本文介绍了一种在剪切流动条件下对软物质材料同时测量阻抗、流变学和中子散射的实验方法。
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本文内容
摘要
摘要
本文介绍了一种新型介电 RheoSANS 仪器的操作流程，该仪器能够同时检测复杂流体的电学、力学和微观结构特性。该仪器由一个置于改进型强制对流烘箱内的同心圆筒（Couette）几何结构组成，烘箱安装在商用流变仪上。该装置可在美国国家标准与技术研究院（NIST）中子研究中心（NCNR）的小角中子散射（SANS）光束线上使用。Couette 几何结构经过精密加工，对中子透明，可在样品被限制于钛合金圆筒之间并经历任意形变时，实现对样品电学性能和微观结构特性的测量。通过使用可自定义的程序监控并控制预设实验协议的执行，实现了上述测量的同步化。本文描述了一种进行流动扫描实验的协议，其中剪切速率以对数方式从最大值逐步降低至最小值，每一步保持指定时间，同时进行频率依赖性的介电测量。以丙烯碳酸酯中分散碳黑聚集体形成的凝胶样品为例展示了代表性结果。当该凝胶经历稳态剪切时，碳黑网络发生机械形变，导致构成碳黑网络的键断裂，从而引起电导率初始下降。然而，在较高剪切速率下，随着剪切增稠现象的出现，电导率随之恢复。总体而言，这些结果展示了利用介电 RheoSANS 几何结构对这类悬浮液的流变-电-微观结构特性进行同步测量的有效性。
引言
宏观性质的测量常被用于深入理解胶体材料和自组装体系的本质，通常旨在通过建立相关认知来提升配方性能。特别是流变学领域，通过测量流体在施加应力或形变下的动态响应，能够提供关于胶体行为的重要信息，不仅涵盖平衡状态下的特性，也包括加工过程等远离平衡状态下的行为1。对消费品和工业用流体、凝胶及玻璃态物质进行流变学测试，还可用于测定配方设计者关注的流变参数，例如黏度。尽管流变学是研究材料性质的有力工具，但它对微观尺度下胶体信息的测量是间接的，因此将流变学测量与其他互补技术相结合，可显著增强我们对基本胶体行为的理解。
一种此类正交技术是阻抗谱法。阻抗谱法是一种用于研究介电弛豫行为的整体探测手段，通过测量材料对外加交变电场的响应来实现2。阻抗谱来源于材料内部活跃的电弛豫模式，包括电荷传输和极化过程3,4。这些测量结果为胶体行为提供了额外的证据，尤其是与流变学结合使用时5。因此，当研究带电胶体分散体系、蛋白质、离子型表面活性剂、纳米复合材料及其他类似体系时，结合使用这些技术尤为相关6,7
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方案
1. 将流变仪安装到小角中子散射光束线上
注意：命名组件的定义见图1。
- 确保流变仪电源已关闭，传感器已锁定，并已安装电机空气轴承保护装置。关闭中子束，并关闭烘箱门。
- 将大底板安装到工作台上，取下喷嘴，安装窗口，并将4个吊环牢固连接至流变仪吊装适配器的安装支架上，确保电缆不会缠绕或扭曲。
- 使用吊车将流变仪提起，并将其从流变仪工作台移动至主工作台中央位置，使流变仪的LCD屏幕朝外，同时注意引导电缆走向，尽量减少缠绕。
- 使用SANS控制软件，将工作台移至最低Z位置。
- 拆下流变仪的吊装适配器，并使用吊车将其从平台移开。
2. 介电细胞组件的组装
注意：命名组件的定义见图2。
- 确保流变仪电源已关闭，传感器处于锁定状态，并已安装电机空气轴承保护装置。使用前，先用洗涤剂溶液清洗介电杯和转子组件，再用去离子水冲洗数次，并使其完全干燥。
- 打开烘箱门，解锁传感器并取下电机轴承锁。将介电测量头和介电转子组件分别安装到流变仪的上部和下部工具接口上。使用2 mm内六角扳手松开介电测量头上的两个紧定螺钉，并将介电杯组件放置于介电测量头上，使其固定到位。
- 通过流变仪控制软件，在“样品几何结构....
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结果
介电流变-小角中子散射（dielectric RheoSANS）实验的代表性结果如图5和图6所示。这些数据来自丙烯碳酸酯中导电炭黑悬浮液的测量。由于存在吸引力作用，这些聚集体在相对较低的固含量下发生絮凝，形成具有导电性的凝胶。此类悬浮液的流变和导电响应是当前研究的热点，目前的研究致力于揭示这些测量结果背后的微观结构起源。介电RheoSANS仪器是解决这一问题的独特工具，因为它能够在材料经历类似于半固态电化学流动池等实际应用中所受变形的同时，同步探测其电学和力学性能。在这样的流动池中，炭黑作为导电添加剂，赋予流动电极体相导电性。
程序中概述的实验旨在测试一种导电材料在进行流变扫描测试时的性能，其中剪切速率以对数方式从最大值逐步降低至最小值，并在每个剪切速率下保持指定的时间段。在整个实验过程中，连续测量流变学、介电数据和中子散射信号。完成一次介电 RheoSANS 实验后，数据以三种独立格.......
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讨论
介电流变-小角中子散射（RheoSANS）实验可同时测量材料在经历预设形变时的流变、电学及微观结构响应。此处展示的示例为一种导电炭黑悬浮液，该悬浮液用作电化学流动池中的导电添加剂。介电RheoSANS仪器能够在不损害电学或流变测量精度的前提下，探测窄间隙库爱特（Couette）细胞中剪切的径向平面。此外，该装置的几何结构允许将原始信号（如扭矩、电阻和相位偏移）转换为适当的本征变量，例如剪切应力、电导率和介电常数。在本实验方案所述的实验中，进行了一次流动扫描，剪切速率从最大值对数递减至最小值，同时记录时间依赖性和剪切速率依赖性的流变-电-结构特性。通过该测量，可以研究炭黑凝胶在屈服并进入宏观流动过程中其微观结构和电导率的演变过程。由于实现了同步介电测量，我们能够深入探究这些远离平衡态的凝胶材料在熔融过程中的导电机制起源20。流动扫描仅是可执行的多种潜在测试之一，该装置的几何结构设计可适应多种潜在的时间依赖性剪切剖面。这些结果有望通过指导低粘度、高电导率流体的配方优化，提升液流电池电极的性能21。
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
作者谨此感谢美国国家标准与技术研究院中子研究中心（NIST Center for Neutron Research CNS）在本研究期间提供的部分资助，合作协定编号为 #70NANB12H239，同时感谢美国国家研究委员会（National Research Council）的支持。本文中提及某些商用设备、仪器或材料，旨在充分说明实验流程。此类提及并非表示美国国家标准与技术研究院建议或认可这些产品，亦不表示所提及的材料或设备必然是可供选用的最佳产品。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| ARES G2 流变仪 | TA Instruments | 401000.501 | 流变仪 |
| ARES G2-DETA ACCY 套件 | TA Instruments | 402551.901 | BNC 连接器 |
| ARES 25 mm DETA 几何夹具 | TA Instruments | 402553.901 | 介电几何夹具 |
| ARES G2 强制对流烘箱 | TA Instruments | 401892.901 | FCO |
| Agilent E4980A LCR 测试仪 | TA Instruments | 613.04946 | LCR 测试仪 |
| USB-6001 | National Instruments | NI USB-6001 | 数据采集卡 |
| Vulcan XC72R | Cabot | Vulcan XC72R | |
| 碳酸丙烯酯 | Aldrich | 310328 | |
| LabVIEW 系统设计软件 | National Instruments | 776671-35 | 控制软件 |
参考文献
- Macosko, C. Rheology: Principles, Measurements and Applications. Powder Technology. 86 (3), (1996).
- Barsoukov, E., Macdonald, J. R. Impedance Spectroscopy Theory, Experiment, and Applications. , Wiley-Inerscience. (2010).
- Pelster, R., Simon, U. Nanodispersions of conducting particles: Preparati....
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