sección 5.1). Además, los instrumentos equipados con SANS capacidades de resolución temporal también pueden realizar experimentos de corte de flujo SANS oscilatorios (sección 5.2). Dibujos técnicos de los componentes de la célula de cizallamiento se proporcionan como las figuras 12-23.

Protocol

La Figura 2 muestra una célula de corte montado unido a la placa de base, que está montado en el tablero en el escenario medio ambiente de la muestra y se alinea en el haz de neutrones para un experimento de SANS. El motor paso a paso, la caja de cambios y la transmisión por correa, cortaron fase del motor, célula de corte y la dirección del haz de neutrones están etiquetados en la figura 2. El presente protocolo proporciona instrucciones para el montaje de la célula de corte (sección 1), el montaje de la célula de corte en el escenario medio de la muestra (sección 2), la calibración de la geometría para un experimento de SANS (sección 3), la carga de una muestra (sección 4), corriendo un experimento y recogida de datos (artículo 5) y terminando un experimento (sección 6). Como referencia, la Figura 3 es un esquema de la célula montada y la Figura 4 muestra las partes de la célula de cizallamiento desmontados establecidos desde la placa frontal a la placa de atrás, de izquierda a derecha, y de las herramientas necesarias para el montaje (1/16 y 3/16 en Allen wrenches, y un 3/8 en llave de boca). De izquierda a derecha en la figura 4 son la placa frontal, cojinete, casquillo de resorte, juntas tóricas, ventana de cuarzo, placa media con las juntas tóricas, puertos de acceso de la muestra y los conectores de jeringas, set-tornillos, mandril, y las partes para la placa posterior (ventana de cuarzo, juntas tóricas, casquillos de resorte, cojinete), placa trasera, cuatro tornillos de cabeza hueca y de conexión rápida de la manguera de refrigeración con conectores rápidos adjuntos.

1. Montar la célula de corte (recuadro a la derecha en la figura 2)

1. Prepare la placa media para el montaje.
   1. Limpiar la placa intermedia incluyendo las vías de la muestra y la configuración de los tornillos y de identificar la parte superior de la placa por la marca de la muesca.
   2. Selle las vías de carga de muestras utilizando los tres tornillos de ajuste. Envuelva cada tornillo de fijación en la cinta para sellado de roscas y utilizar un 1/16 en la llave Allen para insertar cada tornillo en cada agujero en la "base" (2) y un tornillo de ajuste en el agujero en el "lado".
2. Preparar las placas traseras y frontales para el montaje (Figura 5).
   1. Ajuste a presión el cojinete en cada una de las placas delantera y trasera.
   2. Inserte el casquillo de resorte (que es un sello) con la cara de la primavera abierta hacia la muestra en las placas delantera y trasera.
   3. Coloque el pequeño (1-5/8 ID) y grandes (2-1/4 en ID) Buna-N cuadrados de sello doble juntas tóricas en las ranuras de cada una de las placas frontal y posterior.
   4. Coloque las ventanas de cuarzo en la parte superior de los cuadrados juntas tóricas en cada placa.
3. Montar las placas delanteras y una intermedia.
   1. Coloque la placa frontal sobre una superficie plana; alinear la puntuación obtenida en la parte superior de las placas medias y delanteras y colocar la placa intermedia en la placa frontal. Si es necesario, aplicar una pequeña cantidad de grasa adecuada para las juntas tóricas redondeadas en Tque la placa media para mantenerlos en su lugar durante el montaje.
4. Montar el mandril y la placa de nuevo juntos.
   1. Inserte el extremo corto del eje de mandril en la placa posterior. Usar fuerza aplicada uniformemente y el mandril se "clic" en su lugar. Tome en cuenta que el mandril es ahora la celebración de la ventana de cuarzo y cuadrados juntas tóricas en su lugar en la placa posterior.
5. Montar la placa delantera, placa media, el mandril y la placa de nuevo juntos.
   1. Coloca la parte delantera y conjunto de la placa central sobre una plataforma elevada con la placa intermedia hacia arriba. Esta plataforma elevada es para permitir espacio para el eje de mandril se extienda por debajo del conjunto sin golpear la mesa.
   2. Alinear la puntuación obtenida en la parte superior del conjunto de la placa frontal con la puntuación obtenida en el conjunto de la placa trasera.
   3. Inserte la parte larga del eje de mandril en el conjunto de la placa frontal. Asegúrese de que las redondeadas juntas tóricas en la placa intermedia quedan bien asentados durante el montaje. La célula wdiapositiva enfermos juntos y otra vez, "clic" cuando armada correctamente.
   4. Atornille el conjunto junto con los cuatro tornillos de cabeza hueca y un 3/16 en la llave Allen. Apriete los tornillos en un patrón de cruz para la célula mantiene la concentricidad.
6. Envuelva la cinta para sellar roscas alrededor de los dos puertos de acceso y el tornillo de ellos en la parte superior de la placa intermedia. Apriete con un 3/8 en una llave de boca.
7. Coloque la máscara de cadmio (Figura 6) en la ranura receptora mecanizada en la parte delantera de la placa frontal. Aplique cinta o con un punto para mantener la máscara en su lugar si es necesario.
8. Utilice los conectores rápidos de interrogar a conectar la manguera de refrigerante entre los mejores puertos en las placas delantera y trasera.

2. Montar la célula de corte en la línea de haz

1. Cubra la ventana del detector SANS con el escudo de seguridad.
2. Pregunte al científico instrumento instalación encargada de alinear la etapa entorno de ejemplo con el haz de neutrones. Monte el tablero a la etapa de entorno muestra usando cuatro ¼ x 20 tornillos Allen de cabeza hueca y un 3/16 en la llave Allen.
3. Conecte el montaje de la célula de corte en el soporte celular de montaje situado en la placa base (ya conectada al tablero (Figura 7)).
   1. Identificar el soporte y el eje acoplador célula de montaje unido a la placa de base (Figura 8). Asegúrese de que los tornillos fijados para el acoplador de eje se aflojan.
   2. Alinear el acoplador de eje y el eje de mandril de tal manera que los tornillos de ajuste en el acoplador se atornille en la parte plana del eje del mandril.
   3. Horizontalmente deslice la célula de corte en el soporte celular-de montaje de manera que el conjunto se parece a la que se muestra en la Figura 8. Este paso se debe realizar con cuidado, ya que es importante no doblar el eje mandril o el acoplador de eje.
   4. Conecte el montaje de la célula de corte en el soporte celular de montaje con dos de cabeza huecatornillos de presión con un 3/16 en Allen llave. Apriete bien siempre asegurándose de que la célula de corte quede al ras contra el soporte celular de montaje.
   5. Apriete los dos tornillos de ajuste en el conector del eje usando un 1/16 en la llave Allen para conectar el eje mandril célula de corte al conjunto de accionamiento.
4. Alinear la geometría célula de corte con el haz de neutrones.
   1. Utilizar el láser para ajustar la fase de entorno de ejemplo SANS tal que la altura del eje del mandril es el mismo que el haz de neutrones. Alinear el centro de la brecha en el célula de corte hasta el centro de la trayectoria de la línea de luz de neutrones.
5. Inserte la ranura de cadmio apropiada en el conjunto de fase del motor de hendidura que está montado en el tablero (Figura 8). Asegure la hendidura con la tachuela de ser necesario.
   Nota: La hendidura debe estar al ras con la placa frontal y aproximadamente colocado dentro de la brecha de la célula de corte. Elija la ranura en consecuencia para el experimento deseado. Para resoluti brechaen experimentos de 0,1 mm y 0,2 mm cortes curvos están disponibles. Considerando que para las mediciones que no requieren resolución espacial de una ranura rectangular de 0,8 mm es aconsejable.
6. Mover la posición del motor con la manivela para ajustar la tensión de la correa de transmisión de modo que no es aproximadamente ¼ de deflexión en la cinta. Cuando tensada correctamente, cierre la ubicación del motor apretando el tornillo de ajuste situado debajo de la rueda con un 7/64 en Allen llave.
   Nota: Un reductor opcional se puede añadir al conjunto de motor. Esta opción puede ser necesaria en base a las tasas de corte necesarios requeridos para un experimento específico.
7. Conecte las dos mangueras de baño de líquido refrigerante hasta la célula de corte mediante los conectores rápidos.
8. Ajuste las cámaras de observación o de otros equipos auxiliares específicos para observar el experimento.
9. Retire el protector de seguridad la protección de la ventana del detector SANS.

3. Configuración de SANS y calibración

1. Adjuntar un 0,5 in &# 160; de apertura al extremo del hocico en el haz de neutrones incidente.
2. Ajuste la posición deseada detector SANS (q-range), longitud de onda de neutrones, y la propagación de onda siguiendo protocolos SANS estándar y optimizados para las condiciones experimentales.
   Nota: El cálculo de la distancia de muestra a detector se basa en el escenario entorno de ejemplo se encuentra en la "mesa de Huber".
3. Alinear la posición de hendidura con la brecha de la célula de corte.
   1. Utilice la fase del motor hendidura (Figura 8) para alinear la posición de hendidura con la brecha de la célula de corte. Usa un láser para emular el haz de neutrones y un espejo para detectar el láser una vez que pasa a través de las ventanas de cuarzo dentro de la brecha de la disposición de células de cizallamiento.
   2. Ajuste con precisión la posición de la ranura usando mediciones de transmisión de SANS. Sistemáticamente variar la posición del motor de hendidura de la pared interior de la brecha de la célula de corte a la pared exterior de la brecha de la célula de corte utilizando pasos de 0,1 mm de traducción hendidura del motor.Observar la transmisión (normalmente 2 seg) utilizando SANS y registrar la posición del motor de ranura para cada medición de la transmisión (Figura 9).
      Nota: Si se desea una resolución espacial, identificar las posiciones necesarias para los experimentos SANS motor. Si la resolución espacial no es necesario identificar la posición de un solo motor que se alinea la ranura con el centro de la brecha de la célula de corte. Alineación de la hendidura con el hueco de la célula de corte es fundamental para completar un buen experimento. También es posible (y recomendado) para utilizar el agua para alinear la posición de la ranura usando mediciones de transmisión de SANS. El uso de agua reduce la transmisión y proporciona contraste con la carcasa de la célula de cizallamiento (Figura 9).
      Nota: Cargue el agua en la célula, siguiendo el protocolo de carga de muestra (sección 4). El uso de agua requerirá generalmente la célula de corte para ser retirado de la placa de base, desmontado, se secó, se vuelve a montar y volver a montar a la placa de base antes de cargar el SAmple para el experimento. Siempre y cuando la placa base no se elimina de la fase de medio ambiente muestra que esto no debería ser un problema, pero siempre es importante verificar la alineación de hendidura con la brecha.
4. Calibre la geometría de la muestra
   1. Realizar un recuento oscura haz bloqueado y una medición de celda vacía de acuerdo con los procedimientos normalizados de SANS. Tenga en cuenta que las mediciones de células vacías deben realizarse en cada localización espacial según lo determinado por la calibración de hendidura realizada en la sección 3.3.

4. La carga de muestras Protocolo

1. Coloque el protector de seguridad de la ventana detector SANS.
2. Montar los dos conectores de jeringa (nylon) y accesorios de jeringa con rosca (azul y amarillo) a los tubos de acero en la parte superior de la celda de muestra. Asegúrese de que las llaves de paso están en la posición cerrada.
3. Cargar previamente la muestra en un 10 ml jeringa (volumen mínimo de la muestra es de 6 ml) roscadas. Asegúrese de que la muestra está libre de burbujas.
   1. Eliminar las burbujas ya sea por centrifugación ligera o calentamiento de la muestra para reducir la viscosidad de la muestra durante la carga de la jeringa. Si la muestra se calienta, se recomienda encarecidamente que la temperatura de la célula de corte también se incrementa para ayudar en la carga de la muestra.
4. Coloque una jeringa vacía y sin el émbolo en el conector en el medio de la célula de corte para recibir el exceso de muestra (Figura 8).
5. Coloque la jeringa de la muestra en el otro conector (Figura 8).
6. Abra las dos llaves de paso.
7. Inyectar la muestra lentamente hasta que la muestra comienza a entrar en la jeringa vacía.
8. Eliminar las burbujas de aire de la brecha de la célula de corte.
   1. Girar el control del motor fuera para liberar el motor y permitir que el cinturón se puede mover manualmente.
   2. Cizallar la muestra con la mano para ayudar a mover las burbujas a la parte superior de la célula de corte, mediante el cual la inyección de la muestra adicional típicamente empujará la burbuja en la tomay hacia fuera de la brecha de la célula de corte.
9. Cerrar las llaves de paso para bloquear la muestra en la célula.
10. Cambiar la temperatura del baño de agua a la temperatura experimental requerido, y preacondicionar historia de cizallamiento de la muestra según sea apropiado.
11. Verifique que no haya burbujas (y lo hacen de manera regular durante el curso del experimento). Si se observan burbujas; abrir las llaves de paso, utilizar la rotación para mover las burbujas a la parte superior de la zona de cizalla, e inyectar la muestra adicional para empujar las burbujas fuera de la zona de cizalla de la célula.
12. Retire el protector de la seguridad y las herramientas y los suministros ajenos desde el área del haz.

5. Ejecución del experimento Shear y coleccionismo SANS datos

1. Para los experimentos de cizallamiento constante simples:
   1. Ajuste la velocidad de cizallamiento en el archivo de control de cizalla constante asociada con el software de control del motor (consulte la documentación asociada para el funcionamiento del software de control del motor).
   2. Identificar la dirección de cortede la muestra durante el experimento.
   3. Configure los SANS experimentos deseados según los procedimientos normalizados de SANS.
   4. Arranque el motor de la célula de corte.
   5. Inicie la SANS. Compruebe los conteos del detector y observar el patrón de SANS 2D para asegurar resultados SANS se graban correctamente durante la esquila. Un ejemplo de un patrón típico observado para las soluciones de tensioactivos discutidos en la sección de resultados representativos se muestran en la Figura 10.
   6. Repita el procedimiento (sección 5.1) para cada velocidad de cizallamiento deseada.
2. Para los experimentos de cizalla oscilatoria con resolución temporal:
   1. Verifique la posición de disparo para el experimento de cizallamiento oscilatorio. Para cizalla oscilatoria, esto es en el punto de la deformación máxima y mínima (cero) la velocidad de deformación.
   2. Establezca la frecuencia de oscilación y la amplitud de la deformación en el archivo de control de tiempo de resolverse la asociada con el software de control del motor (consulte la documentación asociada para contro motoroperación l software). Tenga en cuenta que la amplitud de la deformación se define de acuerdo con la amplitud de la deformación aplicada centrada en cero y es la amplitud de la deformación reológicamente definido.
   3. Arranque el motor de la célula de corte para el experimento de cizallamiento oscilatorio.
   4. Inicie la SANS. Compruebe los conteos del detector y observar el patrón 2D para asegurar SANS correctamente se graba durante cizallamiento oscilatorio.
   5. Copie el archivo de registro de detector de neutrones con marca de tiempo de nisto a Charlotte y preproceso de los datos utilizando el software proporcionado por el NCNR.
   6. Reducir los datos se procesan establecidos con el paquete de software de reducción de IGOR.
   7. Repita el procedimiento (apartado 5.2) para cada frecuencia de la orientación deseada y condiciones amplitud de deformación.

6. Fin del Experimento

1. Apague el haz de neutrones y el control motor.
2. Coloque la pantalla de seguridad en la ventana del detector SANS.
3. Deje que la muestra y el aparato stanD en el haz cerrado durante 5 min. Realice un control estándar de radiación antes de retirar la célula de corte de la placa base.
4. Abrir las llaves de paso en los puertos de muestreo y retirar o expulsar la muestra utilizando las jeringas de muestra. Recuperar la muestra, cerrar las llaves de paso, y retire las jeringas.
5. Apague el baño de temperatura. Desacoplar las mangueras de refrigeración del baño de líquido de las células de cizalla puertos de conexión rápida.
6. Afloje los tornillos Allen en el acoplador de eje entre el mandril y el eje de transmisión usando un 1/16 de una llave Allen. Utilice un 3/16 en Allen llave para desenroscar los dos tornillos de cabeza hueca que sujetan la célula de corte en el soporte celular de montaje. Deslice la célula de corte del soporte de montaje de la célula.
7. Desmontar la célula de corte invirtiendo el protocolo de montaje (artículo 1 del protocolo).
8. Limpie la célula de corte con agua jabonosa. Enjuague y seque bien.

Representative Results

Los resultados representativos de un exitoso experimento de flujo-SANS se dan en las figuras 9, 10 y 11. Estos ejemplos son de investigaciones realizadas en una solución micelar vermiforme (WLM) (Tabla 1) sabe que presentan bandas de cizallamiento durante ciertas condiciones de cizallamiento. Una discusión completa de los hallazgos científicos se pueden encontrar en las referencias ^15-17.

La figura 10 representa los resultados de un modelo de dispersión obtenida bajo flujo de tensiones utilizando la celda de corte. La muestra estudiada es una micela wormlike viscoelástico solución (WLM), formado de largo, enredado filiformes micelas auto-ensambladas moléculas anfifílicas ^13-15. La composición de la solución estudiado se da en la Tabla 1. Al cizallamiento estos sistemas de la solución WLM demuestra un comportamiento de fluidificación por cizalladura como consecuencia de una combinación compleja de alineación flujo de micelas, desenredo, y posiblemente m(modelo ¹⁹ Vázquez-Cook-McKinley (VCM)) Rotura icelle. Una complejidad particularmente interesante en estos sistemas es la aparición de bandas de cizallamiento. Bandas de cizallamiento se observó originalmente visualmente como bandas birrefringentes cerca de la pared de rotación de una geometría Couette ^20. En cizallamiento bandas del campo de flujo segrega a dos o más regiones, o "bandas", cada uno con una velocidad de cizallamiento característica diferente como se ilustra en la Figura 9. Para el WLM estudió aquí, dos bandas se forman en suficientemente altas velocidades de cizallamiento - uno con una velocidad de cizallamiento mayor que el, valor medio esperado, y uno a una velocidad de cizallamiento inferior. Estas bandas coinciden con la meseta de la tensión observada en las mediciones de reometría de cizallamiento de estado estacionario (Figura 11).

Una cuestión principal relativa a las bandas de corte es el estado microestructural del surfactante a velocidades de cizallamiento que se observa bandas de cizalla. No se sabía cómo organizó el surfactante en el alto shbanda de la oreja con respecto a la banda de baja cizalladura. El nuevo instrumento de cizalla SANS celulares con resolución espacial a través de la brecha se está especialmente preparado para estudiar este problema. A través de mediciones de reometría y el flujo-velocimetría independientes en una célula de Couette comparables, la ubicación de las bandas de cizallamiento se define a través de la brecha en la célula de Couette. El uso de una abertura estrecha rendija (0.1 mm) de datos SANS que se aplica en diferentes posiciones a través de la brecha en el gradiente de velocidad-velocidad (1-2) plano de cizallamiento durante el flujo de cizalla constante. Aquí mostramos los resultados para un compuesto de WLM catiónico bromuro de cetiltrimetilamonio surfactante (CTAB) en agua deuterada (D ₂ O) a 0.49 mol / L (490 mm) y 32 ° C ^6. Mediciones de flujo-SANS se llevan a cabo en ocho posiciones a través de la brecha de Couette 1,0 mm mediante la traducción sistemáticamente la abertura de rendija de 0,1 mm a través de la ventana en la célula de corte. Figura 11 muestra un resumen visual de los resultados, donde el anillo de intensidad es un pico de correlación due interacciones segmento segmentos. Anisotropía en este anillo indica la alineación del flujo segmentaria, con alta alineación típica de una fase nemática. Se observa una diferencia significativa en la dispersión de anisotropía entre las posiciones en las bandas de baja cizalladura y alta cizalladura. Una explicación detallada de la importancia de estas medidas para realizar el objetivo de explicar el mecanismo de bandas de cizallamiento como se observa en los resultados de la reología y el flujo-velocimetría se puede encontrar en las referencias ^13-15. Estas medidas han sido recientemente ampliado con éxito a las deformaciones dependientes del tiempo por métodos de dispersión de neutrones de tiempo resuelto como se describe en el apartado 5.2 de este trabajo y estos resultados se han presentado para su publicación ^21.

Figura 1. Un Geometría para oscilatorio Rheo-SANS (TOR-SANS) experimentos resueltos en tiempo en los 1,3 y 2,3 planos de flujo. b) Nueva geometría que sondea el gradiente de velocidad-velocidad (1-2) plano de cortadura (adaptado de ME Helgeson, NJ Wagner, y L. Porcar, "medidas de transmisión de neutrones de los perfiles de concentración de los flujos de cizalla no homogéneas", Informe Anual 2010, el NIST Centro para la Investigación de Neutrones, Gaithersburg,. MD p. 38-39, 2010).

Figura 2. La instrumentación 1-2 célula de corte básico en la línea de luz SANS D22 en el Instituto Laue-Langevin de Grenoble, Francia. A) vista desde arriba de la instrumentación con la caja de cambios y transmisión por correa, cortó haz fase de motor, motor paso a paso y de neutrones importan ted para mayor claridad; b) vista lateral de la célula de corte con puertos de acceso de ejemplo adjunto.

Figura 3. Esquema de la célula de corte con placa trasera (roja), placa de separación (blanco) y la placa frontal (azul) comprenden el alojamiento para el mandril giratorio.

Figura 4. Habida cuenta de todas las piezas y las herramientas necesarias para montar el 1-2 avión instrumento célula de corte desensamblado.

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Figura 5. Volver conjunto de la placa que muestra cojinete, buje de muelle, dos juntas tóricas y la ventana de cuarzo montados correctamente.

Figura 6. Célula de corte montado con la placa frontal para demostrar la colocación correcta de la abertura de cadmio.

Figura 7 vista. Lateral del medio ambiente de la muestra en la línea de luz D22, en el Instituto Laue-Langevin de Grenoble, Francia. A)De abajo a arriba: mesa de Huber, el escenario medio de la muestra y de tablero; b) cubierta de seguridad en su lugar y de células montadas sobre la placa base, que se adjunta a la protoboard.

Figura 8. La célula de corte ensamblado completo con jeringas de muestra unido a la ménsula de montaje y de células-acoplador de eje en la placa de base.

Figura 9. Izquierda) Diagrama de la célula de corte de flujo SANS 1-2 en planta que muestra la velocidad (1) y las direcciones del gradiente de velocidad (2) (flechas rojas) con respecto al haz incidente (flecha azul) unad sentido de rotación del mandril (flecha verde). mediciones de transmisión se realizan con 0,1 mm de hendidura y se presentan como una función de la posición a través de la brecha de la geometría de la célula de corte. Derecha) La ilustración muestra los resultados de experimentos realizados SANS en dos posiciones diferentes en la brecha que corresponden a las bandas de cizallamiento alta y baja.

Figura 10. SANS típicas de dispersión patrón observado en el plano 1-2 de micelas similares a gusanos bajo flujo cortante.

Figura 11. Izquierda) esfuerzo de corte frente al cizallamiento tarifa para solución de CTAB. Las líneas son el ajuste del modelo Giesekus con (sólido) y sin (discontinua) la difusión como se describe en la referencia ^15. Derecha) SANS bidimensionales dispersión resultados para velocidades de cizallamiento aplicadas nominales y posiciones brecha normalizados que abarcan la transición de bandas de corte para la muestra de CTAB. La línea de color negro indica la ubicación medida de la interfaz entre las bandas de ondas de cizalla y baja velocidad de corte. En estas figuras, la dirección de flujo es vertical hacia abajo y la dirección de la velocidad-gradiente es horizontal a la derecha. (Reproducido con permiso de la referencia ^15. Copyright 2009, La Sociedad de Reología.)

Figura dibujo 12 Parte:. 1-2 placa frontal célula de corte. ad/51068/51068fig12highres.jpg "target =" _blank "> Haga clic aquí para ver la imagen más grande.

Figura 13. Dibujo de parte:. 1-2 ventana de cuarzo célula de corte Haga clic aquí para ver la imagen más grande.

Figura 14. Dibujo de parte:. 1-2 célula de corte placa intermedia Haz clic aquí para ver la imagen más grande.

Figura 15 "fo: content-width =" 5in "fo: src =" / files/ftp_upload/51068/51068fig15highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/51068/51068fig15.jpg "/>
Figura 15. Dibujo de parte:. 1-2 mandril célula de corte Haga clic aquí para ver la imagen más grande.

Figura dibujo 16 Parte:.. 1-2 placa posterior célula de corte Haga clic aquí para ver la imagen más grande.

F . igura 17 dibujo de parte:. 1-2 placa base de la célula de cizallamiento clic aquí para ver la imagen más grande.

Figura 18. Dibujo de parte:. 1-2 forro de plástico célula de corte Haga clic aquí para ver la imagen más grande.

Figura dibujo 19 Parte:. 1-2 soporte delantero célula de corte. hres.jpg "target =" _blank "> Haga clic aquí para ver la imagen más grande.

Figura dibujo 20 Parte:.. Soporte del eje de accionamiento 1-2 célula de corte clic aquí para ver la imagen más grande.

Figura dibujo 21 Parte:.. 1-2 eje de transmisión célula de corte Haga clic aquí para ver la imagen más grande.

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Figura dibujo 22 Parte:.. 1-2 placa de retención célula de corte Haga clic aquí para ver la imagen más grande.

Figura dibujo 23 Parte:.. 1-2 acoplador de eje de la célula de corte Haga clic aquí para ver la imagen más grande.

Deuterados Agua (99,9%)	Cambridge Isotopes	7789-20-0	83.3% en peso en la formulación D 2 O
CTAB-bromuro de cetiltrimetilamonio	Sigma-Aldrich	57-09-0	16,7% en peso en la formulación CH3 (CH2) 15 N (Br) (CH3) 3
1/16 de una llave Allen
3/16 en la llave Allen
3/8 de llave de boca
cinta
Cinta de sellado de
jeringas (2)

Tabla 1.

Discussion

Un nuevo instrumento capaz de medir la microestructura de cizallamiento fluidos complejos en el plano gradiente de velocidad-velocidad de cizallamiento a través de la dispersión de neutrones de ángulo pequeño se desarrolló y validó. El diseño de la célula de cizallamiento complementa otros instrumentos que utilizan fuentes de radiación, como los rayos X y la dispersión de la luz, así como los instrumentos rheo-SANS capaces de caracterizar la microestructura en los otros dos planos de corte (velocidad-vorticidad y la velocidad de gradiente de vorticidad) ^{8 , 10.} Este instrumento funciona para ambos flujos de cizallamiento y tiempo dependientes estables, tales como los flujos de cizallamiento oscilatorio o de puesta en marcha, este último utilizando una metodología estroboscópico y técnicas resueltas en el tiempo de dispersión de neutrones ^{11, 12, 21.} Una ventaja de utilizar SANS es que los métodos contraste con las características determinadas pueden ser empleados para explorar los componentes individuales en mezclas complejas y materiales que son opacos, o carecen de contraste necesariamenteY para la dispersión de rayos X. El instrumento y los métodos de flujo-SANS se han ampliado con éxito para resolver la microestructura interna durante bandas de cizallamiento ^{14, 15.} Además, como SANS es una técnica de medición absoluta, las mediciones de la transmisión haz incidente a través de la muestra se pueden usar para determinar absolutos cambios en la composición química a través de la brecha de Couette, se ha demostrado recientemente en ^13. Como tal, la nueva técnica de flujo-SANS es un método robusto y versátil para la obtención de información microestructural directa, desde el atomizado a la escala de longitud ~ micras, en una amplia gama de soluciones coloidales, surfactantes auto-ensamblado, de proteínas, y de polímero y su mezclas en condiciones de no equilibrio. Esta instrumentación se encuentra actualmente disponible para su uso por la presentación de propuestas en ambos SANS e instrumentos USANS en el Centro para la Investigación de Neutrones del NIST en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología en los EE.UU. y en Europa, en el neutrón D22 seaam del Instituto Laue-Langevin en Grenoble, Francia.

El diseño actual geometría de la célula de corte permite la adición de métodos suplementarios, tales como dispersión de la luz para la recogida de neutrones simultánea y dispersión óptica de fotones de datos (chasquea), así como de formación de imágenes de microscopio directa. El último puede ser utilizado para ayudar a resolver el campo de flujo in situ por métodos de seguimiento de partículas. Desarrollos futuros incluyen una mayor sincronización de los flujos en función del tiempo, que actualmente se limita a ~ 10 microsegundos en resolución. Por supuesto, también hay limitaciones para el diseño mecánico en curso, tales como las tasas máximas de corte alcanzables son del orden de 10 ³ seg ^-1 y deformación amplitudes y frecuencias para el flujo oscilatorio están limitados por el tiempo de resolución, así como la fidelidad del motor. Algunos de estos problemas se están resolviendo mediante reductores adicionales. Además, la viscosidad de la muestra debe ser tal que se puede cargar mediante una jeringa. Típicamente, cuando posibles, las muestras se calienta para facilitar la carga y permitir la eliminación de las burbujas de aire atrapadas durante la carga. Se debe tener cuidado al considerar las posibles inestabilidades de flujo y el deslizamiento de la pared, que son preocupaciones típicas dirigidas a hacer las mediciones reológicas complementarias. También hay un compromiso entre la exactitud del campo de flujo aplicada y el espesor de la muestra (en la actualidad de 5-7 mm) esto puede limitar algunas aplicaciones debido a las preocupaciones sobre la dispersión múltiple y adsorción. La geometría requiere un volumen de muestra de orden 6 ml, que puede ser un reto para el estudio de materiales raros. Como con cualquier buen diseño, no hay espacio para la mejora en la célula de corte se detalla aquí. De hecho, el instrumento actual es un método de flujo de SANS en que las mediciones de SANS se realizan mientras se aplica un flujo de cizallamiento simultánea, sin embargo, con el diseño actual no hay mediciones de reometría son posibles. Desarrollos inminentes permitirán SANS simultáneas y mediciones de par. Un verdadero instrumento rheo-SANS parainvestigar el plano gradiente de velocidad-velocidad de cizallamiento será posible dado que el esfuerzo cortante se resolverá a partir del par y por lo tanto, se puede lograr mediciones de reometría y SANS simultánea. Ingeniería de nuevas células de cizalla que se sellan mecánicamente y accionamiento magnético es un reto agradable y en la actualidad, están en marcha para hacer frente a algunas de estas cuestiones diseños y construcción de la célula de corte de última generación.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Deuterated Water (99.9%)	Cambridge Isotopes	7789-20-0	83.3 wt % in formulation D2O
CTAB- Cetyltrimethylammonium Bromide	Sigma-Aldrich	57-09-0	16.7 wt % in formulation CH3(CH2)15N(Br)(CH3)3
1/16 in Allen wrench
3/16 in Allen wrench
3/8 in Open end wrench
Tape
Thread seal tape
Syringes (2)