Måling Material Microstructure Under Flow Bruke 1-2 Plane Flow-Small Angle Neutron Spredning

Summary

En skjær-celle er utviklet for små vinkel nøytronspredning målingene i hastighets hastighetsgradient planet av skjærkraft, og som brukes for å karakterisere komplekse fluider. Romlig løst målinger i hastighetsgradienten retninger er mulig for å studere skjærkraft-båndmaterialer. Søknader omfatter undersøkelser av kolloidale dispersjoner, polymer løsninger, og selv-montert strukturer.

Abstract

En ny liten vinkel nøytron spredning (SANS) prøve miljø optimalisert for å studere mikro av komplekse væsker i henhold enkel skjær flyt er presentert. Den SANS skjær celle består av en konsentrisk sylinder Couette geometri som er forseglet og som roterer om en horisontal akse, slik at virvling retningen av strømningsfeltet er innrettet med nøytron-strålen slik at spredning fra 1-2 skjærplan (velocity-hastighetsgradient , henholdsvis). Denne tilnærmingen er et fremskritt i forhold til tidligere skjærcelleprøve miljøer som det er en sterk kobling mellom bulk reologi og mikrostruktur funksjoner i 1-2 skjærplan. Flow-ustabiliteter, slik som skjærbånd, kan også bli studert ved romlig løst målinger. Dette oppnås i denne prøven miljø ved hjelp av en smal åpning for nøytron-strålen og scanning langs hastighetsgradient retning. Tid løst eksperimenter, som for eksempel flyt start-ups og stor amplitude oscillasjon hunar strøm er også mulig ved synkroniseringen av skjærbevegelse og tid-løst deteksjon av spredte nøytroner. Representative resultater ved å bruke de fremgangsmåter som er skissert her demonstrere den nyttige arten av romlig oppløsning for måling av mikrostrukturen av et wormlike micelle-løsning som oppviser skjær-banding, et fenomen som bare kan bli undersøkt ved å løse strukturen langs hastighetsgradient retning. Til slutt, er potensielle forbedringer i dagens design diskutert sammen med forslag til supplerende eksperimenter som motivasjon for fremtidige eksperimenter på et bredt spekter av komplekse væsker i en rekke skjærbevegelser.

Introduction

Utvikling av en vitenskapelig forståelse av et naturlig fenomen krever nøyaktige og presise målinger. Justervesenet er også grunnlaget for vellykket engineering og design av nye prosesser og materialer. Reologi er læren om deformasjon og strømning av materie. Reologi er sentral i vår evne til å behandle et bredt spekter av materialer og blir også brukt av produkt tilvirkere å målrette spesifikke materialegenskaper. Typiske eksempler på de førstnevnte er støpe polymerer eller danne kompositter, mens den sistnevnte omfatter utvikling av vanlige forbrukerprodukter som maling, sjampoer, og matvarer. Uansett om viskositeten av en smeltet polymer blir kontrollert slik at det kan være effektivt sprøytestøpt eller viskoelastisitet av en shampoo blir endret slik at den har den riktige konsistens for forbrukeren, er de reologiske egenskaper kontrolleres ved å endre utformingen av materialet ^1.. Den reologi av materialer og produkter er også avhengig av than strukturerer i flytende tilstand og denne struktur varierer fra mikro til nanoskala. Videre er denne strukturen endres med prosessparametere, slik som strømningsrate og tid for strømning, noe som utfordrer rheologists å måle strukturen under strømning. Det er denne utfordring som er oppfylt, delvis ved den nye instrumentering som er beskrevet i denne artikkelen.

Nye teknikker som kan sondering mikro av myke materialer under skjær flyt kan dra nytte mykt materiale produktutvikling og bearbeiding tilstand optimalisering. Mange spennende og langvarige utfordringer for anvendelsen av myke materialer i en rekke bransjer og i grunnleggende vitenskap bære uvanlig flyt atferd, for eksempel skjærfortykkende i kolloidale suspensjoner ^to, skjær og virvling banding i wormlike miceller ^tre, og heterogeniteter iboende i flyt av kolloidale gels ^4-6. Rheologists blir stadig utfordret til å belyse microstructural opprinnelsen av ulineariteter i de reologiske responser og noen ganger også i hastighetsfeltet av skjær viskoelastiske materialer. Denne utfordringen krever samtidig kjøp av mikrostrukturen som en funksjon av både den romlige plassering i strømningsfeltet, og den tidsavhengige virkemåter, som har vist en formidabel oppgave for experimentalists.

Liten vinkel nøytronspredning (SANS) er spesielt godt egnet for måling av strukturen av komplekse fluider som den kan probe materiale som er opakt for lys. Også selektive Deutereringsgraden kan brukes til å gi kontrast mellom komponenter som kan virke like etter røntgensprednings ^7. Videre nøytroner har en fordel fremfor røntgen så er det ingen stråleskader av biologiske eller andre soft-materie prøver. I forsøkene som er vist her, er kalde nøytroner generert av en reaktor eller en spallasjonskilden kollimert og belyst ved et eksempel. Spredningen intensitet yields informasjon om strukturen av materialet på lengdeskala fra atom til flere hundre nanometer (og med svært liten vinkel nøytron-spredning opp til titalls mikrometer), men i form av en Fourier-transformasjon av den virkelige mellomrom struktur. Derfor kan tolkningen av dataene være utfordrende og innebærer en invers transform eller forhold til mikro modeller eller simuleringer. Mer om SANS instrumentering, eksperimenter, og kontrast matching kan bli funnet på tutorials lagt ut på hjemmesiden til Senter for Neutron Science, www.cns.che.udel.edu.

Her beskriver vi en skjærcelle konstruert for å forlenge SANS metode for å undersøke materialer under strømning. En nylig oversikt over den generelle metode og instrumentering, så vel som en betydelig gjennomgang av nylige anvendelser kan finnes i referanse ⁸ og de ​​siterte referansene deri. En praktisk og nesten ideelt miljø for å sondere væske strukturen under skjær flyt medSANS er et smalt gap Couette geometri, også kjent som konsentriske sylindre ^9. Denne geometrien gjelder en enkel (dvs. laminær) skjærstrøm til prøven og samtidig opprettholde et tilstrekkelig fritt volum for hendelsen nøytron trålen. Anvendelsen av strømnings bryter symmetrien i mikrostrukturen, som for eksempel en fullstendig karakterisering av materialets mikrostruktur i henhold enkel skjærflyt krever mikro målinger i alle tre plan av skjærkraft. To plan av skjærkraft kan bli undersøkt ved å bruke standard Couette geometri konfigurasjon (figur 1a): nøytron-strålen er konfigurert til å reise langs hastighetsgradient retning, og sonde-hastigheten virvling (1-3) plan av skjærkraft ("radial"-konfigurasjon) , alternativt, blir strålen kollimeres av en tynn spalte og innrettet parallelt med strømningsretningen, og derved sondering hastighetsgradienten-virvling (2-3) plan («tangential"-konfigurasjon). Dette instrumentet er tilgjengelig commercially og har nylig blitt dokumentert for å undersøke komplekse fluider under skjæring ^10. Den nevnte gjennomgang beskriver bruken og at av relaterte enheter for struktur-eiendommen bestemmelse over et bredt spekter av materialer og bruksområder ^åtte. Tid-løst eksperimenter, slik som for oscillasjon skjærmene har også blitt rapportert ^{11, 12.}

Ofte er den mest interessante og viktigste planet strømnings er hastigheten-hastighetsgradient (1-2) plan (fig. 1b), men det er også den mest vanskelige å undersøke da det krever spesielle instrumenter. En tilpasset skjær-celle er konstruert til å muliggjøre direkte undersøkelse av hastigheten-hastighetsgradient (1-2) plan ved SANS slik at nøytron-strålen reiser parallelt med virvling akse ^{skjær-13-16.} Målinger i 1-2 fly av flyt er avgjørende for å få en kvantitativ forståelse for skjærkraftviskositet fordi de elucidspiste retningen av strukturen i forhold til strømningsretningen ^{15, 17, 18 år.} Dette er viktig for materialer som polymerer, selv-sammensatte overflateaktive midler, kolloider og andre komplekse fluider. I tillegg er det mulig å undersøke materialers mikrostruktur som en funksjon av posisjon på tvers av åpningen i gradienten retning av skjærflyt. Med tillegg av romlig oppløsning, gir fremgangsmåten et middel for å studere materialer som oppviser mikrostruktur endres langs gradient retning av skjærkraft. Et eksempel hvor det undersøkte endringer i mikrostruktur og sammensetning langs den gradient strømningsretningen er skjær-banding. Skjær banding er et fenomen som forårsakes av en kopling mellom mikrostrukturen og strømningsretningen som fører til en inhomogen strømning felt ^13.. I denne artikkelen beskriver vi instrumentet, dets montering og flyten-SANS måleteknikken som gjennomføres ved NIST Center for Neutron forskning (NCNR) ved National Institute of Standards and Technology (NIST) i Gaithersburg, MD. Denne prøven miljøet er et resultat av et samarbeid mellom Universitetet i Delaware, NIST og Institut Laue-Langevin (ILL), og har blitt implementert på både syk og NIST. I forbindelse med denne artikkelen, hvor SANS bestemte deler av protokollen er bekymret, er teknikken beskrevet som gjennomføres ved NIST. Imidlertid endrer de instrument spesifikke detaljer skal være enkel, og den samlede teknikk kan gjennomføres på en hvilken som helst SANS instrument for jevn strømning (avsnitt 5.1). I tillegg kan instrumenter utstyrt med tid-løst SANS evner også å utføre oscillasjon skjær flow-SANS eksperimenter (pkt. 5.2). Tekniske tegninger av skjærcellekomponenter er gitt som figurene 12-23.

Protocol

Fig. 2 viser en sammensatt skjær celle festet til grunnplaten, som er montert på koblingsbrettet på prøvemiljøet scenen og innrettet i nøytron-strålen for en SANS eksperiment. Stepper motor girkasse og remdrift, slit motor scenen, skjærcelle og retning av nøytronet strålen er merket i figur 2. Den nåværende protokollen gir anvisninger for montering av skjærcelle (§ 1), montering skjærcelle på prøven miljøet scenen (§ 2), kalibrering av geometri for en SANS eksperiment (kapittel 3), legger i en prøve (§ 4), kjører et eksperiment og datainnsamling (kapittel 5) og slutter et eksperiment (§ 6). For referanse, er figur 3 viser skjematisk den sammensatte celle og Fig. 4 viser de demonterte skjærcelledeler som er lagt ut fra frontplaten til bakplaten, fra venstre mot høyre, og de ​​nødvendige verktøy for montering (1/16 og 3/16 in Allen wrenches og en 3/8 i skrunøkkel). Fra venstre til høyre i figur 4 er frontplaten, peiling, fjærbelastet foringen, O-ringer, kvarts vindu, midtplate med O-ringer, sample tilgang porter og sprøyte kontakter, set-skruer, dor, og de ​​deler bakplaten (kvarts vinduet, O-ringer, fjærbelastet foringen, peiling), ryggplate, fire umbrakoskruer og rask koble kjøleslangen med hurtigkoblinger festet.

En. Monter Shear Cell (Innfelt til høyre i figur 2)

1. Forbered midten plate for montering.
   1. Rens midtplate med prøven og set-skrue pathways og identifiserer toppen av platen ved stillingen merket.
   2. Tett prøven lasting trasé ved hjelp av de tre set-skruer. Pakk hver set-skrue i Gjengetape og bruke en 1/16 i umbraconøkkel for å sette inn hver skrue i hvert hull på "bunnen" (2) og ett sett-skrue i hullet på "side".
2. Forbered rygg og frontplater for montering (figur 5).
   1. Trykk passe lageret inn i hver av de foran og bak platene.
   2. Før den fjærbelastede hylsen (som er en tetning) med fjæren-side åpen mot prøven i de fremre og bakre plater.
   3. Plasser den lille (1-5/8 i ID) og store (2-1/4 i ID) Buna-N kvadrat dobbel O-ringer i sporene i hver av de foran og bak platene.
   4. Plasser kvartsvinduer på toppen av de firkantede O-ringer i hver plate.
3. Monter de fremre og midtre platene sammen.
   1. Plasser frontplaten på et flatt underlag, justere stillingen på toppen av de midterste og frontplater og plasser den midt plate på frontplaten. Hvis det er nødvendig, bruke en liten mengde passende fett til de avrundede O-ringer i tHan midtplate for å holde dem på plass under monteringen.
4. Monter-spindelen og ryggplaten sammen.
   1. Sett den korte enden av spindelen akselen inn i bakplaten. Bruk jevnt anvendt kraft og spindelen vil "klikker" på plass. Ta hensyn til at doren er nå holder kvartsvindu og kvadratiske O-ringene på plass på bakplaten.
5. Monter frontplaten, midtplate, dor og rygg plate sammen.
   1. Plasser foran og midtplate montering på en hevet plattform med midtplate vendt opp. Denne plattformen er hevet for å gi plass for spindelen for å forlenge akselen under monteringen uten å trykke tabellen.
   2. Juster stillingen på toppen av frontplatemontasjen med resultatet på bakplaten sammenstillingen.
   3. Før den lange delen av doren akselen inn i den fremre platemontasjen. Sørg for at de avrundede O-ringene på midten plate forbli ordentlig på plass under monteringen. Cellen wsyk lysbilde sammen og igjen, "klikk" når de er riktig montert.
   4. Skru enheten sammen med de fire umbrakoskruer og en 3/16 i unbrakonøkkel. Stram skruene i et kryss-mønster slik at cellen opprettholder konsentrisitet.
6. Vikle Gjenge tape rundt de to tilgangsporter og skru dem inn i toppen av den midtre platen. Stram med en 3/8 i åpen fastnøkkel.
7. Plasser kadmium maske (fig. 6) inn i mottakssporet maskinert inn i forsiden av frontplaten. Påfør tape eller tack å holde masken på plass om nødvendig.
8. Bruk hurtigkoblinger til kryss-koble kjøleslangen mellom de beste havnene på de foran og bak platene.

2. Monter Shear Cell inn i Beamline

1. Dekk til SANS detektoren vinduet med beskyttelsesskjoldet.
2. Spør ansvarlig anlegget instrument forsker for å justere prøven miljøet scenen med nøytronet strålen. Monter brødfjel til prøven miljøet scenen med fire ¼ i x 20 kontakten hode Allen bolter, og en 3/16 i unbrakonøkkel.
3. Fest skjærcelleenheten til cellen monteringsbrakett som ligger på grunnplaten (som allerede er festet til koblingsbrettet (fig. 7)).
   1. Identifiser celle-monteringsbrakett og akselen kopleren er festet til bunnplaten (figur 8). Sørg for at de satt-skruer for akselkobling er løsnet.
   2. Juster akselkobling og doren akselen slik at settskruene for kopleren vil skru inn i den flate del av doren akselen.
   3. Horisontalt skyv skjærcellen inn i cellen monteringsbrakett, slik at sammenstillingen ser ut som vist i figur 8. Dette trinnet bør utføres med forsiktighet da det er viktig ikke å bøye doren akselen eller akselkopling.
   4. Fest skjærcellemodulen til celle-monteringsbrakett med to socket headCap-skruene med en 3/16 i unbrakonøkkel. Trekk godt til alltid å sørge for skjærcelle er helt inntil celle-monteringsbraketten.
   5. Stram de to settskruene på akselen kontakten ved hjelp av en 1/16 i umbraconøkkel for å koble skjærcelle spindel aksling til drivenheten.
4. Rett skjærcellegeometri med nøytronet strålen.
   1. Bruk av laser for å justere SANS prøvemiljøet stadium slik at høyden av doren aksel er den samme som den nøytron-strålen. Juster midten av gapet i skjær celle til midten av nøytron beamline banen.
5. Sett egnet kadmium sliss i slissen motor trinn enheten som er montert på koblingsbrettet (fig. 8). Fest slit med tack om nødvendig.
   Merk: Slissen må være i flukt med frontplaten og ca plassert innenfor åpningen av skjær cellen. Velge den tilsvarende sliss i den ønskede eksperimentet. For gap resolutieksperimenter 0,1 mm og 0,2 mm buede slisser, er tilgjengelige. Mens for målinger som ikke krever romlig oppløsning en 0,8 mm rektangulær slit er tilrådelig.
6. Beveg motorposisjonen ved hjelp av sveiven for å justere spenningen i drivbeltet, slik at det er omtrent grader i avbøyning i beltet. Når strammet ordentlig, låse motoren plassering ved å stramme set-skruen som sitter under rattet ved hjelp av en 7/64 i unbrakonøkkel.
   Merk: Et valgfritt utstyr redusering kan tilsettes til motorsammenstillingen. Dette alternativet kan det være nødvendig basert på den nødvendige skjærhastigheter som er nødvendige for et bestemt eksperiment.
7. Koble de to kjølevæske bade slanger til skjærcelle ved hjelp av hurtigkoblinger.
8. Juster eventuelle observasjons kameraer eller andre hjelpeutstyr bestemt å observere forsøket.
9. Fjern beskyttelsesskjoldet beskytte SANS detektoren vinduet.

Tre. SANS oppsett og kalibrering

1. Fest en 0,5 i &# 160; blenderåpning til enden av snute om hendelsen nøytron strålen.
2. Still inn ønsket SANS detektoren er plassert (q-range), nøytron bølgelengde, og bølgelengde spredning følgende standard SANS protokoller og optimalisert for de eksperimentelle forhold.
   Merk: beregningen for prøve-til-detektor avstanden er basert på prøvemiljøet trinn ligger på "Huber tabell".
3. Juster sliss stilling med åpningen av skjær cellen.
   1. Bruk slissen motortrinn (figur 8) for å justere spalte stilling med åpningen av skjær cellen. Bruke en laser for å emulere nøytron bjelke og et speil for å detektere laseren når den passerer gjennom kvartsvinduer innenfor gapet av skjærcellesammensetning.
   2. Finjuster plasseringen av slit hjelp SANS transmisjonsmålinger. Systematisk variere spalten motorposisjonen fra den indre vegg av skjærcellespalte til den ytre veggen av skjærcellegapet ved bruk av 0,1 mm motor slit oversettings trinn.Observer girkasse (typisk 2 sekunder) ved hjelp SANS og registrere splitten motorposisjonen for hver måling transmisjon (figur 9).
      Merk: Hvis romlig oppløsning er ønskelig, identifisere motorposisjoner nødvendige for SANS eksperimenter. Ved romlig oppløsning ikke er nødvendig å identifisere den enkelte motor stilling som justerer spalte med midten av skjærcellegapet. Justere slit med gapet i skjærcelle er avgjørende for å fullføre en god eksperiment. Det er også mulig (og anbefalt) å bruke vann for å justere stillingen av slissen ved hjelp av SANS transmisjonsmålinger. Ved hjelp av vann reduserer transmisjon og gir kontrast med skjærcellehuset (figur 9).
      Merk: Legg vannet inn i cellen ved å følge prøven lasting protokollen (§ 4). Ved hjelp av vann vil generelt krever skjær cellen for å bli fjernet fra basisplaten, demontert, tørket, satt sammen og monteres på nytt til sokkelen forut for lasting av sample for forsøket. Så lenge grunnplaten ikke blir fjernet fra prøvemiljøet stadium dette bør ikke være et problem, men det er alltid viktig å verifisere sliss innrettet med gapet.
4. Kalibrere prøven geometri
   1. Utfør en blokkert bjelke mørk teller og en tom celle måling i henhold til standardiserte SANS prosedyrer. Merk at de tom celle målingene skal utføres ved hver romlig plassering, som bestemt av slit kalibrering utført i kapittel 3.3.

4. Sample Loading Protocol

1. Plasser beskyttelsesskjoldet på SANS detektoren vinduet.
2. Monter to sprøyte kontakter (nylon) og gjengede sprøyteinnredning (blå og gul) på stålrørene på toppen av prøvecellen. Kontroller at stoppekraner er i lukket stilling.
3. Preload prøven i en 10 ml sprøyte gjenge (minimum prøvevolum er 6 ml). Pass på at prøven er fri for bobler.
   1. Fjern bobler ved enten sentrifugering eller lett oppvarming av prøven for å redusere viskositeten av prøven under lasting av sprøyten. Hvis prøven er oppvarmet, er det sterkt anbefalt at temperaturen i skjærcellen er også økes for å hjelpe til å laste prøven.
4. Sett en tom sprøyte uten stempelet på kontakt i midten av skjær cellen for å motta overskytende prøve (figur 8).
5. Plasser prøven sprøyten i den andre kontakt (figur 8).
6. Åpne begge stoppekraner.
7. Injisere prøven sakte inntil prøven begynner å gå inn i den tomme sprøyten.
8. Fjern eventuelle luftbobler fra gapet av skjærcelle.
   1. Drei motorisk kontroll av for å frigjøre motoren og tillater beltet å bli manuelt beveget.
   2. Skrå prøven for hånd for å bidra til å bevege boblene til toppen av skjær cellen, hvorved ytterligere prøveinjeksjon vil typisk presse boblen inn i utløpsog ut av skjærcellegapet.
9. Steng stoppekraner til låse prøven i cellen.
10. Endre temperaturen på vannbadet til den ønskede forsøkstemperatur, og forutsettes prøven skjærhistorie som passer.
11. Sjekk for eventuelle bobler (og gjøre det regelmessig i løpet av forsøket). Hvis bobler er observert; åpne stoppekraner, bruk rotasjonen for å bevege boblene til toppen av skjærsone, og tilføre ytterligere prøve for å presse det bobler ut av skjærsonen i cellen.
12. Fjern beskyttelsesskjoldet og noen overflødige verktøy og rekvisita fra strålen området.

5. Kjøre Shear eksperiment og samle SANS data

1. For enkle jevn skjær eksperimenter:
   1. Sett skjærraten i stabil skjærkontrollfilen knyttet til motorisk kontroll programvare (se tilhørende dokumentasjon for motorisk kontroll programvare drift).
   2. Identifiser skjærretningav prøven under forsøket.
   3. Still opp den ønskede SANS eksperimenter i henhold til standardiserte prosedyrer SANS.
   4. Start skjærcelle motor.
   5. Start SANS eksperimentet. Sjekk detektoren teller og observere SANS 2D mønster for å sikre SANS resultater blir behørig registrert under klipping. Et eksempel på et typisk mønster observert for de overflateaktive løsninger som er omtalt i avsnittet om representative resultater er vist i figur 10..
   6. Gjenta fremgangsmåten (avsnitt 5.1) for hver ønsket skjærhastighet.
2. For tid-løst oscillasjon skjær eksperimenter:
   1. Verifisere trigger posisjon for oscillasjon skjær eksperiment. For svingningsskjær, er dette ved punktet for maksimal belastning og minimum (null) tøyning.
   2. Sett svingning frekvens og belastning amplitude i tids løst kontroll fil knyttet til motorisk kontroll programvare (se tilhørende dokumentasjon for motor control programvare drift). Legg merke til at strekk amplitude er definert i henhold til amplituden av det påtrykte belastning sentrert på null og er reologisk definert belastning amplitude.
   3. Start skjærcelle motor for den oscillerende skjær eksperiment.
   4. Start SANS eksperimentet. Sjekk detektor teller og observere 2D mønster for å sikre SANS er riktig blir tatt opp under oscillasjon klipping.
   5. Kopier tid-stemplet nøytrondetektor loggfil fra NISTO til Charlotte og preprocess data ved hjelp av programvare som tilbys av NCNR.
   6. Reduser preprocessed datasett med reduksjon programvarepakken i IGOR.
   7. Gjenta prosedyren (pkt. 5.2) for hver, ønsket oscillasjon frekvens og belastning amplitude tilstand.

6. End of Experiment

1. Slå av nøytron bjelke og motorisk kontroll.
2. Plasser beskyttelsesskjoldet på SANS detektoren vinduet.
3. La prøven og anordning stand i den lukkede trålen i 5 min. Utføre en standard stråling sjekk før du fjerner skjærcelle fra platen.
4. Skru opp vannkranene på prøven porter og trekke eller skyve ut prøven ved hjelp av eksempel sprøyter. Gjenopprette prøven, lukke stoppekraner, og fjerne sprøyter.
5. Slå av temperaturbadet. Kople væske bad kjøleslanger fra skjærcellehurtigkoplings porter.
6. Løsne umbrakoskruene på akselen kopling mellom spindel og drivakselen ved hjelp av en 1/16 i unbrakonøkkel. Bruk en 3/16 i umbraconøkkel for å løsne de to umbrakoskruer som fester skjær celle til celle-monteringsbraketten. Skyv skjær cellen ut av cellen monteringsbrakett.
7. Demonter skjærcelle ved å reversere forsamlingen protokollen (§ 1 i protokollen).
8. Rens skjærcellen ved hjelp av såpevann. Skyll og tørk grundig.

Representative Results

Representative resultater for en vellykket flow-SANS eksperiment er gitt i figurene 9, 10 og 11. Disse eksemplene er fra undersøkelser utført på en wormlike micelle-løsning (WLM) (tabell 1) er kjent for å oppvise skjær banding under visse betingelser for skjærkraft. En fullstendig gjennomgang av de vitenskapelige funnene kan bli funnet i referanser ^15-17.

Figur 10 viser resultatene av et spredningsmønster erholdt under skjæring strømmen ved hjelp av skjær-celle. Prøven studert er et viskoelastisk wormlike micelle (WLM) løsning som består av lange, viklet tråd selv-montert miceller amfifile molekyler ^13-15. Sammensetningen av oppløsningen undersøkt er angitt i tabell 1.. Ved skjæring disse systemene at WLM løsning demonstrerer skjærfortynningsoppførsel som en konsekvens av en kompleks blanding av micellen strømnings innretting, floke, og muligens micelle brudd (Vazquez-Cook-McKinley (VCM) modell ^19). En spesielt interessant kompleksiteten i disse systemene er utbruddet av skjær banding. Skjær banding opprinnelig ble observert visuelt som dobbeltbrytende bånd i nærheten av den roterende vegg av et Couette geometri ^20.. Under skjær ombinding av strømningsfeltet segregerer inn i to eller flere regioner, eller "bånd", hver med en annen karakteristisk skjærhastighet som illustrert i figur 9.. For WLM studert her, to band dannes ved tilstrekkelig høye skjærhastigheter - en med en skjærhastighet som er høyere enn den forventede, gjennomsnittsverdien, og en på et lavere skjærhastighet. Disse bånd er sammenfallende med stress platå observert i steady state skjær rheometri målinger (figur 11).

En primær spørsmål vedrørende skjær banding er mikrostruktur tilstanden i overflate på skjær priser der skjær banding er observert. Det var ukjent for hvordan overflate organisert i høy shear bånd i forhold til den lave skjærbånd. Den nye skjærcelle SANS instrument med romlig oppløsning på tvers av gapet er unikt tilpasset for å studere dette problemet. Gjennom uavhengige rheometri og flyt-velocimetry målinger i en tilsvar Couette celle, blir plasseringen av skjærbånd definert over gapet i Couette cellen. Ved hjelp av en smal sliss, (0,1 mm) SANS dataene samles i forskjellige posisjoner tvers over gapet i hastighets hastighetsgradient (1-2) plan av skjær ved stabil skjærflyt. Her rapporterer vi resultater for en WLM består av kationiske overflate cetyltrimetylammoniumbromid (CTAB) i deuterert vann (D ₂ O) på 0,49 mol / L (490 mm) og 32 ° C ^6. Flow-SANS målinger er utført på åtte posisjoner gjennom hele 1,0 mm Couette gap ved systematisk å oversette den 0,1 mm slit blenderåpning på tvers av vinduet i skjærcelle. Figur 11 viser en visuell oppsummering av resultatene, hvor intensiteten ringen er en sammenheng peak due til segment-segmentet interaksjoner. Anisotropi i denne ringen indikerer segmental strømnings innretting, med høy innretting typisk for en nematiske fase. En vesentlig forskjell i spredning anisotropi er observert mellom posisjoner i de lave skjær og høy skjær band. En detaljert forklaring av betydningen av disse målingene i å realisere målet om å forklare mekanismen av skjær banding som observert i reologi og flyt-velocimetry resultater kan finnes i referanser ^13-15. Disse målingene har nylig blitt utvidet til tidsavhengige deformasjoner av tids løst nøytronspredning metoder som er beskrevet i kapittel 5.2 i dette arbeidet, og disse resultatene har blitt sendt inn for publisering ^21.

Figur 1. En geometri for Time-løst oscillatory Rheo-SANS (Tor-SANS) eksperimenter i 1,3 og 2,3 flyene av flyt. b) Ny geometri som sonder hastigheten-hastighetsgradient (1-2) skjærplan (tilpasset fra ME Helgeson, NJ Wagner, & L. Porcar, "Neutron overførings målinger av konsentrasjonsprofiler i nonhomogeneous skjærstrømninger", 2010 Annual Report, NIST Senter for Neutron Research, Gaithersburg, MD. s.. 38-39, 2010).

Figur 2. Den grunnleggende 1-2 skjærcelle instrumentering i D22 SANS beamline ved Institutt Laue-Langevin, Grenoble, Frankrike. A) topp utsikt over instrumentering med girkassen og reimdrift, slit motor scenen, stepper motor og nøytron bjelke highligh ted for klarhet, b) side utsikt over skjærcelle med sample tilgang porter festet.

Figur 3. Skjematisk tegning av skjær celle med bakplaten (rød), avstandsstykket (hvit) og frontplaten (blå) omfatter huset for den roterende doren.

Figur 4 Disassembled visning av alle deler og verktøy som kreves for å sette sammen 1-2 plane skjærcelle instrument..

ftp_upload/51068/51068fig5highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/51068/51068fig5.jpg "/>
Figur 5. Tilbake platemontasjen viser peiling, fjærbelastet foringen, to O-ringer og kvarts vinduet riktig montert.

Figur 6. Montert skjær-celle med den fremre plate å påvise riktig plassering av kadmium åpningen.

Figur 7. Sidevisning av prøven miljøet på D22 beamline, ved Institutt Laue-Langevin, Grenoble, Frankrike. A)Fra bunn til topp: Huber bord, prøve miljø scenen og brødfjel, b) sikkerhetsdeksel på plass og celle montert på bunnplaten, som er festet til brødfjel.

Figur 8. Den monterte skjær celle utstyrt med eksempel sprøyter festet til celle-monteringsbrakett og akselen kopleren på grunnplaten.

Figur 9. Venstre) Diagram av 1-2 fly flow-SANS skjærcellen som viser hastighet (1) og hastighetsgradient retninger (2) (røde piler) i forhold til hendelsen stråle (blå pil) end retning av doren rotasjons (grønn pil). blir transmisjonsmålinger gjort ved hjelp av 0,1 mm spalte og er presentert som en funksjon av posisjon på tvers av åpningen av skjærcellegeometri. Høyre) Illustrasjonen viser resultatene fra SANS eksperimenter utført ved to forskjellige posisjoner i spalten svarer til de høye og lave skjærbånd.

Figur 10. Typiske SANS spredning mønster observert i 1-2 fly for orm-lignende miceller henhold skjær flyt.

Figur 11. Venstre) skjærspenning versus skjær hastighet for CTAB-løsning. Linjene er Giesekus modellen passer med (fast stoff) og uten (stiplet) diffusjon som beskrevet i referanse ^15.. Høyre) todimensjonale SANS spredning resultater for nominelle anvendte skjær priser og normaliserte gap stillinger spenner skjær banding overgang for CTAB prøven. Den svarte linje indikerer den målte beliggenheten av grenseflaten mellom de høy-skjær-og lav-skjærbånd. I disse figurene, er strømningsretningen loddrett nedad og hastigheten-gradient retning er horisontal mot høyre. (Gjengitt med tillatelse fra referanse ^15. Copyright 2009, The Society of Reologi.)

Figur 12 Part tegning:. 1-2 skjærcelle frontplate. ad/51068/51068fig12highres.jpg "target =" _blank "> Klikk her for å se større bilde.

Figur 13. Del tegning:. 1-2 skjærcelle kvarts vinduet Klikk her for å se større bilde.

Figur 14. Del tegning:. 1-2 skjærcelle midtplate Klikk her for å se større bilde.

Figur 15 "fo: content-width =" 5in "fo: src =" / files/ftp_upload/51068/51068fig15highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/51068/51068fig15.jpg "/>
Figur 15. Del tegning:. 1-2 skjærcelle dor Klikk her for å se større bilde.

Figur 16 Part tegning:.. 1-2 skjærcelle bakplate Klikk her for å se større bilde.

F . igure 17 Part tegning:. 1-2 skjærcellebunnplate Klikk her for å se større bilde.

Figur 18. Del tegning:. 1-2 skjærcelleplastunderlag Klikk her for å se større bilde.

Figur 19 Part tegning:. 1-2 skjærcelle fremre braketten. hres.jpg "target =" _blank "> Klikk her for å se større bilde.

Figur 20 Part tegning:.. 1-2 skjærcelle drivakselen support Klikk her for å se større bilde.

Figur 21 Part tegning:.. 1-2 skjærcelle drivakselen Klikk her for å se større bilde.

Alltid, ">
Figur 22 Part tegning:.. 1-2 skjærcelle holdeplate Klikk her for å se større bilde.

Figur 23 Part tegning:.. 1-2 skjærcelle akselkobling Klikk her for å se større bilde.

Deuterert vann (99,9%)	Cambridge Isotoper	7789-20-0	83.3 vekt% i formulering D 2 O
CTAB-cetyltrimetylammoniumbromid	Sigma-Aldrich	57-09-0	16,7 vekt-% i formulering CH3 (CH2) 15 N (Br) (CH 3) 3.
1/16 i umbrakonøkkel
3/16 i umbrakonøkkel
3/8 i åpen fastnøkkel
tape
Gjengetape
sprøyter (2)

Tabell 1.

Discussion

Et nytt instrument som kan måle mikrostrukturen av skjær komplekse fluider i hastighets hastighetsgradient planet av skjær via liten vinkel nøytronspredning utvikles og validert. Skjærcellekonstruksjon utfyller andre instrumenter ved hjelp av strålingskilder, som for eksempel røntgen-og lysspredning, så vel som Rheo-SANS instrumenter i stand til å karakterisere mikrostrukturen i de to andre plan av skjær (velocity-virvling og hastighetsgradient-virvling) ^{8 , 10.} Dette instrumentet funksjoner for både jevn skjær og tidsavhengige strømmer, som oscillasjon eller oppstartsskjærstrømninger, sistnevnte ved hjelp av en stroboscopic metodikk og tid-løst nøytronspredning teknikker ^{11, 12, 21.} En fordel ved å bruke SANS er at kontrast matchende metoder kan brukes til å utforske de enkelte komponentene i komplekse blandinger og materialer som er ugjennomsiktig, eller mangler kontrast nødveny for X-ray spredning. Flyten-SANS instrumentet og fremgangsmåter har blitt utvidet til å løse den interne mikrostruktur under skjærbånd ^{14, 15..} Videre, som SANS er en absolutt måleteknikken, målinger av hendelsen strålen transmisjon gjennom prøven kan brukes for å bestemme absolutte kjemiske sammensetning endres på tvers av Couette gapet, har nylig vist i ^13.. Som sådan, er den nye strømnings SANS teknikken en robust og fleksibel fremgangsmåte for å fremskaffe direkte mikro informasjon, fra den atomistisk til ~ mikron lengdeskala, på et bredt spekter av kolloidale, selv montert surfaktant, protein, og polymer-løsninger og deres blandinger henhold nonequilibrium forhold. Dette instrumentering er for tiden tilgjengelig for bruk av forslaget underkastelse på begge SANS og USANS instrumenter ved NIST Senter for Neutron forskning ved National Institute of Standards and Technology i USA og i Europa, på D22 nøytron væream for Institute Laue-Langevin i Grenoble, Frankrike.

Den aktuelle skjærcellegeometri utforming tillater tilsetning av supplerende metoder, slik som lysspredning for oppsamling samtidig nøytron og optisk foton spredning (trykknapper) data, så vel som direkte mikroskopavbildning. Det sistnevnte kan brukes for å bidra til å løse det strømningsfeltet in situ ved partikkelsporingsmetoder. Fremtidig utvikling inkluderer forbedret synkronisering for tidsavhengige strømmer, som i dag er begrenset til ~ 10 micro i oppløsning. Selvfølgelig, det er også begrensninger i dagens mekanisk design som de maksimale skjær priser oppnåe er av orden 10 ³ sek ^-1 og belastningsskader amplituder og frekvenser for oscillasjon strømmen er begrenset av tid-oppløsning samt motor troskap. Noen av disse problemene blir løst ved hjelp av flere reduksjonsgear. Videre må prøven viskositet være slik at den kan lastes ved å sprøyte. Vanligvis, når possible, er prøvene oppvarmet for å lette lasting og aktiver fjerne eventuelle luftbobler fanget under lasting. Hensyn må tas for å vurdere mulige strømnings-ustabiliteter og vegg slip, som er typiske bekymringer opp i å lage utfyllende reologiske målinger. Det er også et forhold mellom nøyaktigheten av den anvendte strømningsfeltet, og tykkelsen av prøven (for tiden 5-7 mm) og dette kan begrense noen anvendelser på grunn av bekymringer om flere spredning og adsorpsjon. Geometrien krever et prøvevolum av orden 6 ml, noe som kan være en utfordring for å studere sjeldne materialer. Som med alle gode design, det er rom for forbedring på skjærcelle detaljert her. Faktisk, er den aktuelle instrument et flow-SANS-metoden ved at SANS målinger er foretatt, mens en samtidig skjærstrøm tilføres, men med den nåværende utforming er ingen rheometri målinger er mulig. Forestående utviklingen vil muliggjøre samtidige SANS og momentmålinger. En ekte Rheo-SANS instrument forgransker hastighets hastighetsgradient planet av skjær vil være mulig, gitt at skjærspenningen vil bli løst fra det dreiemoment, og dermed vil samtidig rheometri og SANS målinger kan oppnås. Ingeniør nye skjær celler som er mekanisk forseglet og magnetisk drevet er en velkommen utfordring og for tiden, design og bygging av neste generasjon skjær celle er underveis for å ta opp noen av disse spørsmålene.

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)