Mesure microstructure du matériau sous flux utilisant 1-2 Avion Flow-Petit Angle Neutron Scattering

Summary

Une cellule de cisaillement est développé pour petits angles des mesures de diffusion de neutrons dans le gradient de cisaillement plan-vitesse et de vitesse est utilisée pour caractériser les fluides complexes. Mesures résolues spatialement dans la direction de gradient de vitesse sont possibles pour l'étude des matériaux cisaillement baguage. Les applications comprennent les enquêtes de dispersions colloïdales, des solutions de polymères, et des structures auto-assemblées.

Abstract

Un environnement de l'échantillon nouvelle petite-angle de diffusion de neutrons (SANS) optimisé pour l'étude de la microstructure des fluides complexes sous écoulement de cisaillement simple est présenté. La cellule de cisaillement SANS consiste en une géométrie de Couette de cylindre concentrique qui est fermé hermétiquement et en rotation autour d'un axe horizontal de sorte que la direction du tourbillon de la zone d'écoulement est aligné avec le faisceau de neutrons permettant de diffusion à partir du plan 1-2 de cisaillement (gradient de vitesse, la vitesse , respectivement). Cette approche est une avance sur les environnements d'échantillon de cellule de cisaillement précédentes comme il ya un couplage fort entre la rhéologie en vrac et les caractéristiques de la microstructure dans le plan 1-2 de cisaillement. Flow-instabilités, comme les bandes de cisaillement, peut également être étudié par des mesures résolues spatialement. Ceci est réalisé dans cet environnement de l'échantillon à l'aide d'une étroite ouverture pour le faisceau de neutrons et de balayage le long de la direction de gradient de vitesse. Temps expériences résolues, comme flux start-ups et grand oscillatoire d'amplitude elledébit d'ar sont également possibles par la synchronisation du mouvement de cisaillement et de la détection en temps résolu de neutrons diffusés. Les résultats représentatifs en utilisant les méthodes décrites ici démontrent le caractère utile de la résolution spatiale de la mesure de la microstructure d'une solution de micelles vermiformes qui présente des bandes de cisaillement, un phénomène qui ne peut être étudiée par la résolution de la structure le long de la direction de gradient de vitesse. Enfin, les améliorations possibles de la conception actuelle sont abordés ainsi que des suggestions pour des expériences supplémentaires que la motivation pour de futures expériences sur une large gamme de fluides complexes dans une variété de mouvements de cisaillement.

Introduction

Développer une compréhension scientifique d'un phénomène naturel nécessite des mesures exactes et précises. La métrologie est également à la base de l'ingénierie et de la conception réussie de nouveaux procédés et matériaux. Rhéologie est la science de la déformation et de l'écoulement de la matière. La rhéologie est central dans notre capacité à traiter une grande variété de matériaux et est également utilisée par les formulateurs de produits à une cible, les propriétés des matériaux spécifiques. Des exemples typiques de l'ancienne comprennent des polymères de moulage ou de composites formant, tandis que le second comprend le développement de produits de consommation courante tels que les peintures, les shampoings et les aliments. Si la viscosité d'un polymère en fusion est contrôlée de telle sorte qu'il peut être efficacement moulée par injection ou la visco-élasticité d'un shampooing est modifiée de sorte qu'elle ait la consistance correcte pour le consommateur, les propriétés rhéologiques sont contrôlées en modifiant la formulation du matériau ^1. La rhéologie des matériaux et des produits dépend aussi de til structurer à l'état fluide et cette structure va de l'échelle microscopique à l'échelle nanométrique. En outre, cette structure change avec les paramètres de traitement, telles que le débit et le temps d'écoulement, qui remet en cause rhéologues pour mesurer la structure lors de l'écoulement. C'est ce défi que l'on rencontre, en partie, par le roman instrumentation décrit dans cet article.

De nouvelles techniques capables de sonder la microstructure des matériaux souples sous écoulement de cisaillement peuvent bénéficier doux ingénierie de produits matériel et de l'état de traitement d'optimisation. Beaucoup de défis fascinants et de longue date pour l'application de matériaux souples dans une variété d'industries et de la science fondamentale impliquent un comportement d'écoulement inhabituel, comme cisaillement épaississement dans les suspensions colloïdales ^2, cisaillement et le tourbillon de bandes dans micelles géantes ^3, et hétérogénéités inhérentes à la flux de gels colloïdaux ^4-6. Rhéologues sont constamment mis au défi d'élucider le microstructural origines des non-linéarités dans les réponses rhéologiques et parfois même dans le domaine des matériaux viscoélastiques de cisaillement de vitesse. Ce défi nécessite l'acquisition simultanée de la microstructure en fonction à la fois de la localisation spatiale dans le champ d'écoulement et le temps comportements de dépendance, ce qui s'est avéré une tâche redoutable pour les expérimentateurs.

Petits angles de neutrons (SANS) est particulièrement bien adapté pour mesurer la structure des fluides complexes car il peut sonder les matériaux qui sont opaques à la lumière. Aussi deutération sélective peut être utilisé pour fournir un contraste entre les éléments qui peuvent sembler similaires aux rayons X de diffusion ^7. En outre, les neutrons ont un avantage sur les rayons X comme il n'ya pas de dégâts d'irradiation des échantillons de matière molle, biologiques ou autres. Dans les expériences illustrées ici, les neutrons froids générés par un réacteur ou d'une source de spallation sont collimatés et éclairés sur un échantillon. L'intensité de la diffusion yichamps d'informations sur la structure du matériau sur la longueur de l'échelles atomiques à plusieurs centaines de nanomètres (et à ultra-faible de l'angle de diffusion des neutrons jusqu'à des dizaines de micromètres), mais sous la forme d'une transformée de Fourier de la structure de l'espace réel. Par conséquent, l'interprétation des données peut être difficile et implique une transformée inverse ou par rapport à des modèles ou des simulations de microstructure. En savoir plus sur SANS instrumentation, des expériences, et le contraste correspondant peut être trouvé sur les tutoriels publiés sur le site Web du Centre pour la science des neutrons, www.cns.che.udel.edu.

Nous décrivons ici une cellule de cisaillement conçu pour étendre la méthode SANS pour examiner les documents sous flux. Une revue récente de la méthodologie générale et de l'instrumentation, ainsi que d'une revue de la littérature substantielle des applications récentes peuvent être trouvées dans la référence ⁸ et les références qui y sont citées. Un environnement idéal et presque idéal pour sonder la structure fluide sous écoulement de cisaillement avecSANS est une géométrie de Couette intervalle étroit, également connu sous le nom cylindres concentriques ^9. Cette géométrie applique un flux de cisaillement simple, (c.-à-laminaire) à l'échantillon, tout en maintenant un volume libre suffisant pour le faisceau de neutron incident. L'application de flux rompt la symétrie de la microstructure; comme une telle caractérisation complète de la microstructure du matériau sous écoulement de cisaillement simple nécessite des mesures de la microstructure dans les trois plans de cisaillement. Deux plans de cisaillement peuvent être étudiés en utilisant la configuration de la géométrie de Couette standard (figure 1a): le faisceau de neutrons est configuré pour se déplacer le long de la direction de gradient de vitesse et de sonder la vitesse-tourbillon (1-3) plan de cisaillement (de configuration "radial") , en alternative, le faisceau est collimaté par une fente mince et alignés parallèlement à la direction d'écoulement, ainsi la vitesse de palpage de gradient-tourbillon (3.2) plan (configuration "tangentielle"). Cet instrument est disponible commercially et a été récemment documentée pour l'examen de fluides complexes sous cisaillement ^10. L'examen mentionné ci-dessus décrit son utilisation et celle des dispositifs connexes pour déterminer la structure-propriété à travers une large gamme de matériaux et applications ^8. expériences résolues en temps, comme pour les flux de cisaillement oscillatoires ont également été signalés ^{11, 12.}

Souvent, le plan le plus intéressant et le plus important de l'écoulement est le gradient de vitesse-vitesse (1-2) plan (figure 1b), mais il est aussi le plus difficile à étudier car elle nécessite une instrumentation particulière. Une cellule de cisaillement sur ​​mesure a été conçu pour permettre investigation directe du gradient de vitesse, la vitesse (1-2) par SANS plan de telle sorte que le faisceau de neutrons se déplace parallèlement à l'axe de tourbillon de cisaillement ^{de 13 à 16.} Les mesures dans le plan 1-2 de flux sont essentielles à acquérir une compréhension quantitative de la viscosité de cisaillement parce qu'ils Elucidmangé l'orientation de la structure par rapport à la direction d'écoulement ^{15, 17, 18.} Ceci est important pour des matériaux tels que des polymères, des agents tensio-actifs auto-assemblées, des colloïdes, et d'autres fluides complexes. En outre, il est possible d'étudier la microstructure des matériaux en fonction de la position à travers l'intervalle dans la direction du gradient de cisaillement de l'écoulement. Avec l'ajout de résolution spatiale, le procédé fournit un moyen pour l'étude de matériaux qui présentent des changements de microstructure suivant la direction du gradient de cisaillement. Un exemple pour lequel l'enquête changements de microstructure et la composition le long de la direction du gradient de flux est cisaillement baguage. Les bandes de cisaillement est un phénomène provoqué par un couplage entre la microstructure et la direction de l'écoulement qui se traduit par un champ d'écoulement non homogène ^13. Dans cet article, nous décrivons l'instrument, son montage et la technique de mesure de débit SANS mis en œuvre au Centre NIST pour NeUtron recherche (NCNR) à l'Institut National des Standards and Technology (NIST) à Gaithersburg, MD. Cet environnement de l'échantillon est le résultat d'une collaboration entre l'Université du Delaware, le NIST et l'Institut Laue-Langevin (ILL), et a été mis en œuvre avec succès à la fois mal et NIST. Aux fins du présent article, lorsque les parties spécifiques SANS du protocole sont concernés, la technique est décrite comme mis en œuvre au NIST. Cependant, la modification de ces détails spécifiques de l'instrument devrait être simple et la technique globale peut être mis en œuvre sur un instrument SANS pour flux constant (section 5.1). En outre, les instruments équipés d'SANS capacités résolues en temps peuvent également effectuer des expériences de cisaillement flux SANS oscillatoires (section 5.2). Dessins techniques des composants de la cellule de cisaillement sont fournies comme les figures 12 à 23.

Protocol

La figure 2 montre une pile assemblée de cisaillement fixé à la plaque de base, qui est monté sur la carte de test à l'échelle de l'environnement de l'échantillon et alignée dans le faisceau de neutrons pour une expérience SANS. Le moteur pas à pas, la boîte de vitesses et de transmission à courroie, l'étape du moteur de fente, la cellule et la direction du faisceau de neutrons cisaillement sont marquées sur la figure 2. Le présent protocole fournit des instructions pour l'assemblage de la cellule de cisaillement (section 1), le montage de la cellule de cisaillement sur la scène de l'environnement de l'échantillon (article 2), l'étalonnage de la géométrie pour une expérience SANS (section 3), le chargement d'un échantillon (section 4), en cours d'exécution une collection d'expérience et de données (article 5) et se terminant une expérience (article 6). Pour référence, la figure 3 est un schéma de la cellule assemblée, et la figure 4 montre les parties de la cellule de cisaillement démontés disposées de plaque avant à la plaque arrière, de gauche à droite, et les outils nécessaires pour le montage (1/16 à 3/16 à wrenche Allens et un 3/8 à clé ouverte). De gauche à droite sur la figure 4 sont la plaque avant, portant, douille à ressort, joints toriques, fenêtre de quartz, plaque centrale avec des joints toriques, ports d'accès de l'échantillon et les connecteurs de seringues, set-vis, mandrin, et les pièces de la plaque arrière (fenêtre de quartz, joints toriques, douille à ressort, portant), la plaque arrière, quatre vis à six pans à tête rapide et raccorder le tuyau de refroidissement avec raccords rapides attachés.

Une. Assemblez la cellule de cisaillement (en médaillon à droite dans la figure 2)

1. Préparer la plaque centrale pour l'assemblage.
   1. Nettoyez la plaque centrale, y compris l'échantillon et les voies set-vis et identifier le haut de la plaque par la marque de pointage.
   2. Scellez les voies de chargement des échantillons à l'aide des trois vis de réglage. Envelopper chaque vis située dans la bande de joint de filetage et d'utiliser un 1/16 en clé Allen pour insérer chaque vis dans chaque trou en "bas" (2) et une vis de réglage dans le trou sur le «côté».
2. Préparer les plaques arrière et avant pour le montage (figure 5).
   1. Appuyez sur le palier rentre dans chacune des plaques avant et arrière.
   2. Insérer la douille à ressort (qui est un joint d'étanchéité) avec le ressort du côté ouvert en direction de l'échantillon dans les plaques avant et arrière.
   3. Placez le petit (1-5/8 à ID) et grand (2-1/4 à ID) Buna-N carrés à double étanchéité des joints toriques dans les rainures dans chacune des plaques avant et arrière.
   4. Placez les fenêtres de quartz sur le dessus des carrés joints toriques dans chaque assiette.
3. Assembler les plaques avant et moyennes ensemble.
   1. Placer la plaque avant sur une surface plane; aligner le score sur le dessus des plaques centrales et avant et placer la plaque centrale sur la plaque avant. Si nécessaire, appliquer une petite quantité de graisse appropriée pour les joints toriques arrondis en til plaque médiane pour les maintenir en place pendant l'assemblage.
4. Monter le mandrin et la plaque arrière ensemble.
   1. Insérez l'extrémité courte de l'arbre de mandrin dans la plaque arrière. Utilisez la force uniformément appliqué et le mandrin aura «clic» en place. Prenez note que le mandrin est maintenant tenue de la fenêtre de quartz et carrés joints toriques en place sur la plaque arrière.
5. Assembler la plaque avant, plaque milieu, mandrin et la plaque arrière ensemble.
   1. Placez l'avant et la plaque du milieu sur une plate-forme surélevée avec la plaque du milieu vers le haut. Cette plate-forme surélevée est de permettre à l'espace pour l'arbre de mandrin de prolonger dessous de l'ensemble sans toucher la table.
   2. Aligner le score sur le dessus de l'ensemble de la plaque avant avec le score de l'ensemble de la plaque arrière.
   3. Insérer la partie longue de la barre du mandrin dans l'ensemble de plaque avant. Assurez-vous que les joints toriques arrondis sur la plaque du milieu restent bien en place lors de l'assemblage. La cellule wmalade diapositive ensemble et de nouveau ", cliquez sur" lorsqu'il est correctement monté.
   4. Visser l'ensemble ainsi que l'aide des quatre vis à six pans à tête et un 3/16 clé Allen. Serrer les vis dans un contre-modèle de sorte que la cellule maintient concentricité.
6. Enveloppez sceau ruban fil autour deux ports accès et visser dans haut du plaque milieu. Serrer avec un 3/8 dans une clé à fourche.
7. Placer le masque de cadmium (Figure 6) dans la fente de réception usiné dans la face avant de la plaque avant. Appliquer du ruban collant ou pour maintenir le masque en place si nécessaire.
8. Utilisez les raccords rapides de contre-connecter le tuyau de refroidissement entre les premiers ports sur les plaques avant et arrière.

2. Montez la cellule de cisaillement dans le Beamline

1. Couvrir la fenêtre du détecteur SANS avec la protection de sécurité.
2. Demandez au responsable scientifique de l'instrument de facilité pour aligner le stade de l'environnement de l'échantillon avec le faisceau de neutrons. Monter la carte de test à l'étape de l'environnement de l'échantillon à l'aide de quatre ¼ po x 20 pans creux boulons Allen et un 3/16 clé Allen.
3. Attacher l'ensemble de cellule de cisaillement au support de montage de cellule située sur la plaque de base (déjà attaché à la carte de test (figure 7)).
   1. Identifier le support et l'arbre d'accouplement de montage de cellules attachée à la plaque de base (figure 8). Assurez-vous que les vis de fixation-pour le coupleur d'arbre sont desserrés.
   2. Aligner le coupleur d'arbre et l'arbre de mandrin de telle sorte que les vis de réglage sur le coupleur se visser dans la partie plate de l'arbre du mandrin.
   3. Horizontalement glisser la cellule de cisaillement dans le support de montage de cellule de sorte que l'ensemble ressemble à celui de la figure 8. Cette étape doit être effectuée avec précaution car il est important de ne pas plier l'arbre de mandrin ou le coupleur de l'arbre.
   4. Fixez l'ensemble de la cellule de cisaillement au support de fixation cellulaire avec deux à six pans creuxvis d'assemblage à l'aide d'une clé de 3/16 à Allen. Serrez fermement en veillant toujours à la cellule de cisaillement est à plat contre le support de fixation cellulaire.
   5. Serrez les deux vis de réglage sur le connecteur de l'arbre à l'aide d'un 1/16 en clé Allen pour relier l'arbre de mandrin de cellule de cisaillement à l'ensemble d'entraînement.
4. Aligner la géométrie de la cellule de cisaillement avec le faisceau de neutrons.
   1. Utiliser le laser pour ajuster la phase de SANS environnement de l'échantillon de telle sorte que la hauteur de la barre du mandrin est la même que le faisceau de neutrons. Aligner l'axe de la lacune dans la cellule de cisaillement de l'axe de la voie pour ligne de faisceau neutronique.
5. Insérer la fente de cadmium approprié dans l'ensemble de l'étape du moteur de la fente qui est monté sur la carte de test (Figure 8). Fixez la fente avec la punaise si nécessaire.
   Remarque: La fente doit être de niveau avec la plaque avant et placé approximativement dans l'intervalle de la cellule de cisaillement. Choisissez la fente conséquence de l'expérience souhaitée. Pour écart resolutisur des expériences 0,1 mm et 0,2 mm fentes courbes sont disponibles. Considérant que, pour les mesures qui ne nécessitent pas une résolution spatiale d'une fente rectangulaire de 0,8 mm est recommandé.
6. Déplacer la position du moteur au moyen de la manivelle pour régler la tension de la courroie d'entraînement de sorte qu'il y est d'environ ¼ de déviation de la ceinture. Lorsque tendu correctement, verrouiller l'emplacement du moteur en serrant la vis située sous la roue à l'aide d'une clé de 7/64 à Allen.
   Note: un engrenage réducteur facultatif peut être ajouté à l'ensemble de moteur. Cette option peut être nécessaire sur la base des taux de cisaillement requis nécessaires à une expérience spécifique.
7. Connectez les deux tuyaux de bain de liquide de refroidissement à la cellule de cisaillement en utilisant les raccords rapides.
8. Ajustez les caméras de surveillance ou d'autres équipements auxiliaires spécifiques à l'observation de l'expérience.
9. Retirez le bouclier de sécurité protégeant la fenêtre du détecteur SANS.

3. Configuration SANS et étalonnage

1. Joindre un 0,5 en &# 160; ouverture à l'extrémité du museau sur le faisceau de neutrons incident.
2. Réglez la position souhaitée du détecteur de SANS (q-gamme), neutrons longueur d'onde, et la longueur d'onde propagation suivant des protocoles SAN standard et optimisés pour les conditions expérimentales.
   Note: Le calcul de la distance échantillon-à-détecteur est basé sur la phase de l'environnement de l'échantillon situé sur la «table Huber".
3. Aligner la position de la fente à l'écart de la cellule de cisaillement.
   1. Utiliser l'étape du moteur de la fente (figure 8) afin d'aligner la position de la fente avec l'espace vide de la cellule de cisaillement. Utiliser un laser pour émuler le faisceau de neutrons et un miroir pour détecter le laser une fois qu'il passe à travers les fenêtres en quartz à l'intérieur de l'écart de l'ensemble de cellule de cisaillement.
   2. Affiner la position de la fente à l'aide des mesures de transmission SANS. Varier systématiquement la position du moteur de la fente de la paroi intérieure de l'espace de cellule de cisaillement à la paroi extérieure de l'espace de cellule de cisaillement en utilisant des étapes de la traduction moteur à fente de 0,1 mm.Observer la transmission (typiquement de 2 secondes) en utilisant SANS et enregistrer la position du moteur de la fente pour chaque mesure de la transmission (Figure 9).
      Remarque: Si la résolution spatiale est souhaitée, identifier les positions du moteur nécessaires pour les expériences de SANS. Si la résolution spatiale n'est pas nécessaire de déterminer la position du moteur unique qui est aligné avec la fente au milieu de l'écartement de cellule de cisaillement. Aligner la fente de l'écart dans la cellule de cisaillement est crucial pour remplir une bonne expérience. Il est également possible (et recommandé) d'utiliser l'eau pour aligner la position de la fente à l'aide des mesures de transmission de SANS. Utilisation de l'eau permet de réduire la transmission et fournit un contraste avec le boîtier de la cellule de cisaillement (figure 9).
      Remarque: Chargez l'eau dans la cellule en suivant le protocole de chargement d'échantillon (section 4). L'utilisation d'eau nécessite généralement la cellule de cisaillement à être retiré de la plaque de base, démonté, séché, remonté et remonté à la plaque de base avant de charger la SAmple pour l'expérience. Tant que la plaque de base n'est pas retiré de la scène de l'environnement de l'échantillon ne devrait pas être un problème, mais il est toujours important de vérifier l'alignement de la fente avec l'écart.
4. Calibrer la géométrie de l'échantillon
   1. Effectuer un comptage sombre de faisceau bloqué et une mesure de la cellule vide conformément aux procédures normalisées SANS. Notez que les mesures de cellules vides doivent être effectués à chaque endroit du territoire telles que déterminées par l'étalonnage de la fente réalisée dans la section 3.3.

4. Protocole échantillon de chargement

1. Placez le bouclier de sécurité sur la fenêtre du détecteur SANS.
2. Montez les deux connecteurs de seringues (Nylon) et les appareils de seringues filetés (bleu et jaune) pour les tuyaux en acier au sommet de la cellule de l'échantillon. Assurez-vous que les robinets sont en position fermée.
3. Précharger l'échantillon dans une seringue de 10 ml (volume d'échantillon minimum est de 6 ml) filetés. Assurez-vous que l'échantillon est exempt de bulles.
   1. Éliminer les bulles soit par centrifugation ou légèrement chauffer l'échantillon pour réduire la viscosité de l'échantillon pendant le chargement de la seringue. Si l'échantillon est chauffé, il est fortement recommandé que la température de la cellule de cisaillement est également augmentée pour faciliter le chargement de l'échantillon.
4. Placer une seringue vide sans le piston sur le connecteur dans le milieu de la cellule de cisaillement pour recevoir l'échantillon en excès (Figure 8).
5. Placer l'échantillon de la seringue sur l'autre connecteur (figure 8).
6. Ouvrez les deux robinets.
7. Injecter l'échantillon lentement jusqu'à ce que l'échantillon commence à entrer dans la seringue vide.
8. Retirer les bulles d'air de l'espace de la cellule de cisaillement.
   1. Tournez la commande de moteur à l'arrêt pour libérer le moteur et permettre à la courroie d'être déplacée manuellement.
   2. Cisailler l'échantillon à la main pour aider à déplacer les bulles vers le haut de la cellule de cisaillement, de sorte que l'injection de l'échantillon supplémentaire sera généralement pousser la bulle dans la priseet hors de l'espace de cellule de cisaillement.
9. Fermer les robinets d'arrêt pour verrouiller l'échantillon dans la cellule.
10. Changer la température du bain d'eau à la température expérimentale requise, et pré-conditionner l'histoire de cisaillement de l'échantillon selon le cas.
11. Vérifiez la présence de bulles (et le faire régulièrement au cours de l'expérience). Si des bulles sont observées; ouvrir les robinets d'arrêt, utiliser la rotation pour déplacer les bulles vers le haut de la zone de cisaillement, et injecter un échantillon supplémentaire de chasser les bulles de la zone de cisaillement de la cellule.
12. Retirez la protection de la sécurité et des outils et des fournitures étrangères de la zone de faisceau.

5. Exécution de l'expérience de cisaillement et la collecte de données SANS

1. Pour de simples expériences de cisaillement stable:
   1. Réglez le taux de cisaillement dans le fichier de contrôle de cisaillement constant associée au logiciel de commande du moteur (voir la documentation associée pour le fonctionnement du logiciel de commande du moteur).
   2. Identifier la direction du cisaillementde l'échantillon au cours de l'expérience.
   3. Mettre en place des expériences de SANS souhaités selon les procédures SANS normalisés.
   4. Démarrez le moteur de la cellule de cisaillement.
   5. Commencez l'expérience SANS. Vérifiez les coups de détecteur et observer le modèle SANS 2D pour assurer des résultats SANS sont correctement enregistrées durant le cisaillement. Un exemple d'un modèle typique observée pour les solutions de tensio-actifs décrits dans la section des résultats représentatifs est illustrée sur la figure 10.
   6. Répétez la procédure (section 5.1) pour chaque taux de cisaillement souhaitée.
2. Pour les expériences de cisaillement oscillatoire résolue en temps:
   1. Vérifiez la position de déclenchement de l'expérience de cisaillement oscillatoire. Pour un cisaillement oscillatoire, c'est au point de déformation maximale et minimale (zéro), la vitesse de déformation.
   2. Réglez la fréquence d'oscillation et l'amplitude de déformation dans le fichier en temps résolu contrôle associé avec le logiciel de commande du moteur (voir la documentation associée pour moteur control fonctionnement du logiciel). Notez que l'amplitude de déformation est définie conformément à l'amplitude de la contrainte appliquée centrée à zéro et l'amplitude de déformation rhéologique défini.
   3. Démarrer le moteur de la cellule de cisaillement pour l'expérience de cisaillement oscillatoire.
   4. Commencez l'expérience SANS. Vérifiez nombre de détecteurs et d'observer le modèle 2D pour assurer SANS est correctement enregistré durant le cisaillement oscillatoire.
   5. Copiez le neutron fichier journal de détecteur horodaté de Nisto à Charlotte et prétraiter les données en utilisant le logiciel fourni par le NCNR.
   6. Réduire l'ensemble avec le logiciel de réduction de données prétraitées IGOR.
   7. Répétez la procédure (section 5.2) pour chaque fréquence d'oscillation désirée et souche état d'amplitude.

6. Fin de l'expérience

1. Désactiver le faisceau de neutrons et le contrôle moteur.
2. Placez le bouclier de sécurité sur la fenêtre du détecteur SANS.
3. Laissez l'échantillon et l'appareil stand dans le faisceau fermé pendant 5 min. Effectuer un contrôle de rayonnement standard avant de retirer la cellule de cisaillement de la plaque de base.
4. Ouvrez les robinets d'arrêt sur les ports de l'échantillon et retirer ou pousser l'échantillon en utilisant les seringues de l'échantillon. Récupérer l'échantillon, fermer les robinets, et enlever les seringues.
5. Éteignez le bain de température. Découpler les tuyaux de liquide de refroidissement du bain de la cellule de cisaillement ports de connexion rapide.
6. Desserrer les vis à six pans creux sur le coupleur de l'arbre entre le mandrin et l'arbre d'entraînement à l'aide d'une clé de 1/16 à Allen. Utilisez une clé 3/16 à Allen pour dévisser les deux vis à tête creuse qui fixent la cellule de cisaillement au support de fixation cellulaire. Faire glisser la cellule de cisaillement sur le support de montage de la cellule.
7. Démonter la cellule de cisaillement en inversant le protocole d'assemblage (article 1 du protocole).
8. Nettoyer la cellule de cisaillement à l'eau savonneuse. Rincez et séchez soigneusement.

Representative Results

Les résultats représentatifs d'une expérience d'écoulement SANS succès sont donnés dans les figures 9, 10 et 11. Ces exemples sont des enquêtes effectuées sur une solution micellaire vermiformes (WLM) (tableau 1) connus pour présenter bandes de cisaillement dans certaines conditions de cisaillement. Une discussion complète des résultats scientifiques peuvent être trouvées dans les références ^15-17.

La figure 10 représente les résultats d'un modèle de diffusion obtenue sous un flux de cisaillement à l'aide de la cellule de cisaillement. L'échantillon étudié est une micelle viscoélastique vermiformes (WLM) de solution constituée de longs, enchevêtrés micelles auto-assemblées filiformes molécules amphiphiles ^13-15. La composition de la solution étudiée est donnée dans le tableau 1. Après le cisaillement de ces systèmes la solution WLM démontre un comportement de fluidification par cisaillement à la suite d'une combinaison complexe d'alignement d'écoulement de formation de micelles, démêlage, et éventuellement micelle rupture (Vazquez-Cook-McKinley (VCM) modèle ^19). Une complexité particulièrement intéressante dans ces systèmes est l'apparition de bandes de cisaillement. Bandes de cisaillement a été observée visuellement sous forme de bandes biréfringentes près du mur de rotation d'une géométrie Couette ^20. Au cours de bandes de cisaillement du champ d'écoulement se sépare en deux régions ou plus, ou des «bandes», chacun avec un taux de cisaillement caractéristique différente, comme illustré à la figure 9. Pour le WLM étudié ici, deux bandes se forment à des vitesses de cisaillement suffisamment élevées - une avec une vitesse de cisaillement supérieure à la valeur moyenne attendue, et l'autre à un taux de cisaillement plus faible. Ces bandes coïncident avec le plateau de pression observée dans l'état d'équilibre des mesures de rhéométrie de cisaillement (figure 11).

Une question principale concernant les bandes de cisaillement est l'état de la microstructure de l'agent tensio-actif à des taux de cisaillement où les bandes de cisaillement est observée. Il était inconnu de la façon dont l'agent tensioactif organisé dans la grande shbande de l'oreille par rapport à la bande de cisaillement faible. Le nouveau cisaillement SANS cellulaires instrument avec une résolution spatiale à travers l'espace est particulièrement bien placé pour étudier ce problème. Grâce rhéométrie et flux vélocimétrie mesures indépendantes dans une cellule de Couette comparable, l'emplacement des bandes de cisaillement sont définies à travers l'espace dans la cellule de Couette. Utilisant une ouverture de fente étroite (0,1 mm) SANS données sont collectées à des positions différentes à travers l'écart dans le gradient de vitesse-vitesse (1-2) plan de cisaillement lors de l'écoulement de cisaillement constant. Nous rapportons ici les résultats d'un composé de WLM cationique bromure tensioactif de cétyltriméthylammonium (CTAB) dans l'eau deutérée (D ₂ O) à 0,49 mol / L (490 mM) et 32 ° C ^6. Les mesures de débit-SANS sont effectuées à huit positions à travers la fente de Couette de 1,0 mm en traduisant systématiquement l'ouverture à fente de 0,1 mm à travers la fenêtre dans la cellule de cisaillement. Figure 11 présente un résumé visuelle des résultats, où la bague d'intensité est un pic de corrélation due aux interactions segment segments. Anisotropie dans cet anneau indique l'alignement de flux segmentaire, avec une forte alignement typique d'une phase nématique. Une différence significative en diffusion anisotropie est observée entre les positions dans les bandes à faible cisaillement et à cisaillement élevé. Une explication détaillée de l'importance de ces mesures pour atteindre l'objectif d'expliquer le mécanisme de bandes de cisaillement comme observé dans les rhéologie et écoulement vélocimétrie résultats peuvent être trouvées dans les références ^13-15. Ces mesures ont été récemment étendu avec succès à des déformations en fonction du temps par temps résolu méthodes de diffusion de neutrons, comme décrit à la section 5.2 de ce travail et ces résultats ont été soumis pour publication ^21.

Figure 1. Une Géométrie pour oscillatoire Rhéo-SANS (Tor-SANS) expériences résolues en temps dans les plans de débit 1,3 et 2,3. b) Nouvelle géométrie qui sonde le gradient de vitesse-vitesse (1-2) plan de cisaillement (adapté de ME Helgeson, NJ Wagner, et L. Porcar, "les mesures de transmission de neutrons de profils de concentration des flux de cisaillement non homogènes», Rapport annuel 2010, Centre de recherche neutronique NIST, Gaithersburg, MD. p. 38-39, 2010).

Figure 2. L'base d'instrumentation 1-2 cellule de cisaillement dans le SANS D22 ligne de lumière à l'Institut Laue-Langevin, Grenoble, France. A) vue de dessus de l'instrumentation avec la boîte de vitesses et transmission par courroie, fente stade de moteur, moteur pas à pas et faisceau de neutrons highligh ted pour plus de clarté; b) vue de côté de la cellule de cisaillement avec ports d'accès de l'échantillon ci-joint.

Figure 3. Dessin schématique de la cellule de cisaillement avec la plaque arrière (rouge), la plaque d'espacement (blanc) et de la plaque avant (bleu) comprennent des logements pour le mandrin en rotation.

Figure 4. Vue de toutes les pièces et les outils nécessaires à l'assemblage de l'instrument portable de cisaillement 1-2 plane désassemblé.

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Figure 5. Retour ensemble de plaque montrant palier, ressort douille, deux joints toriques et la fenêtre de quartz correctement assemblés.

Figure 6. Cellules assemblées de cisaillement avec la plaque frontale afin de démontrer le positionnement correct de l'ouverture de cadmium.

Figure 7 vue. Latérale de l'environnement de l'échantillon à la ligne de lumière D22, à l'Institut Laue-Langevin, Grenoble, France. A)De bas en haut: Table Huber, le stade de l'environnement de l'échantillon et la planche à pain; b) la couverture de sécurité en place et la cellule montée sur la plaque de base, qui est fixé à la planche à pain.

Figure 8. Cellule de cisaillement complet assemblé avec des seringues d'échantillons fixés au support de fixation cellulaire et de l'arbre d'accouplement sur ​​la plaque de base.

Figure 9. Gauche) Schéma du plan 1-2 écoulement SANS cellule de cisaillement montrant vitesse (1) et les directions de gradient de vitesse (2) (flèches rouges) par rapport au faisceau incident (flèche bleue) de l'd sens de rotation du mandrin (flèche verte). mesures de transmission sont effectuées à l'aide de 0,1 mm et la fente sont représentés en fonction de la position à travers l'intervalle de la géométrie de la cellule de cisaillement. Droite) L'illustration montre les résultats d'expériences SANS effectuées à deux positions différentes dans l'espace correspondant aux bandes de cisaillement élevées et basses.

Figure 10. Des SANS typiques de diffusion tendance observée dans le plan 1-2 de micelles de ver-comme sous écoulement de cisaillement.

Figure 11. Gauche) contrainte de cisaillement par rapport à cisaillement taux de solution de CTAB. Les lignes sont l'ajustement du modèle Giesekus avec (solide) et sans (en pointillés) diffusion comme décrit dans la référence ^15. Droite) SANS bidimensionnels de diffusion des résultats pour des taux de cisaillement appliquées nominaux et les positions de l'écart normalisé couvrant la transition en bande de cisaillement de l'échantillon CTAB. La ligne noire indique l'emplacement mesurée de l'interface entre les bandes d'ondes de cisaillement et à faible cisaillement. Sur ces figures, la direction d'écoulement est vertical vers le bas et la direction de la vitesse-gradient est horizontal vers la droite. (Reproduit avec la permission de la référence ^15. Copyright 2009, La Société de rhéologie.)

Figure dessin 12 de la pièce:. 1-2 plaque frontale de la cellule de cisaillement. ad/51068/51068fig12highres.jpg "target =" _blank "> Cliquez ici pour agrandir l'image.

Figure 13. dessin de la pièce:. 1-2 fenêtre de quartz de la cellule de cisaillement Cliquez ici pour agrandir l'image.

Figure 14. dessin de la pièce:. 1-2 cellule de cisaillement plaque médiane Cliquez ici pour agrandir l'image.

Figure 15 "fo: contenu width =" 5 po "fo: src =" / files/ftp_upload/51068/51068fig15highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/51068/51068fig15.jpg "/>
Figure 15. dessin de la pièce:. 1-2 cellule de cisaillement mandrin Cliquez ici pour agrandir l'image.

Figure dessin 16 de la pièce:.. 1-2 cellule de cisaillement plaque arrière Cliquez ici pour agrandir l'image.

Fa . igure 17 Partie dessin:. 1-2 plaque de base de la cellule de cisaillement Cliquez ici pour agrandir l'image.

Figure 18. dessin de la pièce:. 1-2 cellule de cisaillement plastique liner Cliquez ici pour agrandir l'image.

Figure dessin 19 de la pièce:. 1-2 avant de cellule de cisaillement support. hres.jpg "target =" _blank "> Cliquez ici pour agrandir l'image.

Figure dessin 20 de la pièce:.. Lecteur 1-2 cellule de cisaillement support d'arbre Cliquez ici pour agrandir l'image.

Figure dessin 21 de la pièce:.. 1-2 arbre d'entraînement de la cellule de cisaillement Cliquez ici pour agrandir l'image.

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Figure dessin 22 de la pièce:.. 1-2 plaque de maintien de la cellule de cisaillement Cliquez ici pour agrandir l'image.

Figure dessin 23 de la pièce:.. 1-2 arbre de cellule de cisaillement coupleur Cliquez ici pour agrandir l'image.

Eau deutéré (99,9%)	Cambridge Isotopes	7789-20-0	83.3% en poids de la formulation D 2 O
CTAB-bromure de cétyltriméthylammonium	Sigma-Aldrich	57-09-0	16,7% en poids dans la formulation CH 3 (CH 2) 15 N (Br) (CH 3) 3
1/16 dans une clé Allen
3/16 clé Allen
3/8 à clé ouverte
bande
bande d'étanchéité de fil
seringues (2)

Tableau 1.

Discussion

Un nouvel instrument capable de mesurer la microstructure de cisaillement des fluides complexes dans le plan gradient de cisaillement de vitesse-vitesse par l'intermédiaire de la diffusion aux petits angles de neutrons est développé et validé. La conception de la cellule de cisaillement complète d'autres instruments en utilisant des sources de rayonnements, tels que les rayons X et diffusion de la lumière, ainsi que des instruments rhéo-SANS permettant de caractériser la microstructure dans les deux autres plans de cisaillement (vitesse-tourbillon et la vitesse gradient-tourbillon) ^{8 , 10.} Cette fonctions de l'instrument pour les deux cisaillement et temps dépendants des flux stables, comme oscillatoire ou start-up flux de cisaillement, ce dernier en utilisant une méthode stroboscopique et techniques en temps résolu diffusion de neutrons ^{11, 12, 21.} Un avantage d'utiliser SANS est que les méthodes contraste correspondant peuvent être utilisés pour explorer les différents composants dans des mélanges complexes et des matériaux qui sont opaques, ou manquent de contraste nécessairementy de diffusion des rayons X. L'instrument et les méthodes d'écoulement SANS ont été étendues avec succès pour résoudre la microstructure interne pendant bandes de cisaillement ^{14, 15.} En outre, comme SANS est une technique de mesure absolue, des mesures de la transmission du faisceau incident à travers l'échantillon peuvent être utilisés pour déterminer les changements absolus de la composition chimique à travers la fente de Couette, récemment démontrée dans ^13. En tant que tel, la nouvelle technique d'écoulement SANS est une méthode robuste et polyvalent pour obtenir des informations de la microstructure directe, de la atomistique de l'~ échelle de longueur de microns, sur une large gamme de solutions colloïdales, tensioactifs auto-assemblée, protéines, et de polymères et de leur mélanges dans des conditions de non-équilibre. Ce instrumentation est disponible pour utilisation par la présentation de propositions sur les deux instruments et SANS USANS au Centre de recherche neutronique NIST à l'Institut National des Standards et de la technologie aux États-Unis et en Europe, sur la D22 neutrons êtreh de l'Institut Laue-Langevin à Grenoble, France.

La conception de la géométrie de la cellule de cisaillement de courant permet l'addition de méthodes supplémentaires, telles que la diffusion de lumière pour la collecte simultanée des neutrons et des photons de diffusion optique (boutons-pression) de données, ainsi que l'imagerie par microscopie directe. Ce dernier peut être utilisé pour aider à résoudre le-champ d'écoulement in situ par des méthodes de suivi de particules. Les développements futurs incluent une meilleure synchronisation des flux en fonction du temps, qui est actuellement limité à ~ 10 microsecondes dans la résolution. Bien sûr, il ya aussi des limites à la conception mécanique en cours tels que les taux de cisaillement maximales réalisables sont de l'ordre de 10 ³ s ^-1 et de déformation des amplitudes et des fréquences pour l'écoulement oscillatoire sont limitées par la résolution temporelle ainsi que moteur fidélité. Certaines de ces questions sont résolues en utilisant les réducteurs supplémentaires. En outre, la viscosité de l'échantillon doit être telle qu'elle peut être chargée par une seringue. Typiquement, quand possible, les échantillons sont chauffés pour faciliter le chargement et permettre de retirer les bulles d'air emprisonnées pendant le chargement. Il faut prendre soin d'examiner flux instabilités possibles et mur glissement, qui sont des sujets typiques abordés dans les évaluations complémentaires de rhéologie. Il ya aussi un compromis entre la précision du champ d'écoulement appliqué et l'épaisseur de l'échantillon (a 5-7 mm), cela peut limiter certaines applications en raison de préoccupations au sujet de la diffusion multiple et l'adsorption. La géométrie nécessite un volume d'échantillon de l'ordre de 6 ml, ce qui peut être un défi pour l'étude des matériaux rares. Comme pour tout bon design, il ya place pour l'amélioration de la cellule de cisaillement détaillé ici. En fait, la mesure de courant est un procédé d'écoulement SANS en ce que des mesures de SANS sont réalisés tandis qu'un écoulement de cisaillement simultané est appliquée, mais avec la conception actuelle aucun des mesures de rhéométrie sont possibles. Développements imminents permettront SANS simultanés et les mesures de couple. Un instrument rhéo-SANS vrai pourenquête sur le gradient plan de cisaillement vitesse-vitesse sera possible étant donné que la contrainte de cisaillement sera résolu à partir du couple et donc, rhéométrie et SANS simultanée mesures sera atteint. Ingénierie de nouvelles cellules de cisaillement qui sont mécaniquement scellés et à entraînement magnétique est un défi bienvenu et actuellement, des dessins et de la construction de la cellule de cisaillement de la prochaine génération sont en cours pour répondre à certaines de ces questions.

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)