Måling Materiale Mikrostruktur Under Flow Brug 1-2 Plane Flow-Small Angle neutronspredning

Summary

En forskydning celle er udviklet til små-vinkel neutronspredning målinger hastigheden-hastighedsgradient plan forskydning og til at karakterisere komplekse væsker. Det er muligt for at studere shear-banding materialer Stedligt målinger i hastighedsgradienten retning. Applikationerne omfatter undersøgelser af kolloide dispersioner, polymer løsninger og selvstændige samlet konstruktioner.

Abstract

En ny små-vinkel neutronspredning (SANS) prøve miljø optimeret til at studere mikrostrukturen af ​​væsker under simple shear flow præsenteres. SANS shear celle består af en koncentrisk cylinder Couette geometri, som er forseglet, og roterer omkring en vandret akse, således at hvirveldannelse strømretningen feltet flugter med neutronstrålen muliggør spredning fra 1-2 plan forskydning (velocity-hastighedsgradient , henholdsvis). Denne fremgangsmåde er et fremskridt i forhold til tidligere forskydning celleprøve miljøer, da der er en stærk kobling mellem hovedparten rheologi og mikrostrukturelle træk i 1-2 plan forskydning. Flow-ustabilitet, såsom shear banding, også kan studeres ved stedligt målinger. Dette opnås i denne prøve miljø ved hjælp af en smal åbning til neutronstrålen og scanning langs hastighedsgradienten retning. Tidsopløst eksperimenter, såsom flow nystartede virksomheder og stor amplitude oscillerende hunar flow er også mulig ved synkronisering af forskydning bevægelse og tidsopløst påvisning af spredte neutroner. Repræsentative resultater med de metoder, der er skitseret her demonstrere nyttige karakter af rumlig opløsning til måling af et en wormlike micelleopløsning, der udviser forskydning banding et fænomen, der kun kan undersøges ved at løse strukturen langs hastighedsgradienten retning. Endelig potentielle forbedringer til den nuværende udformning drøftes sammen med forslag til supplerende eksperimenter som motivation for fremtidige eksperimenter på en bred vifte af komplekse væsker i en bred vifte af shear bevægelser.

Introduction

Udvikling af en videnskabelig forståelse af et naturligt fænomen kræver nøjagtige og præcise målinger. Metrologi er også grundlaget for en vellykket teknik og design af nye processer og materialer. Rheology er videnskaben om deformation og flow af sagen. Rheologi er central i vores evne til at behandle en bred vifte af materialer og bruges også af produkt middelproducenter at målrette specifikke materialeegenskaber. Typiske eksempler på førstnævnte er støbning polymerer eller danner kompositter, mens sidstnævnte omfatter udvikling af dagligvarer såsom maling, shampoo og fødevarer. Uanset om viskositeten af et smeltet polymer styres således, at det kan være effektivt sprøjtestøbes eller viskoelasticitet en shampoo er ændret, så det har den rette konsistens til forbrugeren, og de ​​rheologiske egenskaber kontrolleres ved at ændre formuleringen af materiale ^1.. Rheologien af ​​materialer og produkter afhænger også af than struktur i flydende tilstand, og denne struktur spænder fra mikroskala til nanoskala. Desuden ændrer denne struktur med procesparametre, såsom flow og tidspunkt for flow, der udfordrer rheologists at måle strukturen i flow. Det er denne udfordring, der er opfyldt, dels ved romanen instrumentering beskrevet i denne artikel.

Nye teknikker, der kan sondering mikrostrukturen af ​​bløde materialer under shear flow kan gavne blødt materiale produktudvikling og forarbejdning tilstand optimering. Mange spændende og langvarige udfordringer for anvendelsen af bløde materialer i en række forskellige brancher og i grundlæggende videnskab involverer usædvanlig flow adfærd, såsom shear fortykkelse i kolloide suspensioner ^2, forskydning og vorticity banding i ormeagtige miceller ^3, og heterogeneities der ligger i strømmen af kolloide geler ^4-6. Rheologists konstant udfordret til at belyse microstructural oprindelsen af ​​lineariteterne i de rheologiske svarene og nogle gange endda inden for klipning viskoelastiske materialer hastighed. Denne udfordring kræver samtidige erhvervelse af mikrostruktur som en funktion af både den rumlige placering i strømmen felt og den tid afhængige adfærd, som har vist en formidabel opgave for eksperimentalister.

Lille vinkel neutronspredning (SANS) er særlig velegnet til måling af strukturen af ​​væsker, da det kan sonde materialer, som er uigennemtrængelige for lys. Også selektiv deuteration kan bruges til at give kontrast mellem komponenter, der kan ligne under røntgenspredning ^7. Endvidere neutroner har en fordel i forhold til røntgenstråler, da der ikke er nogen stråleskader af biologiske eller andre bløde stof prøver. I forsøgene er illustreret her, er kolde neutroner genereret af en reaktor eller en Spallation Source kollimeret og belyst efter en prøve. Spredningen intensitet yields information om strukturen af ​​materialet på længden skaleres fra den atomare til hundreder nanometer (og med ultra-lille vinkel neutronspredning op til snesevis af mikron), men i den form af en Fouriertransformation af det virkelige rum struktur. Derfor kan fortolkning af data være udfordrende og indebærer en invers transformation eller sammenligning til mikrostrukturelle modeller eller simuleringer. Mere om SANS instrumentering, eksperimenter og kontrast matching kan findes på tutorials bogført på webstedet for Center for Neutron Videnskab, www.cns.che.udel.edu.

Her beskriver vi en forskydning celle til formål at udvide SANS metode til at undersøge materialer under flow. En nyere oversigt over den generelle metode og instrumentering, samt en væsentlig litteratur gennemgang af de seneste programmer kan findes i reference ⁸ og de ​​citerede referencer deri. En bekvem og næsten ideelle miljø til at undersøge flydende struktur under shear flow medSANS er et snævert gab Couette geometri, også kendt som koncentriske cylindre ^9. Denne geometri anvender en enkel (dvs. laminar) forskydningsstrømningen til prøven og samtidig opretholde en tilstrækkelig uhindret volumen for hændelsen neutron stråle. Anvendelsen af ​​strøm bryder symmetrien i mikrostrukturen, som sådan en fuldstændig karakterisering af materialet mikrostruktur under simpel forskydningsstrømningen kræver mikrostrukturelle målinger i alle tre planer forskydning. To fly af forskydning kan undersøges ved hjælp af standard Couette geometri konfiguration (figur 1a): neutronstrålen er konfigureret til at rejse langs hastighedsgradienten retning og sonde hastigheden-vorticity (1-3) plan forskydning ("radial"-konfiguration) alternativt, er strålen kollimeret af en tynd spalte og rettes ind parallelt med strømningsretningen, hvorved sondering hastighedsgradienten-vorticity (2-3) plan ("tangential"-konfiguration). Dette instrument er tilgængelig commercially og er for nylig blevet dokumenteret for behandlingen af komplekse væsker under forskydning ^10. Den førnævnte gennemgang beskriver sin brug og til relaterede enheder for struktur-ejendom beslutsomhed tværs af en bred vifte af materialer og applikationer ^8. Tidsopløste eksperimenter, såsom oscillerende shear flow er også blevet rapporteret ^{11, 12.}

Ofte de mest interessante og vigtigste plan strømning er hastigheden-hastighedsgradient (1-2) plan (figur 1b), men det er også den mest vanskelige at undersøge, da det kræver specielle instrumenter. En brugerdefineret shear celle er blevet designet til at give direkte undersøgelse af hastigheden-hastighedsgradient (1-2) planet ved SANS sådan at neutronstrålen rejser parallelt med hvirveldynamik akse forskydning ^13-16. Målinger i 1-2 plan flow er afgørende for at få en kvantitativ forståelse for forskydningsviskositet fordi de elucidspiste orienteringen af strukturen i forhold til strømningsretningen ^{15, 17, 18.} Dette er vigtigt for materialer, såsom polymerer, selvsamlede overfladeaktive stoffer, kolloider, og andre komplekse væsker. Desuden er det muligt at undersøge materialernes mikrostruktur som en funktion af positionen over spalten i gradienten retning forskydningsstrømningen. Med tilføjelsen af ​​rumlig opløsning, metoden giver et middel til at studere materialer, der udviser mikrostrukturelle ændringer langs gradient retning af forskydning. Et eksempel, som undersøger ændringer i mikrostruktur og sammensætning langs gradienten er strømningsretningen shear-banding. Shear banding er et fænomen forårsaget af en kobling mellem mikrostruktur og strømretning, der resulterer i en inhomogen strømning felt ^13. I denne artikel beskriver vi instrumentet, dets samling og strømmen-SANS måleteknik som gennemføres på NIST Center for Neutron Research (NCNR) på National Institute of Standards and Technology (NIST) i Gaithersburg, MD. Denne prøve miljø er resultatet af et samarbejde mellem University of Delaware, NIST og Institut Laue-Langevin (ILL), og er blevet gennemført med succes på både syge og NIST. I forbindelse med denne artikel, hvor SANS bestemte dele af protokollen er bekymrede, er teknikken beskrevet som gennemføres på NIST. Imidlertid bør ændre sådanne instrumentspecifikke detaljer være ligetil, og den samlede teknik kan gennemføres på en hvilken som helst SANS instrument for lind strøm (afsnit 5.1). Desuden kan instrumenter med tidsopløste SANS kapaciteter også udføre oscillerende shear flow-SANS eksperimenter (afsnit 5.2). Tekniske tegninger af shear cellekomponenter leveres som figur 12-23.

Protocol

Figur 2 viser en samlet forskydning celle fastgjort til bundpladen, som er monteret på breadboard på prøven miljø scenen og justeres i neutronstrålen til SANS eksperiment. Stepmotoren, gearkasse og remtræk, slids motor scene, shear celle og retning neutronstrålen mærkes i figur 2.. Den nuværende protokol giver anvisninger for montering af shear celle (afsnit 1), montering af shear celle på scenen prøve miljø (afsnit 2), kalibrering af geometri for en SANS eksperiment (afsnit 3), indlæsning af en stikprøve (punkt 4), der kører et eksperiment og dataindsamling (afsnit 5) og slutter et eksperiment (afsnit 6). For reference, Figur 3 er en skematisk af den samlede celle og Figur 4 viser de afmonterede shear celle dele, der ud fra frontplade til bagplade, venstre til højre, og de ​​nødvendige værktøjer til montering (1/16 i og 3/16 i allen wrenches og en 3/8 i gaffelnøgle). Fra venstre til højre i figur 4 er den forreste plade, der bærer, fjederbelastet bøsning, O-ringe, kvartsvindue, midterste plade med O-ringe, prøve adgang porte og sprøjte stik, set-skruer, dorn, og dele til bagplade (kvartsvindue, O-ringe, fjederbelastet bøsning, idet), bagplade, fire unbrakoskruer og hurtigt forbinde kølerslange med quick-stik vedlagt.

1.. Saml Shear Cell (Indsat til højre i figur 2)

1. Forbered den midterste plade til montering.
   1. Rengør midterplade herunder prøve og set-skrue veje og identificere toppen af ​​pladen af ​​stillingen mærket.
   2. Forsegl prøve lastning veje ved hjælp af de tre sæt skruer. Pak hver set-skrue i tråd sæl tape og bruge en 1/16 i Allen skruenøgle til at indsætte hver skrue i hvert hul på "bunden" (2) og et sæt-skrue i hullet på "side".
2. Forbered og bag plader til montering (figur 5).
   1. Tryk passe lejet i hver af de forreste og bageste plader.
   2. Sæt den fjederbelastede bøsning (som er et stempel) med fjederen side åben mod prøven i de forreste og bageste plader.
   3. Placer lille (1-5/8 id) og store (2-1/4 i ID) NBR firkantede Dobbelt tætning O-ringe ind i rillerne i hver af de forreste og bageste plader.
   4. Placer kvarts vinduer oven på de kvadratiske O-ringe i hver plade.
3. Saml de forreste og midterste pladerne sammen.
   1. Placer den forreste plade på en flad overflade, justere score på toppen af ​​den midterste og forreste plader og placere den midterste plade på den forreste plade. Hvis det er nødvendigt, anvende en lille mængde af passende fedt til de afrundede O-ringe i than midterplade at holde dem på plads under montagen.
4. Saml dornen og bagpladen sammen.
   1. Sæt den korte ende af dornen akslen ind bagpladen. Brug jævnt påførte kraft, og dornen vil "klik" på plads. Vær opmærksom på, at dornen nu holder kvartsvindue og firkantede O-ringe på plads på bagpladen.
5. Saml frontpladen, midterste plade, dorn og bagpladen sammen.
   1. Placer den forreste og midterste plade samling på en forhøjning med den midterste plade opad. Denne forhøjning er at give plads til dornens skaft for at strække sig under samlingen uden at ramme bordet.
   2. Juster score på toppen af ​​frontplademontering med scoren på bagpladen forsamling.
   3. Indsæt den lange del af dornen aksel i den forreste pladekonstruktion. Sørg for, at de afrundede O-ringe på den midterste plade forbliver placeret korrekt under montagen. Cellen wsyg glide sammen og igen, "klik" når den er samlet korrekt.
   4. Skru samlingen sammen med de fire unbrakoskruer og en 3/16 i unbrakonøgle. Stram skruerne i et cross-mønster, så cellen fastholder concentricity.
6. Wrap gevindtape omkring de to adgangsporte og skru dem ind i toppen af ​​den midterste plade. Spænd med en 3/8 i gaffelnøgle.
7. Placer cadmium masken (fig. 6) i den modtagende spalte bearbejdes til forsiden af frontpladen. Anvend tape eller klæbeevne til at holde masken på plads, hvis det er nødvendigt.
8. Bruge Quick-stik for at cross-forbinde kølerslange mellem de øverste porte foran og bagpå plader.

2. Monter Shear Cell i Beamline

1. Dæk SANS detektor vinduet med sikkerhed skjold.
2. Spørg den ansvarlige facilitet instrument videnskabsmand at tilpasse prøven miljø scenen med neutronstrålen. Monter breadboard til prøven miljø scenen med fire ¼ i x 20 socket hoved Allen bolte og en 3/16 i unbrakonøgle.
3. Fastgør shear cellekonstruktion til celle-monteringsbeslaget placeret på bundpladen (allerede fastgjort til breadboard (figur 7)).
   1. Identificer celle-monteringsbeslag og akslen kobler fastgjort til bundpladen (figur 8). Sørg for, at SET-skruer til akslen kobling løsnes.
   2. Ret akslen kobling og dornen akslen sådan at set-skruerne på kobling vil skrue ind i den flade del af dornen akslen.
   3. Vandret skub shear celle ind i cellen-monteringsbeslag, så samlingen ligner som vist i figur 8.. Bør Dette trin skal udføres med forsigtighed, da det er vigtigt ikke at bøje dorn aksel eller aksel kobling.
   4. Fastgør shear celle forsamling til celle-monteringsbeslaget med to socket hovedcap-skruer ved hjælp af en 3/16 i unbrakonøgle. Spænd sikkert altid at sikre den shear celle flugter celle-monteringsbeslag.
   5. Stram de to sæt skruer på akslen ved hjælp af et 1/16 i Allen skruenøgle til at forbinde shear celle dorn aksel til drevet forsamling.
4. Juster shear celle geometri med neutron stråle.
   1. Brug af laseren til at justere SANS prøven miljø fase sådan, at højden af ​​dornens aksel er den samme som neutronstrålen. Juster midten af ​​hullet i shear celle til midten af ​​neutron beamline sti.
5. Indsæt den korrekte cadmium slids ind i slidsen motor fase samling, der er monteret på breadboard (figur 8). Fastgør spalten med tack om nødvendigt.
   Bemærk: Spalten skal flugte med den forreste plade og ca placeret inden i hullet i det forskydningskraftmodstående celle. Vælg spalten i overensstemmelse hermed for den ønskede eksperiment. For kløften resolutipå eksperimenter 0,1 mm og 0,2 mm buede spalter er tilgængelige. Betragtninger for målinger, der ikke kræver rumlig opløsning en 0,8 mm firkantet spalte er tilrådeligt.
6. Flyt placeringen motoren ved hjælp af krumtappen for at justere spændingen af ​​drivremmen, således at der er ca ¼ afbøjning i bæltet. Når spændt korrekt, låse motoren placering ved at stramme sæt-skruen placeret under rattet ved hjælp af en 7/64 i unbrakonøgle.
   Bemærk: Et valgfrit reduktionsgear kan tilsættes til motorsamlingen. Denne mulighed kan være nødvendig baseret på de nødvendige shear, der kræves for en bestemt eksperiment.
7. Forbind de to kølevæske bad slanger til shear celle ved hjælp af quick-stik.
8. Juster enhver observation kameraer eller andet hjælpeudstyr specifikke observere eksperimentet.
9. Fjern sikkerhedsskærmen beskytte SANS detektorvindue.

3. SANS Opsætning og kalibrering

1. Vedhæft en 0,5 i &# 160; blænde til enden af ​​snuden på indfaldende neutronstråle.
2. Indstil den ønskede SANS detektor position (q-range), neutron bølgelængde og bølgelængde spredes efter standard SANS protokoller og optimeret til de eksperimentelle betingelser.
   Bemærk: Beregningen for prøve-til-detektor afstand er baseret på prøven miljø scene placeret på "Huber bord".
3. Juster spalten position med forskellen på shear celle.
   1. Brug spalten motor fase (figur 8) for at justere spalten stilling med hullet i det forskydningskraftmodstående celle. Brug en laser til at efterligne neutronstrålen og et spejl til at detektere laseren, når den passerer gennem kvarts vinduer i hullet i det forskydningskraftmodstående cellekonstruktion.
   2. Finjuster placeringen af ​​spalten ved hjælp af SANS transmission målinger. Systematisk variere spalten motorposition fra indervæggen af ​​shear celle afstanden til den ydre væg af shear celle hul under anvendelse af 0,1 mm motor spalte oversættelse trin.Overhold transmission (typisk 2 sek) ved hjælp af SANS og registrere spalten motor position for hver transmission måling (figur 9).
      Bemærk: Hvis der ønskes rumlig opløsning, identificere motorpositioner er nødvendige for SANS eksperimenter. Hvis rumlig opløsning er ikke nødvendigt at identificere enkelt motor position, der bringer slidsen med midten af ​​shear celle hul. Justering slidsen med hul i shear cellen er afgørende for at gennemføre en god eksperiment. Det er også muligt (og anbefalede) at anvende vand til at justere positionen af ​​spalten ved hjælp af SANS transmission målinger. Brug af vand reducerer transmission og giver kontrast til den forskydning celle huset (figur 9).
      Bemærk: Læg vand ind i cellen ved at følge prøveindføringen protokol (afsnit 4). Anvendelse af vand vil i almindelighed kræve shear celle skal fjernes fra bundpladen, adskilt, tørret, samles og genmonteres på bundpladen forud for lastning sample til eksperimentet. Så længe bundpladen ikke fjernes fra prøven miljø fase bør dette ikke være et problem, men det er altid vigtigt at kontrollere slidsen tilpasningen til hullet.
4. Kalibrer prøven geometri
   1. Udfør en blokeret stråle mørk tæller og en tom målecelle efter standardiserede SANS procedurer. Bemærk, at de tomme celle målinger bør udføres på hvert rumlige placering som bestemmes af slidsen kalibrering udført i afsnit 3.3.

4.. Sample Loading Protocol

1. Sæt sikkerhedsskærmen på SANS detektoren vinduet.
2. Monter de to sprøjte stik (nylon) og gevind sprøjte inventar (blå og gul) til stålrør på toppen af ​​prøven celle. Sørg for, stophaner er i lukket position.
3. Forudindlæs prøven i en 10 ml gevind sprøjte (minimum prøvevolumen er 6 ml). Sørg for, at prøven er fri for bobler.
   1. Bobler ved enten centrifugering eller let opvarmning af prøven for at reducere viskositeten af ​​prøven under indlæsning af sprøjten. Hvis prøven er opvarmet, anbefales det kraftigt, at temperaturen af ​​shear cellen også øges for at hjælpe med at indlæse prøven.
4. Placer en tom sprøjte uden stemplet på stikket i midten af shear celle til at modtage overskydende prøve (figur 8).
5. Anbring sprøjten prøven på det andet stik (figur 8).
6. Åbn begge stophaner.
7. Prøven sprøjtes langsomt, indtil prøven begynder at træde ind i den tomme sprøjte.
8. Fjern eventuelle luftbobler fra hullet af shear celle.
   1. Drej motorstyringen væk for at frigøre motoren og tillade, at båndet kan bevæges manuelt.
   2. Forskyde prøven ved hånden til at hjælpe med at flytte boblerne til toppen af ​​shear celle, hvorved yderligere prøveinjektion vil typisk skubbe boblen i stikkontaktenog ud af shear celle hul.
9. Luk stophaner at låse prøven i cellen.
10. Ændre temperaturen af ​​vandbadet til den ønskede eksperimentelle temperatur og konditioneres prøven shear historie som passende.
11. Kontrollere for eventuelle bobler (og gør det regelmæssigt i løbet af forsøget). Hvis bobler overholdes; åbne stophaner bruge rotation til at flytte boblerne til toppen af ​​skærezonen og tilføre yderligere prøve for at skubbe boblerne ud af skærezonen af ​​cellen.
12. Fjern sikkerhed skjold og eventuelle uvedkommende værktøjer og forsyninger fra strålen området.

5.. Kørsel af Shear Experiment og Indsamling SANS data

1. For simple steady shear eksperimenter:
   1. Indstil shear rate i den stadige forskydning kontrol fil associeret med motorstyring software (se tilhørende dokumentation til motorstyring software drift).
   2. Identificer shear retningaf prøven under eksperimentet.
   3. Opsæt de ønskede SANS eksperimenter i henhold til de standardiserede SANS procedurer.
   4. Start shear celle motor.
   5. Start SANS eksperimentet. Kontroller detektortællinger og observere SANS 2D mønster at forsikre SANS resultater bliver registreret korrekt under klipning. Et eksempel på et typisk mønster iagttages for tensidopløsninger diskuteret i afsnittet om repræsentative resultater er vist i figur 10..
   6. Gentag proceduren (afsnit 5.1) for hvert ønsket shear rate.
2. For tidsopløste oscillerende shear eksperimenter:
   1. Kontroller trigger position for oscillerende shear eksperiment. For oscillerende forskydning, er det på tidspunktet for maksimal belastning og minimale (nul) tøjningshastighed.
   2. Indstil oscillationsfrekvensen og tøjningsamplitude i tidsopløst kontrol fil associeret med motorstyring software (se tilhørende dokumentation til motor control software drift). Bemærk at tøjningsamplitude er defineret i henhold til amplituden af ​​den anvendte stamme centreret på nul, og er den reologisk definerede tøjningsamplitude.
   3. Start shear celle motoren til den oscillerende forskydning eksperimentet.
   4. Start SANS eksperimentet. Tjek detektor tæller og observere 2D mønster at forsikre SANS er korrekt ved at blive optaget i løbet af oscillerende klipning.
   5. Kopier tidsstemplet neutrondetektor logfil fra NISTO til Charlotte og preprocess data ved hjælp af software leveret af NCNR.
   6. Reducer preprocessed datasæt med reduktionen softwarepakke i IGOR.
   7. Gentag proceduren (afsnit 5.2) for hver, ønsket svingning frekvens og tøjningsamplitude tilstand.

6.. Forsøgets afslutning

1. Sluk neutronstrålen og motorstyring.
2. Sæt sikkerhedsskærmen på SANS detektor vinduet.
3. Lad prøven og apparatet stand i den lukkede stråle i 5 min. Udfør en standard stråling kontrol, før du fjerner shear celle fra bundpladen.
4. Åbn stophaner på prøven havne, og trække eller skubbe prøven bruger eksemplet sprøjter. Recover prøven, lukke stophaner, og fjern sprøjter.
5. Sluk temperatur bad. Frakobl fluidbad køling slanger fra shear celle lynkoblingsprodukter porte.
6. Løsn unbrakoskruerne på akslen kobling mellem spindel og drivakslen ved hjælp af en 1/16 i unbrakonøgle. Brug en 3/16 i unbrakonøgle til at skrue de to unbrakoskruer, der fastgør shear celle til celle-monteringsbeslag. Skub shear celle ud af cellen monteringsbeslag.
7. Skil shear celle ved at vende forsamlingen protokol (punkt 1 i protokollen).
8. Rengør shear celle med sæbevand. Skyl og tør grundigt.

Representative Results

Repræsentative resultater af en vellykket gennemstrømningshastighed SANS eksperiment er angivet i figur 9, 10 og 11.. Disse eksempler er fra undersøgelser foretaget på en wormlike micelleopløsning (WLM) (tabel 1) kendt for at udstille shear banding under visse betingelser i forskydning. En fuldstændig diskussion af de videnskabelige resultater kan findes i referencerne ^15-17.

Figur 10 repræsenterer resultater af en spredning mønster opnået under shear flow ved hjælp af shear celle. Prøven undersøgt, er et viskoelastisk wormlike micelle (WLM) løsning består af lange, viklet trådlignende selvsamlede miceller amfifile molekyler ^13-15. Sammensætningen af opløsningen undersøgt er givet i tabel 1. Ved forskydning af disse systemer WLM opløsning viser forskydningsfortyndingsopførsel som følge af en kompleks kombination af micelle flow justering, molekyleudretning og eventuelt micelle brud (Vazquez-Kog-McKinley (VCM) model ^19). En særlig interessant kompleksitet i disse systemer er indtræden af ​​shear banding. Shear banding blev oprindeligt observeret visuelt dobbeltbrydende bånd nær den roterende væg af en Couette geometri ^20. Under shear banding strømningsfeltet udskiller i to eller flere regioner, eller "bånd", hver med en forskellig karakteristisk forskydningsgrad som illustreret i figur 9.. Til WLM undersøgt her, to bånd dannes ved tilstrækkeligt høje forskydningshastigheder - en med en forskydningshastighed højere end den forventede gennemsnitlige værdi, og en ved en lavere forskydningshastighed. Disse bands er sammenfaldende med stress plateau observeres i steady state shear rheometry målinger (figur 11).

En primær spørgsmål om shear banding er den mikrostrukturelle tilstand af overfladeaktive ved forskydnings hvor shear banding er observeret. Det var ukendt, hvordan det overfladeaktive organiseret i høj shøre bånd i forhold til lav forskydningshastighed båndet. Den nye shear celle SANS instrument med rumlig opløsning på tværs af kløften er unikt egnet til at undersøge dette problem. Gennem uafhængige rheometry og flow-Velocimetri målinger i en sammenlignelig Couette celle, er placeringen af ​​shear bands defineret på tværs af hullet i Couette celle. Ved hjælp af en smal sprække blænde (0,1 mm) SANS data er indsamlet på forskellige positioner på tværs af hullet i velocity-hastighedsgradient (1-2) planet for forskydning under stabil shear flow. Her rapporterer vi resultaterne for et WLM består af kationisk overfladeaktivt cetyltrimethylammoniumbromid (CTAB) i deutereret vand _(D2O) på 0,49 mol / l (490 mM) og 32 ° C ^6. Flow-SANS målinger er udført på otte positioner på tværs af 1,0 mm Couette kløft ved systematisk at oversætte 0,1 mm slids åbning over vinduet i shear celle. Figur 11 viser en visuel oversigt over resultaterne, hvor intensiteten ring er en korrelation højdepunkt due til at segment-segment interaktioner. Anisotropi i denne ring angiver segmental flow tilpasning, med høj tilpasning typisk for en nematisk fase. Er observeret en signifikant forskel på spredning anisotropi mellem positioner i de lavt shear og high-shear bands. Der findes en detaljeret forklaring af betydningen af disse målinger i at realisere målet om at forklare den mekanisme af shear banding som observeret i reologi og flow-Velocimetri resulterer i referencerne ^13-15. Disse målinger er for nylig blevet udvidet med succes til at tidsafhængige deformationer af Time løst neutronspredning metoder som beskrevet i punkt 5.2 i dette arbejde, og disse resultater er blevet forelagt til offentliggørelse ^21..

Figur 1. En Geometry for tidsopløste Oscillerende Rheo-SANS (TOR-SANS) eksperimenter i 1,3 og 2,3 planer flow. b) Ny geometri, der sonderer hastigheden-hastighedsgradient (1-2) plan forskydning (tilpasset fra ME Helgeson, NJ Wagner & L. Porcar, "Neutron transmission målinger af koncentration profiler i ikke-homogene shear strømme", Årsrapport 2010, NIST Center for Neutron Research, Gaithersburg, MD. s.. 38-39, 2010).

Figur 2.. Den grundlæggende 1-2 shear celle instrumentering i D22 SANS beamline ved Institut Laue-Langevin, Grenoble, Frankrig. A) oppefra af instrumentering med gearkassen og remtræk, slids motor fase stepmotor og neutronstråle highligh ted for klarhed b) sidebillede af shear celle med prøve adgangsporte vedlagt.

Fig. 3. Skematisk tegning af shear celle med bagplade (rød), afstandsplade (hvid) og frontpladen (blå) omfatter huset af den roterende dorn.

Figur 4.. Afmonterede udsigt over alle de dele og værktøjer, der kræves for at samle 1-2 plane shear celle instrument.

ftp_upload/51068/51068fig5highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/51068/51068fig5.jpg "/>
Figur 5.. Bagplade samling viser bærende, fjederbelastet bøsning, to O-ringe og kvartsvindue monteret korrekt.

Figur 6.. Samlet shear celle byder frontpladen at demonstrere korrekt placering af cadmium blænde.

Figur 7.. Set fra siden af prøven miljøet på D22 beamline, ved Institut Laue-Langevin, Grenoble, Frankrig. A)Fra bund til top: Huber bord, prøve miljø scenen og breadboard b) sikkerhed dækslet på plads og celle monteret på bundplade, som er knyttet til breadboard.

Fig. 8. Den samlede forskydning celle komplet med prøven sprøjter knyttet til celle-monteringsbeslag og akslen kobler på bundpladen.

Figur 9. Left) Diagram over 1-2 plane flow-SANS shear celle viser hastighed (1) og hastighedsgradient retninger (2) (røde pile) i forhold til den indfaldende stråle (blå pil) end retning dornens rotation (grøn pil). er Transmission målinger ved anvendelse af 0,1 mm spalte og præsenteres som en funktion af positionen over spalten i det forskydningskraftmodstående cellegeometri. Højre) Illustrationen viser resultater fra SANS eksperimenter udført på to forskellige positioner i hullet, der svarer til de høje og lave shear bands.

Figur 10.. Typiske SANS spredning mønster observeret i 1-2 plan for ormelignende miceller under shear flow.

Fig. 11. Left) forskydningsspænding mod forskydningshastighed sats for CTAB-opløsning. Linjerne er Giesekus modellen passer med (fast) og uden (stiplet) diffusion som beskrevet i reference ^15. Højre) todimensionale SANS spredning resultater for nominelle anvendte shear satser og normaliserede gap positioner, der spænder over shear banding overgang til CTAB prøve. Den sorte linje viser den målte placeringen af ​​grænsefladen mellem høj forskydning og lav forskydning bands. I disse figurer strømningsretningen er lodret nedad og hastigheden gradient retning er vandret til højre. (Gengivet med tilladelse fra henvisning ^15.. Copyright 2009, The Society of Rheologi.)

Figur 12 Del tegning:. 1-2 shear celle frontplade. ad/51068/51068fig12highres.jpg "target =" _blank "> Klik her for at se større billede.

Figur 13. Del tegning:. 1-2 shear celle kvartsvindue Klik her for at se større billede.

Figur 14. Del tegning:. 1-2 forskydning celle midterplade Klik her for at se større billede.

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 shear celle dorn Klik her for at se større billede.

Figur 16 Del tegning:.. 1-2 shear celle bagplade Klik her for at se større billede.

F . igur 17 Del tegning:. 1-2 shear celle bundplade Klik her for at se større billede.

Figur 18. Del tegning:. 1-2 shear celle plast liner Klik her for at se større billede.

Figur 19 Del tegning:. 1-2 shear celle forreste beslag. hres.jpg "target =" _blank "> Klik her for at se større billede.

Figur 20 Part tegning:.. 1-2 shear celle drivakslen support Klik her for at se større billede.

Figur 21 Del tegning:.. 1-2 forskydning celle drivaksel Klik her for at se større billede.

lways ">
Figur 22 Part tegning:.. 1-2 shear celle holdeplade Klik her for at se større billede.

Figur 23. Del tegning:.. 1-2 shear celle aksel kobling Klik her for at se større billede.

Deutereret vand (99,9%)	Cambridge Isotopes	7789-20-0	83.3 vægt-% i formuleringen D2O
CTAB-cetyltrimethylammoniumbromid	Sigma-Aldrich	57-09-0	16,7 vægt-% i formuleringen CH3 (CH2) 15 N (Br) (CH3) 3
1/16 i unbrakonøgle
3/16 i unbrakonøgle
3/8 i gaffelnøgle
tape
gevindtape
sprøjter (2)

Tabel 1.

Discussion

Et nyt instrument, der kan måle mikrostruktur klipning komplekse væsker i hastigheden-hastighedsgradient plan forskydning via lille vinkel neutronspredning er udviklet og valideret. Shear celle design supplerer andre instrumenter ved at bruge strålingskilder, såsom røntgen og lysspredning samt RHEO-SANS instrumenter, der kan karakterisere mikrostrukturen i de to andre fly af shear (velocity-hvirvelstyrke og hastighedsgradient-vorticity) ^{8 10.} Denne instrumentets funktioner til både stationære forskydnings-og tidsafhængige strømme, såsom oscillerende eller nystartede shear strømme, sidstnævnte ved hjælp af en stroboskopisk metodologi og tidsopløste neutronspredning teknikker ^{11, 12, 21,.} En fordel ved at bruge SANS er, at kontrasten matchende metoder kan anvendes til at udforske de enkelte komponenter i komplekse blandinger og materialer, der er uigennemsigtig, eller mangler kontrast nødvendigvisy for røntgenspredning. Strømmen-SANS instrument og metoder med succes er blevet udvidet til at løse den interne mikrostruktur under shear banding ^{14, 15.} Yderligere, da SANS er en absolut måleteknik, målinger af den indfaldende stråle transmission gennem prøven kan bruges til at bestemme absolutte kemiske sammensætning ændringer i hele Couette hul, der for nylig demonstreret i ^13.. Som sådan ny flow-SANS teknik er en robust og alsidig metode til opnåelse af direkte mikrostrukturelle oplysninger fra atomistisk til ~ mikron længdeskala på et bredt udvalg af kolloide, selv-samlet overfladeaktivt protein og polymeropløsninger og deres blandinger under uligevægtsfænomener forhold. Denne instrumentering er i øjeblikket til rådighed til brug ved indsendelse af forslag på begge SANS og USANS instrumenter NIST Center for Neutron forskning på National Institute of Standards and Technology i USA og i Europa, på D22 neutron væream af Institut Laue-Langevin i Grenoble, Frankrig.

Den nuværende forskydning celle geometri design muliggør tilføjelse af supplerende metoder, såsom lysspredning til indsamling samtidig neutron-og optisk foton spredning (snaps) data, samt direkte mikroskop billedbehandling. Sidstnævnte kan bruges til at hjælpe med at løse flow marken i stedet ved partikel sporingsmetoder. Fremtidig udvikling omfatter forbedret synkronisering for tidsafhængige strømme, som i øjeblikket er begrænset til ~ 10 mikrosekunder i opløsning. Selvfølgelig er der også begrænsninger for nuværende mekaniske design såsom maksimal shear satser opnåelige er af orden 10 ³ sek ^-1 og stamme amplituder og frekvenser for oscillerende flow er begrænset af den tid, opløsning samt motor troskab. Nogle af disse spørgsmål er ved at blive løst ved hjælp af yderligere reduktionsgear. Endvidere skal prøvens viskositet således, at det kan fyldes med en sprøjte. Typisk, når possible der prøver opvarmes for at lette læsning og muliggøre at fjerne eventuelle luftbobler fanget under lastning. Pleje skal tages for at overveje mulige flow-instabilitet og væg slip, som er typiske bekymringer op i at gøre de komplementære rheologiske målinger. Der er også en afvejning mellem nøjagtigheden af ​​den anvendte flow felt og tykkelsen af ​​prøven (i øjeblikket 5-7 mm) dette kan begrænse nogle applikationer på grund af bekymringer om multipel spredning og adsorption. Geometrien kræver et prøvevolumen bestillingsnummersystem 6 ml, hvilket kan være en udfordring for at studere sjældne materialer. Som med enhver god design, er der plads til forbedringer på shear cellen beskrevet her. Faktisk det nuværende instrument er et flow-SANS metode at SANS målinger foretages, mens en samtidig forskydningsstrømningen anvendes, dog med den nuværende udformning er det ikke muligt rheometri målinger. Forestående udvikling vil gøre det muligt for samtidige SANS og målinger moment. En sand RHEO-SANS instrument forundersøger velocity-hastighedsgradient plan forskydning vil være muligt, da forskydningsspændingen vil blive løst fra drejningsmoment og dermed vil samtidig rheometry og SANS målinger skal opnås. Engineering nye shear celler, der er mekanisk forseglede og magnetisk drevne er en velkommen udfordring og i øjeblikket, design og konstruktion af den næste generation shear celle er i gang for at løse nogle af disse spørgsmål.

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)