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 experiment (avsnitt 3), laddar ett prov (avsnitt 4), kör ett experiment och datainsamling (avsnitt 5) och slutar ett experiment (avsnitt 6). För referens, är figur 3 en schematisk bild av den sammansatta cellen och Figur 4 visar de demonterade skjuvning celldelar som ut från frontplåt för att backa plåt, från vänster till höger, och de verktyg som krävs för montering (1/16 i och 3/16 i Allen wrenches och en 3/8 i en gaffelnyckel). Från vänster till höger i figur 4 är frontplåten, bär, fjäderbussning, O-ringar, kvartsfönster, mellanplattan med O-ringar, provaccessportar och sprut kontakter, set-skruvar, spindel, samt delar till bakplattan (kvartsfönster, O-ringar, fjäderbelastad bussning, bär), ryggplatta, fyra insexskruvar samt snabbkylningsslang med snabbkopplingar anslutna.

1. Montera Shear Cell (Inset till höger i figur 2)

1. Förbered mellanplattan för montering.
   1. Rengör mellanplattan inklusive prov och set-skruvvägar och identifiera den övre delen av plattan vid ställningen märket.
   2. Täta provbelastningsvägar med hjälp av de tre ställskruvar. Wrap varje set-skruv i gängtejp och använda en 1/16 i insexnyckel för att sätta in varje skruv i varje hål på "botten" (2) och en uppsättning-skruv i hålet på "sidan".
2. Förbered rygg-och frontplattor för montering (Figur 5).
   1. Tryck passa lagret i var och en av de främre och bakre plattor.
   2. För in den fjäderbelastade bussning (vilket är en tätning) med fjädersidan öppen mot provet i de främre och bakre plattor.
   3. Placera den lilla (1-5/8 in ID) och stora (2-1/4 in ID) Buna-N kvadrat dubbla tätnings O-ringar i spåren i vardera fram-och bakstycke.
   4. Placera kvartsfönster på toppen av torget O-ringar i varje platta.
3. Montera de främre och mellersta plattorna.
   1. Placera frontplattan på en plan yta; rikta betygen på toppen av de mellersta och främre plattorna och placera mellanplattan på frontplattan. Vid behov kan en liten mängd lämpligt fett på rundade O-ringarna i than mellanplatta för att hålla dem på plats under monteringen.
4. Montera dornen och bakplattan tillsammans.
   1. Sätt i den korta änden av spindelaxeln i långskylten. Använd jämnt pålagd kraft och domen kommer att "klicka" på plats. Noterar att dornen nu håller kvartsfönstret och fyrkantiga O-ringar på plats på den bakre plattan.
5. Montera frontplatta, mellanplatta, dorn och bakstycke tillsammans.
   1. Placera de främre och mittplattenheten på en upphöjd plattform med mellanplattan uppåt. Denna upphöjda plattformen är att ge utrymme för dornens axel att sträcka sig under monteringen utan att träffa bordet.
   2. Rikta betygen på toppen av den främre plattenheten med poängen på baksidan plattenheten.
   3. För in den långa delen av dornen axeln in i den främre plattenheten. Se till att de rundade O-ringarna på mellanplattan förblir ordentligt under monteringen. Cellen wsjuk glida ihop och igen, "klick" när den är korrekt monterad.
   4. Skruva monteringen tillsammans med fyra insexskruvarna och 3/16 i insexnyckel. Dra åt skruvarna i ett korsmönster så cellen bibehåller rundgång.
6. Wrap gängtejp runt de två åtkomstportar och skruvas in i den övre delen av mellanplattan. Dra åt med en 3/8 i U-nyckel.
7. Placera kadmium mask (figur 6) i den mottagande slitsen bearbetad i den främre delen av den främre plattan. Applicera tejp eller tack för att hålla masken på plats om det behövs.
8. Använd snabbkopplingar till korskoppling kylslangen mellan de bästa hamnarna på de främre och bakre plattor.

2. Montera Shear Cell in strålröret

1. Täck SANS detektorfönstret med säkerhetsskärmen.
2. Fråga den som ansvarar anläggning instrument forskare att anpassa provmiljön scenen med neutronstrålen. Montera kopplingsdäcket till provmiljön scenen med fyra ¼ tum x 20 socket head Allen bultar och en 3/16 i insexnyckel.
3. Fäst skjuvning cellmonteringen i cell-fäste som ligger på bottenplattan (som redan finns på bakbord (Figur 7)).
   1. Identifiera den cellmonteringskonsolen och axelkoppling fäst vid bottenplattan (Figur 8). Se till set-skruvar för axelkopplingen lossas.
   2. Rikta in axelkopplingen och dornen axeln så att låsskruvarna på kopplet kommer att skruva in i den plana delen av dornen axeln.
   3. Horisontellt skjut cell skjuvning i cellen-monteringsfästet så att enheten ser ut som den som visas i figur 8. Ska detta steg utföras med försiktighet eftersom det är viktigt att inte böja spindelaxeln eller axelkopplingen.
   4. Fäst skjuvning cellmonteringen i cellmonteringsfäste med två insexcap-skruvarna med en 3/16 i insexnyckel. Dra säkert alltid att se till att skär cellen är tätt mot cellmonteringsfäste.
   5. Dra åt de två låsskruvarna på axelkontakten med hjälp av en 1/16 i insexnyckel för att ansluta skärcellspindelaxeln till drivaggregatet.
4. Rikta in skjuvning cellgeometri med neutronstrålen.
   1. Använd laser för att justera SANS provet miljö skede så att höjden av dornen axel är densamma som den neutronstrålen. Rikta mitten av springan i skjuvning cell till mitten av neutron strålröret banan.
5. Sätt in rätt kadmium skåran i slitsen motorstadiet enhet som är monterad på kopplingsdäcket (Figur 8). Säkra skåran med please om det behövs.
   Anm: Slitsen bör vara i jämnhöjd med den främre plattan och ungefär placerad i gapet i cell skjuvning. Välj slitsen i enlighet därmed för den önskade experimentet. För gap resolutipå experiment 0,1 mm och 0,2 mm böjda slitsar finns tillgängliga. Skäl för mätningar som inte kräver rumslig upplösning en 0,8 mm rektangulär skåra är tillrådligt.
6. Flytta motorn position med hjälp av veven för att justera spänningen i drivremmen så att det finns ungefär ¼ i avböjning i bandet. När spända ordentligt, lås motor plats genom att dra åt inställningsskruven placerad under hjulet med hjälp av en 7/64 i insexnyckel.
   Obs: Ett valfritt reduktionsväxel kan sättas till motoranordningen. Detta alternativ kan vara nödvändigt på grundval av de erforderliga skjuvningshastigheter som erfordras för ett visst experiment.
7. Anslut de två kylvätska bad slangar till cell skjuvning med hjälp av snabbkopplingar.
8. Justera alla observationskameror eller andra hjälpmedel specifikt för att observera försöket.
9. Ta bort säkerhetsskyddet skyddar SANS detektorfönstret.

3. SANS Setup och kalibrering

1. Bifoga en 0,5 i &# 160, bländare till slutet av nosen om händelsen neutronstrålen.
2. Ställ in den önskade SANS detektorposition (q-range), neutron våglängd och våglängdsspridning enligt standard SANS protokoll och optimerade för de experimentella betingelser.
   Anm: Beräkningen för provet till detektoravståndet är baserad på provmiljön scenen ligger på "Huber tabellen".
3. Passa in skåran position med gapet i cell skjuvning.
   1. Använd slitsen motorsteg (fig 8) för att inrikta slitsen ställning med gapet i cell skjuvning. Använd en laser för att emulera neutronstråle och en spegel för att detektera lasers gång den passerar genom kvartsfönster inom gapet av skjuvning cellaggregatet.
   2. Finjustera läget av slitsen med hjälp av SANS transmissionsmätningar. Systematiskt variera slitsen motorposition från den inre väggen av den skjuvning cellgapet till den yttre väggen av den skjuvning cellgapet med hjälp av steg 0,1 mm motorn slits översättnings.Beakta transmissionen (typiskt 2 sek) med användning av SANS och registrera slitsen motorposition för varje transmissionsmätning (figur 9).
      Obs: Om spatial upplösning önskas, identifiera motorpositioner är nödvändiga för SANS experiment. Om rymdupplösning är inte nödvändigt att identifiera den enda motorposition som anpassar slitsen med mitten av den skjuvning cellspalt. Rikta in skåran med gapet i cell skjuvning är avgörande för att slutföra ett bra experiment. Det är även möjligt (och rekommenderas) att använda vatten för att justera positionen av slitsen med hjälp av SANS transmissionsmätningar. Att använda vatten minskar transmissionen och tillhandahåller kontrast till skjuvning cellens hölje (Figur 9).
      OBS: Fyll på vatten i cellen genom att följa provladdningsprotokollet (avsnitt 4). Med hjälp av vatten kommer i allmänhet att kräva cell skjuvning tas bort från bottenplattan, demonteras, torkas, ihop och återmonteras till bottenplattan innan lastning sa-mple för experimentet. Så länge bottenplattan inte avlägsnas från provmiljön stadiet detta bör inte vara ett problem, men det är alltid viktigt att kontrollera spalt anpassningen till gapet.
4. Kalibrera provgeometrin
   1. Utför en blockerad stråle mörk räkningen och en tom cell mätning enligt standardiserade SANS förfaranden. Observera att de tomma mätningarna cell bör utföras vid varje rumslig plats som bestäms av spalt kalibreringen utförs i avsnitt 3.3.

4. Prov Laddar Protocol

1. Placera säkerhetsskyddet på SANS detektorfönstret.
2. Montera två sprut kontaktdon (nylon) samt gängade sprut fixturer (blå och gul) till stålrören vid toppen av provcellen. Kontrollera att avstängningskranarna är i det stängda läget.
3. Förladda provet i en 10 ml gäng spruta (minimiprovvolym är 6 ml). Kontrollera att provet är fritt från bubblor.
   1. Eliminera bubblor genom antingen centrifugering av lätt eller upphettning av provet för att minska viskositeten hos provet medan laddning av sprutan. Om provet är uppvärmd, är det starkt rekommenderat att temperaturen hos cellen skjuvning ökas också för att hjälpa till vid laddning av provet.
4. Placera en tom spruta utan kolven på kontakten i mitten av den skjuvning cellen att ta emot överskottsprov (Figur 8).
5. Placera provspruta på den andra kontakten (Figur 8) den.
6. Öppna båda kranarna.
7. Injicera provet långsamt tills provet börjar komma in i den tomma sprutan.
8. Avlägsna eventuella luftbubblor från gapet i cell skjuvning.
   1. Vrid motorstyrning av för att frigöra motorn och tillåta remmen att förflyttas manuellt.
   2. Skjuva provet för hand för att hjälpa till att flytta bubblorna till toppen av den skjuv-cell, varigenom ytterligare provinjektion kommer typiskt att skjuta bubbla in i utloppetoch ut ur skärcellspalt.
9. Stäng vattenkranarna för att låsa provet i cellen.
10. Ändra temperatur på vattenbadet till den erforderliga experimentella temperatur och förbehandla provets skjuvningshistoria som är lämpligt.
11. Kontrollera om det finns några bubblor (och göra det regelbundet under loppet av experimentet). Om bubblor observeras; Öppna kranarna, använd rotation för att flytta bubblorna till toppen av skjuvningszonen och injicera ytterligare prov för att pressa bubblorna ur skjuvningszonen av cellen.
12. Ta bort säkerhetsskyddet och alla främmande verktyg och förnödenheter från balkområdet.

5. Köra Shear Experiment och samla SANS Data

1. För enkla stadig skjuvning experiment:
   1. Ställ skjuvhastigheten i den stadiga styr skjuvning fil i samband med motorstyrprogram (se tillhörande dokumentation för programvara motorstyrning drift).
   2. Identifiera skjuvriktningenav provet under experimentet.
   3. Ställ in de önskade SANS experiment enligt de standardiserade SANS förfaranden.
   4. Starta skjuvning cellmotorn.
   5. Starta SANS experimentet. Kontrollera detektor räknas och observera SANS 2D mönster för att försäkra SANS resultat på ett riktigt in under klippning. Ett exempel på ett typiskt mönster som observerats för de lösningar ytaktiva diskuteras i avsnittet om representativa resultat visas i figur 10.
   6. Upprepa proceduren (avsnitt 5.1) för varje önskad skjuvhastighet.
2. För tidsupplösta oscillerande skjuvning experiment:
   1. Kontrollera utlösningsläge för oscillerande skjuvning experimentet. För oscillerande skjuvning, är det vid tidpunkten för maximal belastning och minimum (noll) töjningshastighet.
   2. Ställ oscillationsfrekvensen och stam amplitud i tidsupplöst styrfilen i samband med motorstyrprogram (se tillhörande dokumentation för motor control programvara drift). Observera att stammen amplituden definieras enligt amplituden av den tillämpade stammen centrerad på noll och är den reologiskt definierade stammen amplitud.
   3. Starta skjuvning cellmotorn för den oscillerande skjuvning experimentet.
   4. Starta SANS experimentet. Kontrollera detektor räknas och observera 2D mönster att försäkra SANS är korrekt spelas in under oscillerande klippning.
   5. Kopiera tidsstämplad neutrondetektor loggfil från NISTO till Charlotte och förbehandla data med hjälp av programvara som tillhandahålls av NCNR.
   6. Minska de förbehandlade datasetet med minskningen programpaket i IGOR.
   7. Upprepa proceduren (avsnitt 5.2) för varje, önskad svängningsfrekvens och stam amplitud skick.

6. End of Experiment

1. Stäng av neutronstrålen och motorstyrning.
2. Placera säkerhetsskyddet på SANS detektorfönstret.
3. Låt provet och anordning stand i det stängda stråle under 5 min. Gör en vanlig strålningskontroll innan du tar bort cell skjuvning från bottenplattan.
4. Öppna kranarna på provportarna och dra eller skjuta ut provet med prov sprutor. Åter provet, stänga kranarna, och ta sprutorna.
5. Stäng av badtemperaturen. Koppla loss vätske bad kylningsslangar från skjuvning cellsnabbanslutningsportar.
6. Lossa insexskruvarna på axelkopplingen mellan dornen och drivaxeln med hjälp av en 1/16 i insexnyckel. Använd en 3/16 i insexnyckel att skruva de två insexskruvarna som håller fast cellen skjuvning till cellmonteringsfästet. Skjut cell skjuvning ut ur cellen monteringsfästet.
7. Demontera cell skjuvning genom att vända på monteringsprotokollet (avsnitt 1 i protokollet).
8. Rengör cell skjuvning med såpvatten. Skölj och torka ordentligt.

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 flöde med hjälp av cell skjuvning. Provet studerades är en viskoelastisk ormlika micell (WLM)-lösning som består av långa, intrasslad tråd själv monterade miceller amfifila molekyler ^13-15. Kompositionen av lösningen studeras ges i tabell 1. Vid klippning av dessa system i WLM lösningen visar skjuvtunnande beteende som en följd av en sammansatt blandning av miceller flödesjustering, disentanglement, och eventuellt micelle brott (Vazquez-Cook-McKinley (VCM) modell ^19). En särskilt intressant komplexitet i dessa system är uppkomsten av skjuvning banding. Shear banding ursprungligen observeras visuellt som dubbelbrytande band nära den roterande vägg av en Couette geometri ^20. Under skjuvning banding flödesfältet segregerar in i två eller flera regioner eller "band", var och en med en annan karakteristisk skjuvhastighet såsom illustreras i figur 9. För WLM studerats här, två band bildas vid tillräckligt höga skjuvhastigheter - en med en skjuvhastighet högre än det förväntade, genomsnittliga värdet, och ett vid en lägre skjuvhastighet. Dessa band sammanfaller med den stress platå observerats i stationära mätningar state skjuvning reometri (Figur 11).

En primär fråga om skjuvning banding är den mikrostrukturella tillstånd iden vid skjuvhastigheter där skjuvning banding observeras. Det var okänt hur det ytaktiva organiseras i hög shöra bandet relativt låg skjuvning bandet. Den nya skärcell SANS instrument med rumslig upplösning över gapet är unikt lämpad för att studera detta problem. Genom oberoende reometri och flödes Velocimetry mätningar i en jämförbar Couette-cell, är placeringen av bryt banden definierade över gapet i Couette cellen. Med hjälp av en smal springa öppning (0,1 mm) SANS data samlas in på olika positioner över gapet i hastighets-hastighetsgradienten (1-2) plan skjuvning under stadig skjuvflöde. Här rapporterar vi resultaten för ett WLM består av katjoniskt ytaktivt cetyltrimetylammoniumbromid (CTAB) i deutererat vatten _(D2O) på 0,49 mol / L (490 mM) och 32 ° C ^6. Flow-SANS mätningar utförs vid åtta positioner över 1,0 mm Couette lucka genom att systematiskt översätta den 0,1 mm spaltöppning över fönstret i skjuvning cellen. Figur 11 visar en visuell sammanfattning av resultaten, där intensiteten ringen är en korrelationstopp due till interaktioner segmentet etapper. Anisotropi i denna ring indikerar segment flöde anpassning, med hög anpassning typisk för en nematisk fas. En signifikant skillnad i spridnings anisotropi observeras mellan positioner i de låg-skjuvning och hög skjuvning band. En detaljerad förklaring av betydelsen av dessa mätningar för att förverkliga målet att förklara mekanismen för skjuvning banding som observerats i reologi och flödes Velocimetry resultat finns i referenserna ^13-15. Dessa mätningar har nyligen med framgång utvidgats till tidsberoende deformationer av tids löst neutronspridning metoder som beskrivs i avsnitt 5.2 i detta arbete och dessa resultat har lämnats in för offentliggörande ^21.

Figur 1. En Geometri för tidsupplöst oscillerande Rheo-SANS (Tor-SANS) experiment i 1,3 och 2,3 plan av flödet. b) Ny geometri som sonder hastigheten-hastighetsgradienten (1-2) plan skjuvning (anpassad från ME Helgeson, NJ Wagner, & L. Porcar, "Neutron transmissionsmätningar av koncentrationsprofiler i icke-homogena skjuvning flöden", Årsredovisning 2010, NIST Centrum för neutronforskning, Gaithersburg, MD. sid. 38-39, 2010).

Figur 2. Grund 1-2 shear cell instrumentering i D22 SANS strålröret vid Institute Laue-Langevin, Grenoble, Frankrike. A) toppvy av instrumentering med växellådan och remdrift, spaltmotor skede stegmotor och neutronstråle highligh ted för tydlighets skull, b) sidovy av skjuvning cellen med provet åtkomstportar kopplade.

Figur 3. Schematisk bild av skjuvning cellen med bakplatta (röd), distansplatta (vit) och frontplatta (blå) består höljet till den roterande spindeln.

Figur 4. Demonteras bild av alla delar och verktyg som krävs för att montera 1-2 planet skjuvning cell instrument.

ftp_upload/51068/51068fig5highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/51068/51068fig5.jpg "/>
Figur 5. Tillbaka plåtenheten visar lager, fjäderbussning, två O-ringar och kvartsfönstret monteras på rätt sätt.

Figur 6. Assembled skjuvning cell som presenterar den främre plattan för att påvisa korrekt placering av kadmium öppningen.

Figur 7. Sidan av provmiljön vid D22 strålröret, vid Institutet Laue-Langevin, Grenoble, Frankrike. A)Från botten till toppen: Huber bord, provmiljö scenen och bakbord, b) säkerhetsskyddet på plats och cell monterad på bottenplattan, som är fäst på bakbord.

Figur 8. Skjuvningen cell komplett med prov sprutor anslutna till det cellmonteringskonsolen och axelkopplingen på bottenplattan monterad.

Figur 9. Vänster) Diagram över 1-2 planet flödes SANS skjuvning cell visar hastighet (1) och hastighet lutning riktningar (2) (röda pilar) i förhållande till den infallande strålen (blå pil) end riktning spindelrotation (grön pil). mätningar Transmission utförs med 0,1 mm slits och presenteras som en funktion av positionen över gapet i skjuvning cellgeometri. Höger) Bilden visar resultat från SANS experiment utförda vid två olika positioner i spalten som motsvarar de höga och låga skjuvning band.

Figur 10. Typiska SANS spridningsmönster observerats i 1-2 plan för maskliknande miceller enligt skjuvflöde.

Figur 11. Vänster) skjuvspänning mot skjuvning erna för CTAB-lösning. Linjerna är den Giesekus modell passning med (heldragen) och utan (streckade) diffusion såsom beskrivits i referens ^15. Höger) tvådimensionella SANS spridnings resultat för nominella tillämpade skjuvhastigheter och normaliserade gap positioner som spänner över skjuvning banding övergången till CTAB provet. Den svarta linjen visar det uppmätta läget för gränsytan mellan de med hög skjuvning och låg-skjuv-banden. I dessa figurer är flödesriktningen vertikalt nedåt och hastigheten-kantriktning är horisontell till höger. (Återges med tillstånd från referens ^15. Copyright 2009, The Society of reologi.)

Figur 12 Del ritning:. 1-2 shear cellfrontplåt. ad/51068/51068fig12highres.jpg "target =" _blank "> Klicka här för att visa en större bild.

Figur 13. Del ritning:. 1-2 shear cellkvartsfönster Klicka här för att visa en större bild.

Figur 14. Del ritning:. 1-2 shear cell mellanplatta Klicka här för att visa en större bild.

Figur 15 "fo: innehåll-width =" 5in "fo: src =" / files/ftp_upload/51068/51068fig15highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/51068/51068fig15.jpg "/>
Figur 15. Del ritning:. 1-2 shear cell dorn Klicka här för att visa en större bild.

Figur 16 Del ritning:.. 1-2 shear cell bakplatta Klicka här för att visa en större bild.

F . igure 17 Del ritning:. 1-2 shear cellbottenplatta Klicka här för att visa en större bild.

Figur 18. Del ritning:. 1-2 shear cellplastfoder Klicka här för att visa en större bild.

Figur 19 Del ritning:. 1-2 shear cell främre fäste. hres.jpg "target =" _blank "> Klicka här för att visa en större bild.

Figur 20 Del ritning:.. 1-2 skjuvning cell drivaxel stöd Klicka här för att visa en större bild.

Figur 21 Del ritning:.. 1-2 skjuvning cell drivaxel Klicka här för att visa en större bild.

lways ">
Figur 22 Del ritning:.. 1-2 shear cellfästplatta Klicka här för att visa en större bild.

Figur 23 Del ritning:.. 1-2 skjuvning cellaxelkoppling Klicka här för att visa en större bild.

Deutererad Vatten (99,9%)	Cambridge Isotopes	7789-20-0	83.3 vikt% i formulering D2O
CTAB-cetyltrimetylammoniumbromid	Sigma-Aldrich	57-09-0	16,7 vikt-% i formulering CH 3 (CH 2) 15 N (Br) (CH3) 3
1/16 i insexnyckel
3/16 i insexnyckel
3/8 i en gaffelnyckel
tejp
gängtejp
sprutor (2)

Tabell 1.

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 fungerar för både stadig skjuvning och tidsberoende flöden, till exempel oscillerande eller nystartade skjuvning flöden, den senare med hjälp av en stroboskopisk metodik och tidsupplöst neutronspridning tekniker ^{11, 12, 21.} En fördel med användning av SANS är att kontrast passande metoder kan användas för att undersöka de individuella komponenterna i komplexa blandningar och material som är opakt, eller saknar kontrast nödvändigtvisy för röntgenspridning. Flödes SANS instrument och metoder har med framgång utsträckas för att lösa den interna mikrostrukturen under skjuvning banding ^{14, 15.} Vidare, som SANS är ett absolut mätteknik, mätningar av det infallande strålen transmission genom provet kan användas för att bestämma absoluta kemiska sammansättning ändras över Couette gap, som nyligen visats i ^13. Som sådan är den nya flödes SANS-tekniken en robust och mångsidig metod för att erhålla direkta mikro information från atomistisk till ~ micron längdskala, på ett brett spektrum av kolloidalt, egna sammansatta ytaktiva, protein, och polymerlösningar och deras blandningar enligt nonequilibrium förhållanden. Detta instrument är för närvarande tillgänglig för användning av inlämning av förslag på både SANS och USANS instrument vid NIST Centrum för neutronforskning vid National Institute of Standards and Technology i USA och i Europa, i D22 neutron varaam för Institutet Laue-Langevin i Grenoble, Frankrike.

Den nuvarande skjuvning cellgeometrin konstruktionen medger tillsats av kompletterande metoder, såsom ljusspridning för att samla samtidiga neutron och optisk fotonspridningsdata (snaps), såväl som direkt mikroskopavbildning. Den senare kan användas för att hjälpa till att lösa flödesfältet in situ genom partikelspårningsmetoder. Framtida utveckling inkluderar förbättrad synkronisering för tidsberoende flöden, som för närvarande är begränsad till ~ 10 mikrosekunder i upplösning. Naturligtvis finns det också begränsningar i nuvarande mekaniska designen liksom de maximala skjuvhastigheter uppnås är av ordning 10 ³ sek ^-1 och belastnings amplituder och frekvenser för oscillerande flöde begränsas av tidsupplösning samt motor trohet. Vissa av dessa frågor att lösas med hjälp av ytterligare reduktionsväxlar. Vidare måste provets viskositet vara sådan att den kan lastas av en spruta. Typiskt när possible tas prover upphettas för att underlätta lastning och göra det möjligt att ta bort alla luftbubblor som fångats vid lastning. Man måste vara försiktig för att överväga möjliga flödes instabiliteter och vägg slip, som är typiska frågor som tas upp i att göra de kompletterande reologiska mätningar. Det finns också en avvägning mellan noggrannhet tillämpad strömningsfältet och tjockleken av provet (för närvarande 5-7 mm) detta kan begränsa vissa program på grund av oro för multipel spridning och adsorption. Geometrin kräver en provvolym på order 6 ml, vilket kan vara en utmaning för att studera sällsynta material. Som med alla bra utformning, det finns utrymme för förbättringar på skjuvning cellen beskrivs här. I själva verket är det aktuella instrumentet en flödes SANS metod i det att SANS mätningar utförs medan en samtidig skjuvflöde appliceras dock med den nuvarande utformningen inga reometri mätningar är möjliga. Förestående utveckling möjliggör samtidiga SANS och mätningar vridmoment. En sann rheo-SANS instrument förundersöka hastigheten-hastighetsgradienten plan skjuvning kommer att vara möjligt med tanke på att skjuvspänningen kommer att lösas från vridmoment och därmed kommer samtidig reometri och SANS mätningar uppnås. Engineering nya skjuvning celler som mekaniskt är förseglade och magnetiskt drivna är en välkommen utmaning och för närvarande, design och konstruktion av skjuvning cellen nästa generation pågår för att ta upp några av dessa frågor.

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)