Medição de materiais Microstructure Sob fluxo Usando 1-2 Plane Fluxo-Small Angle Neutron Scattering

Summary

Uma célula de cisalhamento é desenvolvido para medições de pequeno ângulo de dispersão de neutrões no plano gradiente de velocidade da velocidade de cisalhamento e é usada para caracterizar os fluidos complexos. Medições espacialmente resolvidos na direção gradiente de velocidade são possíveis para o estudo de materiais de bandas de cisalhamento. As aplicações incluem investigações de dispersões coloidais, as soluções de polímero, e as estruturas de auto-montagem.

Abstract

Um exemplo de ambiente novo pequeno ângulo de espalhamento de nêutrons (SANS) otimizado para o estudo da microestrutura dos fluidos complexos sob fluxo de cisalhamento simples é apresentada. A célula de cisalhamento SANS consiste de uma geometria Couette cilindro concêntrico que está selado e que roda em torno de um eixo horizontal, de modo que o sentido de vorticidade do campo de fluxo está alinhada com o feixe de neutrões que permite o espalhamento do plano 1-2 de corte (gradiente de velocidade da velocidade , respectivamente). Esta abordagem é um avanço sobre os ambientes de amostras de células de corte anteriores, existe uma forte ligação entre a reologia grandes quantidades e características microestruturais no plano de corte 1-2. Flow-instabilidades, tais como bandas de cisalhamento, também pode ser estudado através de medições espacialmente resolvidas. Isto é realizado neste exemplo de ambiente usando uma abertura estreita para o feixe de neutrões e de varrimento ao longo do sentido do gradiente de velocidade. Tempo experimentos resolvidos, tais como fluxo de start-ups e grande amplitude de oscilação elafluxo de ar também são possíveis pela sincronização do movimento de corte e detecção resolvida no tempo de neutrões dispersos. Os resultados representativos, utilizando os métodos aqui descritos demonstram a natureza útil de resolução espacial para medir a microestrutura de uma solução micelar vermiformes que apresenta bandas de cisalhamento, um fenómeno que só podem ser investigados por resolução da estrutura ao longo do sentido do gradiente de velocidade. Finalmente, potenciais melhorias para o projeto atual são discutidas juntamente com sugestões para experimentos complementares como motivação para futuros experimentos em uma ampla gama de fluidos complexos em uma variedade de movimentos de cisalhamento.

Introduction

O desenvolvimento de uma compreensão científica de um fenômeno natural requer medições precisas e precisas. Metrologia é também a base da engenharia de sucesso e desenho de novos processos e materiais. Reologia é a ciência da deformação e fluxo de matéria. Reologia é central na nossa capacidade de processar uma grande variedade de materiais e também é usado pelos formuladores de produtos para atingir as propriedades específicas dos materiais. Exemplos típicos da antiga incluem polímeros moldar ou dar forma compósitos, enquanto o segundo inclui o desenvolvimento de produtos de consumo quotidiano, tais como tintas, shampoos e alimentos. Se a viscosidade de um polímero fundido é controlada de modo que ele pode ser eficazmente moldado por injecção ou a viscoelasticidade de um champô é alterado de modo que tenha a consistência correcta para o consumidor, as propriedades reológicas são controlado alterando a formulação do material ^1. A reologia dos materiais e produtos também depende tele estruturar no estado fluido e esta estrutura vai desde a microescala à nanoescala. Além disso, esta estrutura muda com os parâmetros de processamento, tais como a taxa de fluxo e tempo de fluxo, que desafia rheologists para medir a estrutura durante o fluxo. É este desafio que é atendida, em parte, pelo romance instrumentação descrita neste artigo.

Novas técnicas capazes de sondar a microestrutura de materiais macios sob fluxo de cisalhamento pode beneficiar macio material de engenharia de produto e otimização de condições de processamento. Muitos intrigantes e de longa data desafios para a aplicação de materiais macios em uma variedade de indústrias e em ciência fundamental envolver comportamento do fluxo incomum, como espessamento de cisalhamento em suspensões coloidais ^2, tesoura e bandas vorticidade em micelas wormlike ³ e heterogeneidades inerentes ao fluxo de gel coloidal ^4-6. Rheologists são constantemente desafiados a elucidar o microstructural origens das não-linearidades nas respostas reológicas e às vezes até mesmo no campo de velocidade de corte materiais viscoelásticos. Este desafio exige a aquisição simultânea da microestrutura, em função tanto da localização espacial no campo de fluxo e o tempo de comportamentos dependentes, que provou ser uma tarefa formidável para experimentalistas.

Pequeno ângulo de espalhamento de neutrões (SANS) é particularmente bem adequado para a medição da estrutura de fluidos complexos, uma vez que pode sondar os materiais que são opacos à luz. Também deuteração selectiva pode ser utilizada para fornecer o contraste entre os componentes que podem aparecer semelhante sob raios X espalhando ^7. Além disso, os nêutrons têm uma vantagem sobre os raios X, pois não há danos da radiação de amostras de matéria mole biológicos ou outros. Nas experiências ilustradas aqui, neutrões frios gerados por um reactor ou uma fonte de espalação é colimada e iluminado mediante numa amostra. A intensidade yi espalhamentoELDS informações sobre a estrutura do material em escalas de comprimento a partir da atómica para centenas de nanómetros (e com ultra-pequeno ângulo de dispersão de neutrões até dezenas de microns), mas sob a forma de uma transformada de Fourier da estrutura espacial real. Portanto, a interpretação dos dados pode ser um desafio e envolve uma transformação inversa ou comparação aos modelos microestruturais ou simulações. Mais sobre SANS instrumentação, experiências, e correspondência contraste pode ser encontrado nos tutoriais postados no site do Centro de Ciência Neutron, www.cns.che.udel.edu.

Aqui nós descrevemos uma célula de cisalhamento projetada para estender o método SANS para examinar materiais sob fluxo. Uma visão geral recente da metodologia geral e instrumentação, bem como uma revisão da literatura substancial de aplicações mais recentes podem ser encontrados na referência ⁸ e as referências aí citadas. Um ambiente conveniente e quase ideal para sondar a estrutura fluido sob fluxo de cisalhamento comSANS é uma geometria Couette lacuna estreito, também conhecido como cilindros concêntricos ^9. Isto aplica-se uma geometria do fluxo de cisalhamento simples (ou seja laminar) para a amostra, enquanto se mantinha um volume suficiente desobstruída para o feixe incidente de neutrões. A aplicação do fluxo de quebra a simetria da microestrutura, como tal caracterização completa da microestrutura do material sob fluxo de cisalhamento simples requer medições microestruturais em todos os três planos de corte. Dois planos de corte pode ser investigado utilizando a configuração padrão geometria Couette (Figura 1A): o feixe de neutrões está configurado para viajar ao longo do gradiente de velocidade e de direcção da velocidade de sonda-vorticidade (1-3) do plano de corte (configuração "radial") , em alternativa, o feixe é colimado por uma fenda fina e paralelos alinhados com a direcção do fluxo, sondando assim a velocidade de gradiente de vorticidade-(2-3) plano (configuração "tangencial"). Este instrumento está disponível commercially e foi recentemente documentado pelo exame de fluidos complexos sob cisalhamento ^10. O exame acima referido descreve seu uso e de dispositivos relacionados para a determinação de estrutura de propriedade em uma ampla gama de materiais e aplicações ^8. Experimentos resolvida no tempo, como para os fluxos de cisalhamento oscilatórias também foram relatados ^{11, 12.}

Muitas vezes, o plano mais interessantes e mais importante do fluxo é o gradiente de velocidade, a velocidade (1-2) plano (Figura 1b), mas também a mais difícil para investigar uma vez que requer instrumentos especiais. Uma célula de cisalhamento personalizado foi projetado para permitir a investigação direta do gradiente de velocidade, velocidade (1-2) de avião por SANS tal que o feixe de nêutrons viaja paralelo ao eixo de vorticidade de cisalhamento ^13-16. Medições no 1-2 plano de fluxo são fundamentais para a obtenção de um entendimento quantitativo para a viscosidade de cisalhamento porque ElucidComeram a orientação da estrutura em relação à direcção ^de escoamento ^{15, 17, 18.} Isto é importante para os materiais, tais como polímeros, surfactantes de auto-montagem, colóides, e outros fluidos complexos. Além disso, é possível investigar a microestrutura dos materiais em função da posição através da abertura na direcção do fluxo de gradiente de cisalhamento. Com a adição de resolução espacial, o método proporciona um meio para o estudo de materiais que exibem alterações microestruturais, ao longo da direcção de gradiente de cisalhamento. Um exemplo para o qual investigar mudanças na microestrutura e composição ao longo da direção do gradiente de fluxo é de corte de bandas. Cisalhamento de bandas é um fenómeno causado por um acoplamento entre a microestrutura e direcção de fluxo que resulta em um campo de fluxo não homogéneo ^13. Neste artigo, descreve-se o instrumento, sua montagem e técnica de medição de fluxo SANS como implementado no Centro NIST para NeUtron Pesquisa (NCNR) do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), em Gaithersburg, MD. Este ambiente amostra é o resultado de uma colaboração entre a Universidade de Delaware, o NIST ea Institut Laue Langevin-(ILL), e tem sido implementado com sucesso em ambos ILL e NIST. Para os fins deste artigo, em que as partes específicas SANS do protocolo estão preocupados, a técnica é descrita como implementado no NIST. No entanto, modificar os detalhes específicos do instrumento deve ser simples ea técnica geral pode ser implementado em qualquer instrumento SANS para fluxo constante (seção 5.1). Além disso, instrumentos equipados com recursos de SANS resolvido em tempo, também pode realizar experimentos de cisalhamento fluxo SANS oscilatórios (seção 5.2). Desenhos técnicos dos componentes da célula de cisalhamento são fornecidos como Figuras 12-23.

Protocol

A Figura 2 mostra uma célula de corte montado ligado à placa de base, o qual está montado para o placa de ensaio na fase ambiente amostra e alinhados no feixe de neutrões para um experimento SANS. O motor de passo, caixa de velocidades e transmissão por correia, cortou fase motor, celular e direção do feixe de nêutrons de cisalhamento são rotulados na Figura 2. O presente protocolo fornece instruções para a montagem da célula de cisalhamento (seção 1), a montagem da célula de cisalhamento para o palco ambiente amostra (seção 2), calibrar a geometria para um experimento SANS (seção 3), o carregamento de uma amostra (seção 4), correndo um experimento e coleta de dados (seção 5) e terminando um experimento (secção 6). Para referência, a Figura 3 é um diagrama esquemático da célula montada e Figura 4 mostra as peças desmontadas de cisalhamento de células estabelecidas a partir da placa da frente para trás da placa, da esquerda para a direita, e as ferramentas necessárias para a montagem (1/16 e 3/16 no Allen wrenches e um 3/8 em aberto chave final). Da esquerda para a direita na Figura 4 são a placa da frente, tendo, bucha de mola, o-rings, janela de quartzo, placa média com o-rings, portas de acesso amostra e conectores de seringa,-parafusos fixados, mandril, e as partes para a placa traseira (janela de quartzo, o-rings, buchas de mola, rolamento), placa traseira, quatro parafusos de cabeça de soquete e de conexão rápida da mangueira de arrefecimento com quick-conectores ligados.

1. Montar a célula de cisalhamento (Inset para a direita na Figura 2)

1. Prepare o prato do meio para a montagem.
   1. Limpar a placa de meio de amostra e incluindo vias parafuso de fixação e de identificar a parte superior da placa, por a marca de pontuação.
   2. Selar os caminhos de carregamento de amostra usando os três lances de parafusos. Embrulhe cada parafuso fixado em fita de vedação da linha e usar um 1/16 na chave Allen para inserir cada parafuso em cada furo no "fundo" (2) e um conjunto de parafuso para o buraco no "lado".
2. Prepare as placas traseiras e dianteiras para a montagem (Figura 5).
   1. Imprensa encaixar o rolamento em cada uma das placas dianteiras e traseiras.
   2. Insira a bucha de mola (que é um selo) com o lado primavera ao ar livre para a amostra nas placas dianteiras e traseiras.
   3. Coloque a pequena (1-5/8 em ID) e grande (2-1/4 em ID) Buna-N quadrados selo duplo O-rings nos sulcos em cada uma das placas dianteira e traseira.
   4. Coloque as janelas de quartzo em cima dos quadrados O-rings em cada placa.
3. Montar as placas dianteiras e médio juntos.
   1. Colocar a placa de frente sobre uma superfície plana; alinhar a contagem no topo das placas do meio e da frente e colocar a placa de meio na placa frontal. Se necessário, aplique uma pequena quantidade de graxa apropriada às arredondadas O-rings em tele placa média para mantê-los no lugar durante a montagem.
4. Monte o mandril e placa de volta juntos.
   1. Insira a ponta curta do eixo mandril na placa traseira. Use uniformemente força aplicada eo mandril vai "clique" no lugar. Tome nota que o mandril é agora segurando a janela de quartzo e O-rings quadrados no lugar na placa traseira.
5. Monte a placa dianteira, placa média, mandril e placa de volta juntos.
   1. Coloque a frente e conjunto de placa do meio em uma plataforma elevada com a placa média para cima. Esta plataforma elevada é permitir espaço para o eixo do mandril para estender abaixo da montagem sem bater na mesa.
   2. Alinhe a pontuação na parte superior do conjunto da placa frontal com a pontuação no conjunto da placa de volta.
   3. Insira a parte longa do eixo mandril para o conjunto da placa frontal. Certifique-se que as arredondadas O-rings na placa média permanecem encaixado corretamente durante a montagem. A célula wdoente slides juntos e mais uma vez, "click" quando devidamente montado.
   4. Aperte a montagem em conjunto, utilizando os quatro parafusos de cabeça de soquete e um 3/16 na chave Allen. Aperte os parafusos em um padrão de cruz para a célula mantém concentricidade.
6. Enrole fita de vedação em torno de fios das duas portas de acesso e apertá-las para o topo da placa de meio. Aperte com um 3/8 em chave de boca.
7. Coloque a máscara de cádmio (Figura 6) na ranhura receptora maquinado na frente da placa frontal. Aplique fita ou aderência para segurar a máscara no lugar, se necessário.
8. Use os conectores rápidos para cross-connect a mangueira do líquido de arrefecimento entre o início portas nas placas dianteiras e traseiras.

2. Monte a célula de cisalhamento na Beamline

1. Cubra a janela detector SANS com o escudo de segurança.
2. Pergunte ao responsável instrumento facilidade cientista para alinhar a fase ambiente amostra com o feixe de nêutrons. Monte a placa de ensaio para o palco ambiente amostra usando quatro ¼ x 20 parafusos sextavados Allen e um 3/16 na chave Allen.
3. Fixe o conjunto de células de cisalhamento para o suporte de montagem célula localizada na placa de base (já ligado à placa de ensaio (Figura 7)).
   1. Identificar o suporte e o veio de acoplamento de montagem de pilha ligados à placa de base (Figura 8). Verifique se as configurações de parafusos para o acoplador do eixo são afrouxados.
   2. Alinhar o engate do eixo e o eixo do mandril de tal modo que os parafusos de ajuste-no acoplador vai parafuso na parte plana do eixo do mandril.
   3. Horizontalmente deslizar a célula de cisalhamento no suporte de montagem de célula de modo a que o conjunto tem a aparência mostrada na Figura 8. Este passo deve ser realizado com cuidado, uma vez que é importante para não dobrar o eixo do mandril ou o engate do eixo.
   4. Fixe o conjunto de células de cisalhamento para o suporte de montagem de células com duas cabeça de soquetecap-parafusos usando a 3/16 chave Allen. Aperte com firmeza sempre certificando-se a célula de cisalhamento é flush contra o suporte de montagem na célula.
   5. Aperte os dois lances de parafusos no conector do eixo usando um 1/16 da chave Allen para conectar o eixo do mandril célula de cisalhamento para a montagem da unidade.
4. Alinhe a geometria da célula de cisalhamento com o feixe de nêutrons.
   1. Usar o laser para ajustar a fase de SANS tal ambiente de exemplo que a altura do eixo do mandril é o mesmo que o feixe de neutrões. Alinhar o centro da abertura na célula de cisalhamento para o centro da trajectória beamline neutrões.
5. Inserir a fenda cádmio apropriado para a montagem de fase do motor de fenda, que está montado na placa de ensaio (Figura 8). Fixe a fenda com a aderência, se necessário.
   Nota: A ranhura deve estar alinhada com a placa frontal e, aproximadamente, colocados no interior do espaço da célula de cisalhamento. Escolha a fenda de acordo para a experiência desejada. Para lacuna resolutiem experiências de 0,1 milímetros e 0,2 milímetros fendas curvas estão disponíveis. Considerando que, para as medições que não necessitam da resolução espacial de uma fenda rectangular 0,8 milímetros é aconselhável.
6. Mova a posição do motor usando a manivela para ajustar a tensão da correia de transmissão para que haja cerca de ¼ de deflexão no cinto. Quando tensionada corretamente, bloquear a localização do motor, apertando o parafuso de fixação localizado abaixo da roda usando um 7/64 na chave Allen.
   Nota: Um redutor opcional pode ser adicionada à montagem do motor. Esta opção pode ser necessário com base nas taxas de cisalhamento necessária para uma experiência específica.
7. Ligue as duas mangueiras de banho refrigerante para a célula de cisalhamento usando os conectores rápidos.
8. Ajuste as câmeras de observação ou outros equipamentos auxiliares específicos para observar o experimento.
9. Remova a proteção de segurança protegendo janela detector a SANS.

3. Setup SANS e Calibração

1. Anexar um 0,5 em e# 160; abertura para a extremidade do focinho sobre o feixe incidente de neutrões.
2. Defina a posição desejada SANS detector (q-range), comprimento de onda de nêutrons, e comprimento de onda propagação seguinte SANS protocolos padrão e otimizados para as condições experimentais.
   Nota: O cálculo da distância de amostra-para-detector é baseado na fase ambiente amostra localizada na "tabela Huber".
3. Alinhar a posição de fenda com a diferença de a célula de cisalhamento.
   1. Utilizar a fase do motor de fenda (Figura 8) para alinhar a posição de fenda com a diferença de a célula de cisalhamento. Usar um laser para emular o feixe de neutrões e um espelho para detectar o laser, uma vez que passa através das janelas de quartzo no interior do espaço da montagem da célula de cisalhamento.
   2. Ajuste a posição da fenda usando medições de transmissão SANS. Sistematicamente variar a posição do motor de fenda da parede interior do fosso célula de cisalhamento para a parede exterior do fosso célula de cisalhamento utilizando passos 0,1 milímetros tradução fenda do motor.Observe a transmissão (geralmente 2 sec) usando SANS e registrar a posição do motor de fenda para cada medição de transmissão (Figura 9).
      Nota: Se a resolução espacial é desejada, identificar as posições do motor necessárias para as experiências de SANS. Se a resolução espacial não é necessário identificar a posição de um único motor, que alinha com a fenda no meio da fenda célula de cisalhamento. Alinhar a fenda com a lacuna na célula de cisalhamento é crucial para completar uma boa experiência. É também possível (e recomendado) para usar água para alinhar a posição da fenda usando medições de transmissão SANS. A utilização de água reduz a transmissão e fornece o contraste com o compartimento da célula de cisalhamento (Figura 9).
      Nota: Colocar a água para dentro da célula, seguindo o protocolo de carregamento de amostras (secção 4). A utilização de água será geralmente requerem a célula de cisalhamento para ser removido da placa de base, desmontado, secou-se, reagrupados e remontado para a placa de base, antes de carregar o sample para o experimento. Enquanto a placa de apoio não é removido a partir da fase ambiente amostra isso não deve ser um problema, mas é sempre importante para verificar o alinhamento com a abertura de fenda.
4. Calibrar a geometria da amostra
   1. Fazer uma contagem escuro feixe bloqueado e uma medição célula vazia de acordo com os procedimentos padronizados SANS. Note-se que as medições de células vazias deve ser realizada em cada localização espacial, tal como determinado pela fenda de calibração realizada na secção 3.3.

4. Amostra Carregando Protocolo

1. Coloque o escudo de segurança na janela detector do SANS.
2. Montar os dois conectores de seringa (Nylon) e acessórios de seringa rosqueados (azul e amarelo) para os tubos de aço na parte superior da célula de amostra. Verifique se as torneiras estão na posição fechada.
3. Pré-carregar a amostra em 10 ml de rosca seringa (volume mínimo da amostra é de 6 ml). Certifique-se que a amostra está livre de bolhas.
   1. Eliminar as bolhas por centrifugação ou levemente ou aquecendo a amostra para reduzir a viscosidade da amostra durante o carregamento da seringa. Se a amostra é aquecida, é altamente recomendável que a temperatura da célula de corte é também aumentada para auxiliar no carregamento da amostra.
4. Coloque uma seringa vazia sem o êmbolo do conector no meio da célula de cisalhamento para receber o excesso de amostra (Figura 8).
5. Colocar a seringa de amostra no outro conector (Figura 8).
6. Abra as duas torneiras.
7. Injectar a amostra lentamente até que a amostra começa a entrar para a seringa vazia.
8. Remova todas as bolhas de ar a lacuna da célula de cisalhamento.
   1. Gire o controle motor desligado para liberar o motor e permitir que o cinto para ser movida manualmente.
   2. Cortar a amostra com a mão para ajudar a mover as bolhas para a parte superior da célula de cisalhamento, pelo que a injecção adicional de amostra, tipicamente empurrar a bolha na tomadae para fora da fenda de células de cisalhamento.
9. Fechar as válvulas de bloqueio para bloquear a amostra na célula.
10. Mudar a temperatura do banho de água à temperatura experimental necessária, e pré-condicionar de cisalhamento da amostra tal como apropriado.
11. Verifique se há bolhas (e fazê-lo regularmente durante o curso do experimento). Se forem observadas bolhas; abrir as válvulas de bloqueio, a rotação de mover as bolhas para a parte superior da zona de esforço cortante, e injectar amostra adicional para empurrar as bolhas para fora da zona de corte da célula.
12. Remova a proteção de segurança e todas as ferramentas estranhas e suprimentos da área de feixe.

5. Executando o Experimento de cisalhamento e coleta de dados SANS

1. Para experiências de cisalhamento constante simples:
   1. Defina a taxa de cisalhamento no arquivo de controle de cisalhamento constante associada com o software de controle do motor (consulte a documentação associada para a operação de software de controle do motor).
   2. Identifique a direção de cisalhamentoda amostra durante a experiência.
   3. Configure os experimentos SANS desejados de acordo com os procedimentos padronizados SANS.
   4. Inicie o motor da célula de cisalhamento.
   5. Comece a experiência SANS. Confira as contagens do detector e observar o padrão SANS 2D para garantir resultados SANS estão a ser devidamente registrada durante cisalhamento. Um exemplo de um padrão típico observado para as soluções de surfactante discutidas na seção sobre os resultados representativos são mostrados na Figura 10.
   6. Repita o procedimento (seção 5.1) para cada taxa de cisalhamento desejado.
2. Para experiências de cisalhamento oscilatório resolvida no tempo:
   1. Verifique a posição de disparo para o experimento cisalhamento oscilatório. Para cisalhamento oscilatório, isto é, no ponto de tensão máxima e mínima da taxa de deformação (zero).
   2. Defina a frequência de oscilação e amplitude de tensão no arquivo de controle resolvida no tempo associado com o software de controle do motor (veja a documentação associada para contro do motoroperação l software). Note-se que a amplitude de tensão é definida de acordo com a amplitude da tensão aplicada centrado em zero e é a amplitude de deformação reologicamente definido.
   3. Inicie o motor célula de cisalhamento para o experimento de cisalhamento oscilatório.
   4. Comece a experiência SANS. Confira a contagem do detector e observar o padrão 2D para garantir SANS está devidamente sendo gravado durante cisalhamento oscilatório.
   5. Copie o arquivo de log detector de nêutrons com carimbo de tempo de NISTO para Charlotte e pré-processar os dados utilizando software fornecido pelo NCNR.
   6. Reduzir o conjunto com o pacote de software de redução de dados pré-processados ​​IGOR.
   7. Repita o procedimento (seção 5.2) para cada um, freqüência de oscilação desejada e condição amplitude de tensão.

6. Fim da Experiência

1. Desligue o feixe de nêutrons e controle motor.
2. Coloque o escudo de segurança na janela detector do SANS.
3. Deixe a amostra e aparelhos stand no feixe fechado durante 5 minutos. Execute uma verificação de radiação padrão antes de remover a célula de cisalhamento da placa de base.
4. Abra as torneiras nas portas de amostra e retirar ou empurrar para fora a amostra usando as seringas de amostra. Recuperar a amostra, feche as torneiras, e retirar as seringas.
5. Desligue o banho de temperatura. Desacoplar as mangueiras de refrigeração banho fluido dos rápidas portas de conexão de células de cisalhamento.
6. Solte os parafusos Allen sobre o acoplador do eixo entre o mandril eo eixo de acionamento através de um 1/16 na chave Allen. Use a 3/16 Chave Allen para desapertar os dois parafusos de cabeça de soquete que prendem a célula de cisalhamento para o suporte de montagem do celular. Deslize a célula de cisalhamento fora do suporte de montagem da célula.
7. Desmonte a célula de cisalhamento, invertendo o protocolo de montagem (seção 1 do protocolo).
8. Limpe a célula de cisalhamento, utilizando água e sabão. Lave e seque bem.

Representative Results

Os resultados representativos de um experimento de fluxo SANS sucesso são apresentados nas Figuras 9, 10 e 11. Estes exemplos são a partir de investigações feitas sobre uma solução vermiforme micela (WLM) (Tabela 1) conhecidos por apresentar bandas de cisalhamento durante determinadas condições de cisalhamento. Uma discussão completa sobre as descobertas científicas podem ser encontrados nas referências ^15-17.

A Figura 10 representa os resultados de um padrão de espalhamento obtidas sob fluxo de cisalhamento usando a célula de cisalhamento. A amostra estudada é uma solução (WLM) micelas viscoelástico wormlike composta por muito tempo, enredado micelas auto-montados filiformes moléculas anfifílicas ^13-15. A composição da solução em estudo é dada na Tabela 1. Após corte destes sistemas a solução WLM demonstra comportamento pseudoplástico, como consequência de uma complexa combinação de alinhamento do fluxo de micelas, disentanglement e, possivelmente, micelle quebra (Vazquez-Cook-McKinley (VCM) modelo ^19). A complexidade particularmente interessante nestes sistemas é o aparecimento de bandas de cisalhamento. Cisalhamento de bandas foi inicialmente observada visualmente como bandas birrefringentes perto da parede rotativa de uma geometria Couette ^20. Durante cisalhamento unindo o campo de escoamento separa-se em duas ou mais regiões, ou "faixas", cada um com uma taxa de cisalhamento característica diferente, tal como ilustrado na Figura 9. Para o WLM estudados aqui, duas bandas de formar a velocidades de cisalhamento suficientemente elevadas - um com uma velocidade de corte maior do que a, o valor médio esperado, e uma a uma velocidade de corte mais baixa. Estas bandas coincidem com o planalto tensão observada na reometria de corte em estado estacionário (Figura 11).

A principal questão a respeito de bandas de cisalhamento é o estado microestrutural do surfactante em taxas de cisalhamento, onde bandas de cisalhamento é observado. Era desconhecido o modo como o surfactante organizado no alto shbanda ouvido para a faixa de baixo cisalhamento. O novo instrumento SANS celulares cisalhamento com resolução espacial em toda a diferença é adequada exclusivamente para estudar este problema. Através de reometria e fluxo velocimetria medições independentes numa célula de Couette comparável, a localização das bandas são definidos através da abertura na célula de Couette. Usando uma abertura de fenda estreita (0.1 mm) SANS dados são coletados em diferentes posições em toda a diferença no gradiente de velocidade, velocidade (1-2) plano de cisalhamento durante o fluxo de cisalhamento constante. Relata-se aqui os resultados de um composto de WLM catiónico brometo de surfactante de cetiltrimetilamónio (CTAB) em água deuterada (D ₂ O) em 0,49 mol / L (490 mM) e 32 ° C ^6. As medições de fluxo de SANS são realizadas em oito posições através do intervalo de Couette 1,0 milímetros, traduzindo de forma sistemática a abertura de fenda de 0,1 milímetros em toda a janela na célula de cisalhamento. Figura 11 mostra um resumo visual dos resultados, em que o anel é uma intensidade de pico de correlação due às interações segmento do segmento. Anisotropy neste anel indica alinhamento fluxo segmentar, com alta alinhamento típico de uma fase nemática. Uma diferença significativa em dispersão anisotropia é observado entre as posições das bandas de baixo cisalhamento e de elevado cisalhamento. Uma explicação detalhada do significado dessas medidas em realizar o objetivo de explicar o mecanismo de formação de faixas de cisalhamento como observado nos resultados de reologia e flow-velocimetria podem ser encontrados nas referências ^13-15. Estas medidas foram recentemente estendido com êxito a deformações dependentes do tempo por tempo resolvido métodos de espalhamento de nêutrons, como descrito na seção 5.2 deste trabalho e os resultados foram submetidos para publicação ^21.

Figura 1. Uma Geometria para o período de-resolvidos Oscillatory Rheo-SANS (Tor-SANS) experimentos nos 1,3 e 2,3 planos de fluxo. b) Nova geometria que investiga o gradiente de velocidade, velocidade (1-2) plano de cisalhamento (adaptado de ME Helgeson, NJ Wagner, & L. Porcar ", medições de transmissão Neutron de perfis de concentração dos fluxos de cisalhamento não homogéneas", Relatório Anual 2010, NIST Center for Neutron Research, Gaithersburg, MD. p. 38-39, 2010).

Figura 2. A instrumentação básica 1-2 célula de cisalhamento na linha de luz D22 SANS no Instituto Laue-Langevin, Grenoble, França. A) vista superior da instrumentação com caixa de velocidades e transmissão por correia, cortou feixe fase motor, motor de passo e de nêutrons highligh ted para maior clareza; b) vista lateral da célula de cisalhamento com portas de acesso amostra anexados.

Figura 3. Desenho esquemático da célula de cisalhamento com placa traseira (vermelho), calço (branco) e placa frontal (azul) compreendem a habitação para o mandril rotativo.

Figura 4. Desmontado vista de todas as peças e ferramentas necessárias para a montagem do instrumento célula de cisalhamento 1-2 avião.

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Figura 5. Voltar conjunto da placa mostrando rolamento, bucha de mola, dois anéis de vedação ea janela de quartzo devidamente montado.

Figura 6. Célula de cisalhamento montado com a placa dianteira para demonstrar a colocação correta da abertura de cádmio.

Figura vista 7. Lado do ambiente de exemplo na linha de luz D22, no Instituto Laue-Langevin, Grenoble, França. A)De baixo para cima: mesa Huber, palco ambiente amostra e placa de ensaio; b) tampa de segurança no local e celular montado na placa de base, que é ligado à placa de ensaio.

Figura 8. A célula de cisalhamento montado completo com seringas amostra ligados ao suporte de montagem da célula e acoplador do eixo na placa de base.

Figura 9. Esquerda) Diagrama do fluxo SANS célula de cisalhamento 1-2 avião mostrando velocidade (1) e indicações gradiente de velocidade (2) (setas vermelhas) em relação ao feixe incidente (seta azul) umad direcção de rotação do mandril (seta verde). medições de transmissão são feitos usando 0,1 milímetros de fenda e estão apresentados como uma função da posição através da abertura da geometria da célula de cisalhamento. Direita) A figura mostra os resultados de experiências realizadas SANS em duas posições diferentes na folga correspondentes às bandas de cisalhamento elevadas e baixas.

Figura 10. SANS típicas de dispersão padrão observado no plano 1-2 para micelas semelhantes a vermes sob fluxo de cisalhamento.

Figura 11 Esquerda) stress. Cisalhamento contra cisalhamento taxa de solução de CTAB. As linhas são o modelo de ajuste com Giesekus (sólido) e sem (a tracejado) de difusão, como descrito na referência ^15. Direita) SANS bidimensionais espalhamento resultados para taxas de cisalhamento aplicadas nominais e as posições de gap normalizados que medem a transição de bandas de cisalhamento para a amostra de CTAB. A linha preta indica o local da interface entre as bandas de alto cisalhamento e de baixo cisalhamento medido. Nestas figuras, a direcção do fluxo é vertical para baixo e para a direcção da velocidade de gradiente é horizontal para a direita. (Reproduzido com permissão da referência ^15. Copyright 2009, A Sociedade de Reologia.)

Desenho da Figura 12 da peça:. 1-2 placa frontal célula de cisalhamento. ad/51068/51068fig12highres.jpg "target =" _blank "> Clique aqui para ver imagem ampliada.

Figura 13. Desenho da peça:. 1-2 janela de quartzo célula de cisalhamento Clique aqui para ver imagem ampliada.

Figura 14. Desenho da peça:. 1-2 célula de cisalhamento placa média Clique aqui para ver imagem ampliada.

Figura 15 "fo: content-width =" 5 polegadas "fo: src =" / files/ftp_upload/51068/51068fig15highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/51068/51068fig15.jpg "/>
Figura 15. Desenho da peça:. 1-2 mandril célula de cisalhamento Clique aqui para ver imagem ampliada.

Desenho da Figura 16 Parte:.. 1-2 célula de cisalhamento placa traseira Clique aqui para ver imagem ampliada.

F . igura 17 desenho da peça:. 1-2 placa de base da célula de cisalhamento Clique aqui para ver imagem ampliada.

Figura 18. Desenho da peça:. 1-2 forro plástico célula de cisalhamento Clique aqui para ver imagem ampliada.

Desenho da Figura 19 da peça:. 1-2 suporte frontal da célula de cisalhamento. hres.jpg "target =" _blank "> Clique aqui para ver imagem ampliada.

Desenho da Figura 20 Parte:.. Apoio eixo de acionamento 1-2 célula de cisalhamento Clique aqui para ver imagem ampliada.

Desenho da Figura 21 Parte:.. 1-2 eixo de acionamento de célula de cisalhamento Clique aqui para ver imagem ampliada.

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Desenho da Figura 22 Parte:.. 1-2 placa de retenção célula de cisalhamento Clique aqui para ver imagem ampliada.

Desenho da Figura 23 da peça:.. 1-2 acoplador eixo célula de cisalhamento Clique aqui para ver imagem ampliada.

Deuterado água (99,9%)	Cambridge Isotopes	7789-20-0	83.3% em peso na formulação D 2 O
CTAB-brometo de cetiltrimetilamônio	Sigma-Aldrich	57-09-0	16,7% em peso na formulação CH 3 (CH 2) 15 N (Br) (CH 3) 3
1/16 na chave Allen
3/16 na chave Allen
3/8 em aberto chave final
fita
fita de vedação fio
seringas (2)

Tabela 1.

Discussion

Um novo instrumento capaz de medir a microestrutura de corte fluidos complexos no gradiente avião velocidade à velocidade de corte via espalhamento pequeno ângulo de nêutrons é desenvolvido e validado. O design da célula de cisalhamento complementa outros instrumentos que utilizam fontes de radiação, como raios-X e espalhamento de luz, bem como instrumentos rheo-SANS capazes de caracterizar a microestrutura nos dois outros planos de cisalhamento (velocidade-vorticidade e velocidade gradiente-vorticidade) ^{8 , 10.} Este instrumento, utilizado para ambos os fluxos de cisalhamento e tempo dependentes constantes, como oscilatório ou fluxos de start-up de cisalhamento, este último através de uma metodologia estroboscópica e técnicas resolvidas em tempo de espalhamento de nêutrons ^{11, 12, 21.} Uma vantagem de usar o SANS é que os métodos correspondentes de contraste podem ser utilizados para explorar as componentes individuais em misturas complexas e materiais que são opacos, ou falta de contraste necessariay por espalhamento de raios-X. O instrumento e os métodos de fluxo SANS foram estendidos com êxito para resolver a microestrutura interna durante a formação de faixas de cisalhamento ^{14, 15.} Além disso, como SANS é uma técnica de medição absoluto, medições da transmissão do feixe incidente através da amostra pode ser utilizada para determinar as alterações na composição química absoluta em todo o intervalo de Couette, recentemente demonstrados em ^13. Como tal, a nova técnica de fluxo-SANS é um método robusto e versátil para a obtenção de informação microestrutural directo, a partir do atomizado para a escala de comprimento ~ micron, sobre uma vasta gama de soluções coloidais, de surfactante auto-montadas, de proteínas, e polímeros e suas misturas em condições de não equilíbrio. Esta instrumentação está atualmente disponível para uso por submissão de propostas em ambos SANS e instrumentos USANS no centro do NIST para Pesquisa de Nêutrons no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia em os EUA e na Europa, por nêutrons D22 seram do Instituto Laue-Langevin em Grenoble, França.

A geometria da célula de cisalhamento atual permite a adição de métodos complementares, como o espalhamento de luz para a coleta simultânea de nêutrons e espalhamento óptico fóton de dados (se encaixa), bem como de imagem microscópio direto. Este último pode ser utilizado para ajudar a solucionar a-campo de fluxo in situ por métodos de controlo de partículas. Os desenvolvimentos futuros incluem a sincronização aprimorada para os fluxos dependentes do tempo, que atualmente é limitado a ~ 10 microssegundos em resolução. Claro, também há limitações para o projeto mecânico atual, como as taxas máximas de cisalhamento alcançáveis ​​são da ordem de 10 ³ s ^-1 e tensão amplitudes e freqüências para o fluxo oscilatório são limitados pela resolução tempo, bem como a fidelidade motor. Alguns desses problemas estão sendo resolvidos utilizando redutores adicionais. Além disso, a viscosidade da amostra deve ser tal que ele pode ser carregado por meio de seringa. Normalmente, quando possible, as amostras são aquecidas para facilitar a carga e permitir a remoção de quaisquer bolhas de ar retidas durante o carregamento. Cuidados devem ser tomados para considerar possíveis flow-instabilidades e deslizamento de parede, que são preocupações típicas abordadas em fazer as medições reológicas complementares. Há também um trade-off entre a precisão do fluxo de campo aplicado e da espessura da amostra (actualmente 5-7 mm), isto pode limitar a algumas aplicações devido a preocupações com a dispersão múltipla e adsorção. A geometria exige um volume de amostra de ordem de 6 ml, que pode ser um desafio para o estudo de materiais raros. Como acontece com qualquer bom design, não há espaço para melhorias na célula de cisalhamento detalhado aqui. De facto, o instrumento é actualmente um método de fluxo SANS em que as medições são feitas de SANS, enquanto um fluxo de cisalhamento simultânea é aplicado, no entanto, com o desenho actual é possível não reometria. Desenvolvimentos iminentes permitirá SANS simultâneas e medições de torque. Um verdadeiro instrumento rheo-SANS parainvestigando o gradiente avião velocidade à velocidade de cisalhamento será possível uma vez que a tensão de cisalhamento será resolvido a partir do binário e, portanto, reometria e SANS simultânea medições serão alcançados. Engenharia novas células cisalhamento que são mecanicamente selados e magneticamente impulsionado é um desafio bem-vindo e, atualmente, projetos e construção da célula de cisalhamento próxima geração estão em curso para abordar algumas dessas questões.

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)