Summary
Her presenterer vi en fremgangsmåte for måling av impedans samtidig, reologi og nøytron-spredning fra myke materialer substans under skjær- strøm.
Abstract
En fremgangsmåte for drift av en ny dielektrisk RheoSANS instrument i stand til samtidig utspørring av de elektriske, mekaniske og mikro egenskaper av komplekse fluider er presentert. Instrumentet består av en Couette geometri inneholdt i en modifisert tvungen konveksjon ovn som er montert på en kommersiell reometer. Dette instrumentet er tilgjengelig for bruk på liten vinkel nøytronspredning (SANS) beamlines ved National Institute of Standards and Technology (NIST) Senter for Neutron forskning (NCNR). Den Couette geometri er maskinert for å være transparent for nøytroner og sørger for måling av de elektriske egenskaper og mikrostruktur egenskapene til en prøve avgrenset mellom titaniumsylinderne mens prøven gjennomgår vilkårlig deformasjon. Synkroniseringen av disse målingene er aktivert ved bruk av et passelig program som overvåker og styrer gjennomføringen av forhåndsbestemte eksperimentelle protokoller. Beskrevet her er en protokoll for åutføre en strømnings sveip eksperiment hvor skjærhastigheten logaritmiske trinn fra en maksimal verdi til en minimumsverdi som holder i hvert trinn for en bestemt tidsperiode, mens frekvensavhengige dielektriske målinger er gjort. Representative resultater er vist fra en prøve som består av en gel bestående av sotaggregater dispergert i propylenkarbonat. Som gelen gjennomgår en jevn skjærkraft, er den sot nettverk mekanisk deformert, noe som fører til en initial nedgang i ledningsevnen i forbindelse med bryting av bindinger som omfatter carbon black-nettverket. Men ved høyere skjærhastigheter, gjenoppretter ledningsevnen forbundet med utbrudd av skjær-fortykkelse. Samlet viser disse resultatene at nytten av den samtidige måling av den reo-elektro-mikrostruktur egenskapene til disse suspensjoner ved hjelp av dielektriske RheoSANS geometri.
Introduction
Måling av makroskopiske egenskaper blir ofte brukt for å få grunnleggende innsikt i naturen av kolloidale materialer og selv-sammensatte systemer, som regel med det mål å utvikle forståelse for å forbedre ytelsen formulering. Spesielt innen reologi, som måler en fluidum dynamiske respons på en påtrykt spenning eller deformasjon, gir verdifull innsikt i kolloidal oppførsel begge under likevektsbetingelser, og også langt fra likevekt, for eksempel under behandling av 1 Reologiske tester av forbruker og industrielle væsker, geler, og glass kan også anvendes for å måle reologiske parametre, slik som viskositet, som er rettet av tilvirkere. Mens reologi er en kraftig sonde av materialegenskaper, er det en indirekte måling av kolloidalt informasjon på mikroskopisk nivå, slik at vår forståelse av fundamental kolloidal oppførsel kan bli betydelig forbedret ved å kombinere reologiske målinger med complementary teknikker.
En slik teknikk er ortogonale impedans-spektroskopi. Impedans-spektroskopi er en bulk sonde av dielektrisk avslapping oppførsel, som måler responsen av et materiale til en påsatte oscillerende elektrisk felt. 2 Den impedans spektret Resultatene fra elektriske avspenningsmodi som er aktive i det material som herunder ladningstransport og polarisering. 3, 4 Disse målinger gir ytterligere bevis for kolloidal oppførsel særlig i kombinasjon med reologi. 5 Derfor er kombinasjonen av disse teknikkene særlig relevant når sonderings belastet kolloidale dispersjoner, proteiner, ioniske overflateaktive midler, nanokompositter, og andre systemer. 6, 7
En grunnleggende interesse for undersøkelser av kolloidalt oppførsel er materialets microstruc ture. Mikrostrukturen av en kolloidal væske er antatt å kode for alle de opplysninger som er nødvendige for å rekonstruere både dens reologiske og elektriske oppførsel. Fundamentalt, søker vi å måle et øyeblikksbilde av nanoskala mikro funksjoner som fører til en målt materiale respons. På grunn av den kompliserte natur av mange komplekse fluider avhengighet av deres prosesshistorie, mye av innsatsen på mikrostruktur karakterisering har fokusert på å gjøre in situ målinger av materialet når det utsettes for deformering. Dette har utfordret experimentalists å utvikle metoder for å være i stand til å foreta målinger av nano-størrelse-partikler i henhold til for eksempel jevn skjærkraft, hvor hastighetene av partiklene har gjort direkte visualisering egen utfordrende. Direkte måling av materialmikrostruktur i henhold til strømnings har tatt mange former som strekker seg fra reo-optikk, reo-mikroskopi og til og med reo-NMR. 8, 9,ass = "ekstern referanse"> 10 liten vinkel spredningsmetoder, og spesielt liten vinkel nøytronspredning (SANS) teknikker, har vist seg effektiv ved å måle den gjennomsnittlige tidsmikrostruktur av prøver ved stabil tilstand ved en masseskjærfelt, inkludert alle tre plan av klippe. 11, 12, 13. Imidlertid har nye data innsamlingsteknikker tillatt konstruksjons transienter å være tatt med tidsoppløsning så fin som 10 ms. 14 Faktisk kombinere reologi med ulike in situ spredningsmetoder har vist seg uvurderlig i hundrevis av nyere studier. 15
En voksende teknisk utfordring er bruken av kolloidale suspensjoner som ledende additiver i halvfaste strømningsbatterielektroder. 16 I denne søknad, må ledende kolloidale partikler opprettholde et elektrisk percolated nettverk mens material pumpes gjennom en elektrokjemisk celle strømnings. Ytelseskravene for disse materialene krever at de opprettholder høy ledningsevne, uten skadelig virkning på reologisk ytelse over et bredt område av skjærhastigheter. 17 Det er derfor meget ønskelig å være i stand til å foreta målinger av den kolloidale oppførsel under konstante og tidsavhengige skjærkraftbetingelser for å kvantifisere og karakterisere underliggende reologiske og elektriske respons av disse materialer langt fra sin likevektstilstand. En betydelig kompliserende faktor som har hindret ytterligere teoretisk utvikling i denne forbindelse er den tiksotrope natur av carbon black oppslemminger. 18 Disse historie avhengig reologiske egenskaper og elektriske egenskaper gjør eksperimenter notorisk vanskelige å reprodusere; således, noe som gjør det vanskelig å sammenligne datasett som måles ved hjelp av forskjellige protokoller. Videre til dags dato er det ingen enkel geometri stand til å utføre alle tre, Dielectric, reologisk, og mikrostrukturen karakteriseringer, samtidig. Samtidig måling er viktig som strømmen kan endre strukturen, slik at resten målinger av bearbeidet materiale ikke kan tilveiebringe nøyaktige indikasjoner på de egenskaper under strømningen, som er mer relevant for deres anvendelse. I tillegg, som mange av de målte egenskapene til carbon black oppslemminger er geometrisk avhengig, det komplikasjoner med å sammenligne data som er oppnådd fra den samme prøven på forskjellige instrumenter. 19
For å møte denne utfordring i metrologi, har vi utviklet en ny dielektriske RheoSANS geometri ved NIST senter for Neutron Research and University of Delaware i stand til in situ impedans-spektroskopi, reologi- og SANS målinger av et materiale under vilkårlig deformasjon på en kommersiell stamme kontrollert rheometer. Dette muliggjøres ved å utvikle et Couette geometri i stand til å måle mikrostruktur omfatter den elektriskel og reologiske reaksjon av et materiale avgrenset mellom gapet mellom to konsentriske sylindere. Som den ytre sylinderen roterer, blir dreiemomentet pålagt av deformasjon av prøven målt på den indre sylinder og impedansen måling foretas radialt tvers over gapet. Sylindrene er maskinert fra titan slik at det er transparent for nøytroner og robust nok til å motstå den skjærspenning erfarne i reometeret. Vi utfører SANS målinger gjennom den radiale posisjon av Couette, og har vist at det er mulig å måle kvalitets SANS mønstre fra prøven gjennomgår deformasjon. På denne måten blir alle tre målinger utført på den samme region av interesse i prøven som det gjennomgår en godt definert deformasjon profil. Målet med denne artikkelen er å beskrive dielektrisk Couette geometri, installasjon på RheoSANS instrument, og en vellykket gjennomføring av en simultan måling. Dette rheometer er tilgjengelig på NIST Senter for NeutronForskning ved National Institute of Standards and Technology. Det har blitt konstruert for å arbeide på NG-7 SANS bjelke linje. Vi har gitt tegninger og en detaljert beskrivelse av de tilpassede komponenter som har blitt maskinert og montert for å muliggjøre denne målingen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Montering av Rheometer på SANS beamline
MERK: Se figur 1 for definisjoner av navngitte komponenter.
- Sikrer at kraften til reometeret er slått av, transduseren er låst og motorluftlager beskytteren er installert. Slå av nøytron-bjelke, og lukk ovnsdøren.
- Sett på det store basisplaten på bordet, fjerner snute, installere vinduet, og feste de 4 maljer til monteringsbrakettene på reometeret kran adapter slik at kablene ikke floke og ikke er vridd.
- Ved hjelp av kran, løft rheometer og manøvrere den fra rheometer bordet å hvile sentrert på bordet med LCD-skjermen på rheometer vendt utover, ta vare å lede kablene for å redusere floker.
- Bruke SANS kontroll programvare, sende bordet til minimum Z posisjon.
- Fjern de rheometers' kran adapter og løfte bort fra plattformen ved hjelp av crane.
2. Dielektrisk Cell Assembly
MERK: Se figur 2 for definisjoner av navngitte komponenter.
- Sikrer at kraften til reometeret er slått av, transduseren er låst og motorluftlager beskytteren er installert. Før bruk må de dielektriske kopp og bob sammenstillingene ved hjelp av detergentløsning etterfulgt av flere skyllinger deionisert vann, og la det helt tørre.
- Åpne ovnsdøren, låse transduseren og fjerne den motorlageret låsen. Monter dielektriske geometri og dielektriske bob montering på de øvre og nedre verktøyfestene på reometeret. Løsne begge settskruene på den dielektriske geometri ved bruk av en 2 mm skiftenøkkel og plassere den dielektriske koppsammenstillingen, slik at det er montert på den dielektriske geometri.
- Ved hjelp av reometeret kontrollprogramvaren, null gap fra rullegardinmeny prøvegeometri, og anvende 10 N normalkraften ved hjelp av den aksiale kraft som rullegardinmeny. Under komprimering, strammes ved hjelp av skrueneen 3 mm skiftenøkkel inntil den dielektriske koppsammenstillingen er fullt ut sikret til den dielektriske geometri.
- Sett avstanden til gapet måling ved hjelp reometeret kontrollprogramvaren, og lukk ovnsdøren. Sikre at ovnen kan omslutte den dielektriske celle med tilstrekkelig vertikal klaring på toppen og bunnen av geometrien. Hvis en høydejustering er nødvendig, justere settskruen slik at ovnen kabinettet passer med tilstrekkelig toleranse rundt det dielektriske cellen. Tilstrekkelig klaring er oppnådd når den dielektriske geometrien passer inn i ovnen, og kan gjennomgå en fullstendig omdreining uten å berøre ovnsveggene.
- Fjerne både det dielektriske bob sammenstillingen og den dielektriske koppen / dielektrisk geometri som ett stykke, og erstatte med reometeret justeringsverktøy på den nedre verktøyhodet.
3. Installer slepering
MERK: Se figur 3 for steg-for-steg billedlig oppsummering.
- Installer ledningen ledeplate på skaftetden dielektriske geometri og koble den dielektriske koppen kontakten til sleperingen kontakten.
- Holder sleperingen, slik at det er konsentrisk med akselen til den dielektriske koppen / dielektrisk geometri men over flensen på den dielektriske geometri. Plasser slepering adaptere (x 2), slik at deres nobs passer inn i de hull som bores inn i den dielektriske geometri og deres basen hviler på den dielektriske geometri flensen.
- Skyver sleperingen i løpet av sleperings adaptere. Sleperingen skal gli uanstrengt rundt sleperingen adaptere som holder dem på plass.
4. Justering av Rheometer
MERK: Se figur 4 for skjematisk av strålebanen.
- Lukk stekeovns rundt reometeret justeringsverktøyet. Installere den avkortede snute og prøven åpningen (1 mm brede x 8 mm høye), og ved hjelp av rheometer software, sette geometrien forskyvningsvinkelen til 0,49 rad i motorstyringennedtrekksmenyen.
- Ved hjelp av den SANS instrumentkontroll programvare, sikrer at alle nøytroner skinnene er fjernet, og døren åpnes, slik at laseren er synlig. Utføre en grov innretting av reometeret ved å endre høyden og vinkelen på bordet fra den SANS instrumentkontroll programvare, slik at strålen passerer gjennom ovnen og krysser gjennom slissen i midten av reometeret innrettingsverktøy.
- Ved hjelp av den SANS instrumentkontroll programvare, justere høyden av bordet og dens rotasjon for å optimalisere laser justering. Legg merke til reometeret er justert når laserstrålen passerer gjennom slissen i den reometer innrettingsverktøy med geometrien forskyvning innstilt på 0,49 rad uten som støter på vegger og strålen passerer gjennom senterlinjen i ovnen.
5. Kalibrering av SANS Instrument
- Så snart den ønskede SANS instrumentkonfigurasjon blir justert av instrumentet vitenskapsmann, måle den åpne bjelke overføring,tom celle spredning, og mørkestrøm spredningsmålinger.
- Utføre den åpne bjelke transmisjonsmåling ved å utføre en bjelke transmisjonsmåling i ønsket detektoren er plassert i 3 min.
- Utføre den tomme cellen spredningsmåling ved å installere den dielektriske geometri og måling av en spredning måling ved det ønskede detektorposisjonen.
- Utføre mørkestrøm spredningsmåling ved hjelp av 3 mm tykt stykke av kadmium som helt demper hovedbjelken spredningssignalet.
6. Koble til elektriske komponenter
- Sett gapet bruker LCD-skjermen til 100 mm.
- Fjern reometeret innrettingsverktøyet fra bunnverktøyflens. Sett på den dielektriske bob sammenstillingen på den øvre verktøyhodet og den dielektriske koppen / dielektrisk geometri / sleperinganordningen på den nedre verktøyhodet i ett stykke og re-null gapet.
- Sørg for at kullbørsten forsamlingen er sikkerd til kullbørsten adapteren ved hjelp av skruer, og sikrer kullbørsten adapteren og karbon børsteanordning til reometeret ved hjelp av skruer. Sørge for at kullbørstene på karbonatomet børsteanordningen passe sammen med de rillede metallringer i slepering. Dette sikrer opprettholdelse av den elektriske kontakten.
- Koble hunnstiftkontaktene på karbon børsteanordningen og den dielektriske bob rekken til de mannlige leder-konnektorer av topp- og bunnskinner hhv. Sørge for at de merkede skjermede BNC kabler som er koblet til samleskinnene og som avsluttes i LCR måleren er installert i deres tilsvarende BNC-kontakter.
- Koble BNC kabel merket "TO SANS" til BNC-kabelen koblet til DAQ kort merket "AO0". Koble BNC kabel merket "FRA SANS" til BNC-kabelen koblet til DAQ kort merket "AI0". Koble BNC kabelen merket "trigger" til BNC-kabelen koblet til DAQ kort merket "AO1". kobleBNC kabel koblet til den 15-pin-kontakten på baksiden av reometeret til BNCJkabelen merket "AI3". Kontroller at LCR meter og reometer kommuniserer med den styrende datamaskin.
7. Klar Instrument for en måle
- Åpne ovnen, satt gapet til 100 mm, og belastningen 4 ml av den carbon black dispersjon i propylenkarbonat til temperaturen var ekvilibrert dielektriske koppen, idet man omhyggelig unngikk prøven igjen på koppveggen.
- Senk geometrien til 40 mm ved hjelp av front LCD-skjermen. Sett hastigheten på rheometer kontroll programvare ved hjelp av kontrollinnstillingene motor til en rad / s. Ved hjelp av den sving alternativet på reometeret, lavere dielektriske bob sammenstillingen inntil gapet avstanden er ved 0,5 mm.
- Ved hjelp av utstyr programvaren på dielektriske geometri måling gap, og stille motorhastigheten på reometer styreprogramvaren ved hjelp av kontrollinnstillinger motor til 0 rad / s. På dette stadium er den prøvemengdeed.
Merk: Kontroller at prøven fyllingsnivået enda en gang for å sikre at prøven nivået fyller hele veien opp Couette veggen uten overfylling. - Installer løsningsmidlet fellen ved å fylle det indre dielektriske bob sammenstilling vegg med det ønskede oppløsningsmiddel, og plassere løsningsmidlet felle på kanten av den dielektriske koppen.
8. Kjøre Dielektrisk RheoSANS Experiment
- Konfigurer kode merket "TA_ARES_FlowSweep.vi". En GUI vises med modifiserbare felt som angir de eksperimentelle kjøre forholdene i dielektrisk RheoSANS forsøket. Sett disse feltene i følgende rekkefølge.
- Angi en bane for loggfilen til og navnet bunnen av loggfilen. Kjøre koden ved å trykke på "Run" pil-knappen på menylinjen.
- Velg reologiske parametere - utgangsskjærhastighet (25 rad / s), som slutter skjærhastighet (1 rad / s), antallet av skjærhastigheten punkter (6), og hvorvidt de punkter bør være Logarithmically eller lineær avstand (alternativknapp). Velg temperatur til 25 ° C i dette eksperimentet. Velg preshear betingelser (hvis det er ønskelig, gjør det mulig valgknappen til "PÅ") - i dette eksperimentet, bruke en 25 rad / s preshear for 600 s med en 300 s ventetid etter preshear trinnet.
- Angi tid per skjærhastighet og innsamlingsgrad. Aktiver handshaking radioknappen. I kategorien prøveparametre velge logaritmisk eller lineær sveip - hvis alternativknapp er grønn, vil en liste av N antall poeng bli logaritmisk i avstand fra en minsteskjærhastighet til max shear hastighet.
- Angi diskrete skjærhastigheter og tider via "diskrete verdier" -feltet hvis ønskelig. Velg antall frekvenspunkter, frekvensen minimum og frekvensen maksimal standard. Sett tidsavhengige frekvens - angir den ønskede tidsavhengige frekvens for alle skjærhastigheter. Angi tidspunktet for stabil tilstand - angir hvor lang tid at koden vil måle dielektriske parametre til en fast freq-frekvensen som en funksjon av tid for hver skjærhastighet.
- Spesifiser signaltype og amplitude. Angi antall sykluser til gjennomsnittlig og tidsmåling.
- Slå på autoLogging på SANS datamaskinen. Sett SANS konfigurasjon. Velg konfigurasjonen og angir kjøring til å være minst 1 min lengre enn den totale tid som er inneholdt i listen skjærhastighet i koden.
Merk: Når konfigurasjonen er oppnådd VIPER bør lese "dio stat 16", som indikerer at det vil være å vente på det analoge signalet fra innsamling kort å endre. - Konfigurering av reometeret kontroll programvare. I kategorien eksperiment, Trykk "Open Prosedyre File" i "Prosedyre" drop down menyen. Naviger til prosedyren filen merket "Dielektrisk RheoSANS Script File". Sørg for at rheometer er klar til å gjennomføre forsøket.
- Når SANS er klar, sikre kontroll programvare er konfigurert og reometer fortsrol programvare skriptfilen er åpen, trykker du på "Parameters Set". Dette utløser utførelsen av den angitte eksperiment og alle data skal være logget inn hele den forhåndsprogrammerte prøvekjøringen.
9. Slutt på Experiment
- Slå av nøytron-bjelke og deaktivere automatisk logging. Losse prøven og fjerne de dielektriske kopp og bob sammenstillinger fra reometeret. Installer motorluftlager beskytter og låse svingeren.
- Slå av datamaskinen, LCR meter, og rheometer strømforsyninger. Koble fra luftledningen. Koble fra alle BNC kabler og installere kran løft på reometeret.
- Avinstaller avkortet snute. Sett på reometeret kran adapter. Løft reometeret fra bordet, og plasser den i reometeret tabell sikrer at kablene forblir frigjort.
Figur 1:.. A) - e) Bilder av Co mponents av SANS beamline og Rheometer er nødvendig for å installere Rheometer på beamline som er merket og definert nedenfor. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2: Bilder av komponenter Dielektrisk RheoSANS geometri med etiketter Definere vilkårene nedenfor. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3: a.-d.) Bilder av hvordan du installerer Slip-ringen på Dielektrisk RheoSANS geometri, og e) Bilde av Ferdig montert Dielektrisk RheoSANS geometri..ove.com/files/ftp_upload/55318/55318fig3large.jpg" target = '_ blank'> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4: Skjematisk av strålebanen gjennom Oven geometri og Dielektrisk RheoSANS geometri. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Representative resultater fra et dielektrisk RheoSANS eksperiment er vist i figur 5 og 6. Disse data er tatt på en suspensjon av ledende sot i propylenkarbonat. Disse aggregater flokkulere grunn tiltrekkende samvirkninger ved forholdsvis lave faststoffbelastninger dannende geler som er elektrisk ledende. De reologiske og konduktivitets responser hos slike suspensjoner er et aktivt forskningsområde og undersøkelsene søke å forstå de mikro opprinnelsen til disse målingene. Den dielektriske RheoSANS instrument er et verktøy unikt egnet til å løse dette spørsmål som det prober samtidig de elektriske og mekaniske egenskaper av et materiale som gjennomgår deformasjoner som ligner på de som finnes i et program som for eksempel i en halv-fast elektrostrømningscelle. I en slik celle carbon black danner det ledende additiv som gir volumledningsevnen til den flovinge elektroder.
Eksperimentet er beskrevet i fremgangsmåten er utviklet for å teste et ledende materiale som det gjennomgår en strømningstest sveip, hvor skjærhastigheten er avtrappet logaritmisk fra en maksimal verdi til en minimumsverdi som holder på hvert skjærhastighet for en bestemt tidsperiode. Reologi, er dielektriske data og nøytronspredning måles kontinuerlig i løpet av denne forsøkssekvens. Ved fullføring av en dielektrisk RheoSANS eksperiment, blir dataene lagret i tre uavhengige formater. SANS data er lagret som en hendelse modus fil som er en binær fil som frembringes av detektoren som inneholder listen over tidspunktet for ankomsten av hvert nøytron på detektoren og den x, y-posisjon av bildeelementet på hvilken det ble påvist. Reologien data blir lagret i reometeret kontrollprogramvare som en separat datafil og kan eksporteres som et kolonne tekstfil som inneholder de relevante reologiske parameterne (dvs. 20 Ved bruk av denne tilnærmingen, de rå målte signalene fra SANS, rheometer og LCR meter kan rekonstrueres som en funksjon av både skjærehastighet og tid.
Etter råsignalene sorteres, blir de rettet opp ved hjelp av de kjente reologiske og elektriske cellekonstanter og med standard SANS reduksjonsmetoder. Den dielektriske datakorreksjon og analyseprosedyre er vist i figur 5a etter fjerning av de åpne og kortslutnings målinger ved hver frekvens og skjærhastighet. Når korrigert de dielektriske signalene konverteres til de reelle og imaginære komponenter av den impedans som funksjon av frekvensen. I figur 5a, er en plotting av Nyquist-representasjon av dielektrisk måling av en 0,08 vektfraksjon Vulcan XC72 prøven gjennomgår en jevn skjær gjennomsnitt over de siste 900 s på kjøpet. I Nyquist-representasjonen, er de virkelige og komplekse komponenter av impedansen plottet metrisk mot hverandre. Øverst til venstre er tomt, blir datapunktene logaritmisk fargelegges ved den frekvens ved hvilken målingen er tatt med gul representerer det høyeste frekvens (20 MHz) og sort representerer den laveste tilgjengelige frekvens (20 Hz). I midten plottet, prøven admittansen, Y *, eller den inverse avkompleks impedans, Z * er plottet mot frekvens. Det er normalisert med den kjente cellekonstanten, λ, og prøven ledningsevnen og den elektriske følsomhet er definert som de imaginære og reelle komponenter av admittansen. Denne normaliserte prøve reaksjon kan omdannes til den komplekse permittivitet, ε *, ved å dividere den admittans ved 2πƒε 0. Endelig passer vi den komplekse permittivitet av prøven respons ved anvendelse av den dielektriske responsmodell som en sum av en Havriliak-Nagami avslapping og en konstant fase element som tar hensyn til virkningen av elektrodepolarisering. 20
Figur 5: a) Oppsummering av dielektrisk dataanalyse;. venstre Nyquist representasjon, midtre: konduktivitet og mottakelighet vs frekvens, til høyre: komplekse permittivitet som funksjon av frekvens - dielektrikummodell utgjør elektrodepolarisering og Havriliak-Negami avslapping vist overlagret på toppen av data, b) Sammendrag av SANS dataanalyse.; venstre: I (Q) fra 0,08 vektfraksjon Vulcan XC72 ved 1 rad / s gjennomsnitt av for siste 900 s med skjærhastighet, midten: skalert modell skikket til å fortynne prøven P (Q), høyre: sample strukturfaktoren, S (Q) = i (Q) / (A • P (Q)) - rød sirkel betegner Q-stilling posisjon der data blir midlet for å oppnå den minimale struktur faktor dybde, S-0. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Den rå arrangementet modus data blir histogrammert med hensyn til tid på det todimensjonale SANS detektor som representerer I (Q x, y Q). Dette rå-signalintensiteten blir så korrigert for den tomme cellen, blokkerte stråle, og overføring og omdannet til absolute skala med enheter cm-1. Etter disse korreksjoner, kan den absolutte intensitet plottes som en funksjon av skjærhastighet og tid. I figur 5b, til venstre, er det to-dimensjonale redusert spredningsintensitet som funksjon av Q x og y Q plottede. I midten plotter vi formfaktoren, P (Q), skalert med en prefactor, A, av modellen passer til den fortynnede sot suspensjon over en identisk Q-serien. Vi deretter dele I (Q) av A * P (Q) for å få S (Q) som representerer en tilsynelatende struktur faktor for interaksjonene mellom de fraktale sotaggregater som utgjør prøven. Deretter ble to-dimensjonale S (Q) plottet er integrert på minimums tilgjengelig Q-verdi = 0,0015 A -1 for å beregne S 0, som er et estimat av den tilsynelatende frastøtende interaksjonen mellom fraktale aggregater. Dette resultatet blir så omdannet til et tilsvarende hardt sfære volumfraksjon.
Ved hjelp av denne tilnærmingen, densteady-state data kan analyseres ved hvert skjærhastighet, og de ekstraherte parametre som er et resultat fra både strukturell analyse og den dielektriske analyse kan plottes som en funksjon av den påførte skjærhastighet og reologiske skjærspenningen som vist i figur 6. Det er også plottet er de to-dimensjon S (Q) plott av flere skjærhastigheter i området som markerer viktige mikro overganger. Fordi disse verdiene blir alle målt på samme tid fra den samme region innenfor Couette, kan de sammenlignes direkte og korrelert. Dette understrekes av det faktum at overganger i konduktivitet, κ LF, og effektiv volumfraksjon, φ HS, korresponderer med økningen av stress når skjærspenningen overstiger flytespenningen merket ved overgangen fra region I-II. I denne overgangs, både fy HS og κ LF minskning som er forbundet med den flyting av makroskopiske gel. Ettersom skjærhastigheten økes ytterligere,prøven skjær fortykkes som indikert av den tilsynelatende økning i viskositeten og K-LF økninger mens φ HS fortsetter å avta. Denne overgangen er preget av region II-III. For konsentrerte kolloidale suspensjoner, er skjærfortykkende assosiert med dannelsen av store strukturer som dannes som et resultat av hydrodynamiske interaksjoner pålagt av strømningen av væskemassen omkring det primære kjønrøk-partikler. Disse hydrodynamiske krefter trekker aggregatene som sammen resulterer i en brå økning i ledningsevnen og viskositeten.
Figur 6: topp: to-dimensjonal S (Q) plott ved skjærehastigheter som representerer viktige mikro overganger i prøven, bunn: Sammendrag av reologisk (skjærspenning), dielektrisk (statisk permittivitet og lav frekvens ledningsevne) og SANS parametere (SCA le faktor og effektiv ekskluderte volum-fraksjon) som en funksjon av påført skjærhastighet. Regionene steder er merket som I-III. I området I, opprettholder kryp et sammenbundet nettverksstruktur. I region II, gelen makroskopisk utbytter fører til en reduksjon i den totale ledningsevne. I region III, det er en tilsynelatende skjær fortykkelse som resulterer i gruppering og en økning i ledningsevne. Feilstolpene representerer ett standardavvik av gjennomsnittet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
De tekniske skjematisk av de viktigste komponentene i den dielektriske RheoSANS geometrien som er vist i figur 2 er gitt i Utfyllende figurene 1 - 8, slik at denne geometri kan gjengis på liknende strekk kontrollert rheometers.
ure en" src = "/ files / ftp_upload / 55318 / 55318supfig1.jpg"/>
Supplerende Figur 1: Teknisk Skjematisk av Dielektrisk Cup Adapter. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Supplerende Figur 2: Teknisk Skjematisk av Dielektrisk Cup Wall. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Supplerende Figur 3: Teknisk Skjematisk av Dielektrisk Bob Wall. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Tilleggs Figur 4: Teknisk Skjematisk av Dielektrisk Bob Shaft. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Tilleggs Figur 5: Teknisk Skjematisk av Dielektrisk Bob Cap. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Supplerende Figur 6: Teknisk Skjematisk av Dielektrisk Bob forsamlingen.tp: //ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55318/55318supfig6large.jpg" target = '_ blank'> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Supplerende Figur 7: Teknisk Skjematisk av Slip Ring Adapter. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Supplerende Figur 8: Teknisk Skjematisk av Carbon Brush Adapter. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Et dielektrisk eksperiment tiltak RheoSANS samtidig de reologiske, elektriske og mikrostruktur responser hos et materiale som gjennomgår en forutbestemt deformasjon. Det viste eksempel er en elektrisk ledende sot suspensjon som danner den ledende tilsetningsstoff som brukes i elektrokjemiske celler strømnings. Den dielektriske RheoSANS instrument muliggjør utspørring av den radiale skjærplan innenfor en smal spalte Couette celle uten at nøyaktigheten av enten elektrisk eller reologisk måling. I tillegg gir geometrien for omdannelse av råsignalene, dreiemoment, motstand, og faseforskyvning, til passende iboende variabler som skjærspenning, konduktivitet og permittivitet. I eksperimentet beskrevet i denne fremgangsmåten, et flyt sveip utføres hvor skjærhastigheten logaritmiske trinn fra en maksimal verdi til en minimal verdi, mens den tidsavhengige og skjærhastighetsavhengige reo-elektro-strukturelle egenskaper er registrert. Fra denne måling, er det mulig å undersøke utviklingen av mikrostrukturen og konduktivitet av kjønrøken gelen som den gir etter og gjennomgår deretter makroskopisk strømning. På grunn av den samtidige dielektrisk måling, er vi i stand til å sondere opprinnelsen til ledning i disse gelerte materialer langt fra likevekt som de smelter. 20 En strømnings sveip er bare én type av potensiell test som kan utføres, og geometrien er designet for å få plass til et stort utvalg av mulige tidsavhengige skjærprofiler. Disse resultatene har et potensial for å forbedre ytelsen til strømningsbatterielektroder ved å føre formuleringen av lav viskositet, høy konduktivitet fluider. 21
En kritisk komponent som gjør det mulig for et dielektrisk RheoSANS eksperiment er synkroniseringen av alle tre målinger. Synkroniseringen gjør det mulig for alle tre måleegenskapene, som skal sammenlignes som en funksjon av tid og skjærhastighet. Dette er gjort mulig av enalogue utløsende protokoll som koder overganger i skjærhastighet i nøytron ankomsttid. Denne protokollen utnytter arrangementet modus anskaffelsen av SANS detektor som genererer et sammenhengende liste av ankomsttid og pikselposisjon for hver nøytron detektert. Detektoren klokken kan bli tilbakestilt ved hjelp av en analog trigger, en 10 ms puls med en 5 V amplitude. Dette stiller absolutte ankomsttid av nøytronene i den listen. Protokollen som er beskrevet ovenfor gjør det mulig for denne klokken tilbakestilles i det øyeblikk motoren er slått på og mellom hvert skjærhastighet. Dette synkroniseringsprotokoll gjør det mulig for brukeren å rekonstituere mikro utviklingen av prøven til en tidsoppløsning på 100 ms. En viktig begrensning ved denne metode er at det for tiden ikke er noen måte å forandre detektorposisjon i løpet av en anskaffelse. Derfor kan bare en enkelt detektor stilling anskaffes for en gitt forsøksprotokoll. Dette vil bli forbedret ved kommende programvareendringer i både rheometerkontrollprotokoller så vel som de SANS instrument operasjoner.
Resultatene som tilbys av denne nye instrumentet åpne opp en ny vei for å avhøre elektrisk aktive kolloidale materialer som de gjennomgår deformasjon. I motsetning til eksisterende reo-elektrisk, reo-SANS, og dielektriske-SANS geometrier, den dielektriske RheoSANS geometri som er beskrevet her er i stand til samtidig dielektrisk-SANS måling i henhold til vilkårlige påførte skjærfelt. Denne teknikken har betydning ikke bare for elektrokjemiske strømnings-celler, men utviklingen av brenselcelleelektroder og andre elektroniske enheter hvor materialene er behandlet fra den oppløsninger tilstand og utsatt for makroskopisk skjærkraft. 22, 23, 24. Instrumentet har også betydning for studiet av materialer hvis mekaniske egenskaper kan betjenes via et påtrykt elektrisk felt. Alle disse programmene kan potensielt bli studert i kraft av flexible konstruksjonen av dette apparatet og metoder for synkronisering av utførelsen av hver testprotokoll.
Det arbeides for å forbedre protokollene for å utføre en dielektrisk RheoSANS eksperiment og skape nye testmetoder for et bredere spekter av materialer. I tillegg vil forbedrede atmosfærisk kontroll aktiveres med forbedring av ovnen utforming og kommende utskifting av vindusmaterialet i ovnen miljø. Det vil inneholde en forbedret oppløsningsmiddel felle utforming som vil gjøre lengevarende forsøk med flyktige væsker gjennomførbart. Stående ovn design løfte adgang til den tangentielle skjærplan som er vist i drifts RheoSANS instrumenter, men er ikke i dag en testet og vist evnen av den dielektriske RheoSANS instrumentet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ikke noe å avsløre.
Acknowledgments
Forfatterne ønsker å erkjenne NIST Senter for Neutron Forskning CNS samarbeidsavtale nummer # 70NANB12H239 tilskudd til delfinansiering i denne tidsperioden, samt National Research Council for støtte. Visse kommersielt utstyr, instrumenter, eller materialer som er identifisert i dette dokumentet for å angi den eksperimentelle prosedyren tilstrekkelig. Slik identifisering er ikke ment å antyde anbefaling eller oppfordring av National Institute of Standards and Technology, det er heller ikke ment å antyde at materialer eller utstyr identifisert nødvendigvis er den beste tilgjengelige for formålet.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| ARES G2 Rheometer | TA Instruments | 401000.501 | Rheometer |
| ARES G2-DETA ACCY Kit | TA Instruments | 402551.901 | BNC Connectors |
| Geometry ARES 25 mm DETA | TA Instruments | 402553.901 | Dielectric Geometry |
| ARES G2 Forced Convection Oven | TA Instruments | 401892.901 | FCO |
| Agilent E4980A LCR Meter | TA Instruments | 613.04946 | LCR Meter |
| USB-6001 | National Instruments | NI USB-6001 | Data Acquisiton Card |
| Vulcan XC72R | Cabot | Vulcan XC72R | |
| Propylene Carbonate | Aldrich | 310328 | |
| LabVIEW System Design Software | National Instruments | 776671-35 | Control Software |
References
- 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: Preparation, microstructure and dielectric properties. Colloid Polym. Sci. 277 (1), 2-14 (1999).
- Hollingsworth, A. D., Saville, D. A. Dielectric spectroscopy and electrophoretic mobility measurements interpreted with the standard electrokinetic model. J. Colloid Interface Sci. 272 (1), 235-245 (2004).
- Mewis, J., Spaull, A. J. B. Rheology of concentrated dispersions. Adv. Colloid Interface Sci. 6 (3), 173-200 (1976).
- Mijović, J., Lee, H., Kenny, J., Mays, J. Dynamics in Polymer-Silicate Nanocomposites As Studied by Dielectric Relaxation Spectroscopy and Dynamic Mechanical Spectroscopy. Macromolecules. 39 (6), 2172-2182 (2006).
- Newbloom, G. M., Weigandt, K. M., Pozzo, D. C. Electrical, Mechanical, and Structural Characterization of Self-Assembly in Poly(3-hexylthiophene) Organogel Networks. Macromolecules. 45 (8), 3452-3462 (2012).
- Fowler, J. N., Kirkwood, J., Wagner, N. J. Rheology and microstructure of shear thickening fluid suspoemulsions. Appl. Rheol. 24 (4), 23049 (2014).
- Wagner, N. J. Rheo-optics. Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 3 (4), 391-400 (1998).
- Callaghan, P. T., et al. Rheo-NMR: nuclear magnetic resonance and the rheology of complex fluids. Reports Prog. Phys. 62 (4), 599-670 (1999).
- Gurnon, A. K., et al. Measuring Material Microstructure Under Flow Using 1-2 Plane Flow-Small Angle Neutron Scattering. J. Vis. Exp. (84), e51068 (2014).
- Calabrese, M. A., Rogers, S. A., Murphy, R. P., Wagner, N. J. The rheology and microstructure of branched micelles under shear. J. Rheol. 59 (5), 1299-1328 (2015).
- Helgeson, M. E., Vasquez, P. A., Kaler, E. W., Wagner, N. J. Rheology and spatially resolved structure of cetyltrimethylammonium bromide wormlike micelles through the shear banding transition. J. Rheol. 53 (3), 727 (2009).
- Calabrese, M. A., et al. An optimized protocol for the analysis of time-resolved elastic scattering experiments. Soft Matter. 12 (8), 2301-2308 (2016).
- Eberle, A. P. R., Porcar, L. Flow-SANS and Rheo-SANS applied to soft matter. Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 17 (1), 33-43 (2012).
- Campos, J. W., et al. Investigation of carbon materials for use as a flowable electrode in electrochemical flow capacitors. Electrochim. Acta. 98, 123-130 (2013).
- Duduta, M., et al. Semi-solid lithium rechargeable flow battery. Adv. Energy Mater. 1 (4), 511-516 (2011).
- Mewis, J., de Groot, L. M., Helsen, J. A. Dielectric Behaviour of Flowing Thixotropic Suspensions. Colloids Surf. 22, (1987).
- Helal, A., Divoux, T., McKinley, G. H. Simultaneous rheo-electric measurements of strongly conductive complex fluids. , Available from: http://arxiv.org/abs/1604.00336 (2016).
- Richards, J. J., Wagner, N. J., Butler, P. D. A Strain-Controlled RheoSANS Instrument for the Measurement of the Microstructural, Electrical and Mechanical Properties of Soft Materials. Rev. Sci. Instr. , In prepara (2016).
- Youssry, M., et al. Non-aqueous carbon black suspensions for lithium-based redox flow batteries: rheology and simultaneous rheo-electrical behavior. Phys. Chem. Chem. Phys. PCCP. 15 (34), 14476-14486 (2013).
- Cho, B. -K., Jain, A., Gruner, S. M., Wiesner, U. Mesophase structure-mechanical and ionic transport correlations in extended amphiphilic dendrons. Sci. 305 (5690), New York, N.Y. 1598-1601 (2004).
- Kiel, J. W., MacKay, M. E., Kirby, B. J., Maranville, B. B., Majkrzak, C. F. Phase-sensitive neutron reflectometry measurements applied in the study of photovoltaic films. J. Chem. Phys. 133 (7), 1-7 (2010).
- López-Barròn, C. R., Chen, R., Wagner, N. J., Beltramo, P. J. Self-Assembly of Pluronic F127 Diacrylate in Ethylammonium Nitrate: Structure, Rheology, and Ionic Conductivity before and after Photo-Cross-Linking. Macromolecules. 49 (14), 5179-5189 (2016).
