Диэлектрические RheoSANS - Одновременная Допрос импеданса, реология и малого угол рассеяния нейтронов сложных жидкостей

Published 4/10/2017
0 Comments
  CITE THIS  SHARE 
Engineering

You must be subscribed to JoVE to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





By clicking "Submit," you agree to our policies.

 

Summary

Здесь мы приводим процедуру для измерения импеданса, одновременной реологии и рассеяния нейтронов из мягких вещества материалов при сдвиговом потоке.

Cite this Article

Copy Citation

Richards, J. J., Gagnon, C. V., Krzywon, J. R., Wagner, N. J., Butler, P. D. Dielectric RheoSANS — Simultaneous Interrogation of Impedance, Rheology and Small Angle Neutron Scattering of Complex Fluids. J. Vis. Exp. (122), e55318, doi:10.3791/55318 (2017).

Please note that all translations are automatically generated through Google Translate.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Порядок работы нового диэлектрического RheoSANS инструмента, способного одновременного опрос электрических, механических и микроструктурных свойств сложных жидкостей представлен. Прибор состоит из геометрии Куэтты, содержащейся в модифицированной принудительной конвекционной печи, установленной на коммерческий реометре. Этот инструмент доступен для использования на малоугловом рассеянии нейтронов (SANS) beamlines в Национальном институте стандартов и технологии (NIST) центре нейтронных исследований (NCNR). Геометрии Куэтты механически обработаны, чтобы быть прозрачными для нейтронов и обеспечивают для измерения электрических свойств и микроструктурных свойств образца, заключенного между цилиндрами титана в то время как образец подвергается произвольной деформации. Синхронизация этих измерений обеспечиваются с помощью использования настраиваемой программы, которая отслеживает и контролирует выполнение заданных экспериментальных протоколов. Описанные здесь является протоколомвыполнить эксперимент развертки потока, где скорость сдвига логарифмический ступенчатая от максимального значения до минимального значения, держащего на каждый шаг в течение определенного периода времени, в то время как зависящие от частоты диэлектрических измерений. Типичные результаты показаны из образца, состоящий из геля, состоящий из агрегатов углеродной сажи, диспергированных в пропиленкарбонате. По мере того как гель претерпевает устойчивый сдвиг, сажа сеть механической деформации, что вызывает начальное снижение проводимости, связанное с разрывом связей, входящих в состав углеродной сажи сети. Тем не менее, при более высоких скоростях сдвига, проводимость восстанавливается, связанные с наступлением сдвига утолщения. В целом, эти результаты показывают полезность одновременного измерения РЕО-электро-микроструктурных свойств этих суспензий с использованием диэлектрической RheoSANS геометрии.

Introduction

Измерение макроскопических свойств часто используются, чтобы получить фундаментальное понимание природы коллоидных материалов и самоорганизующихся систем, как правило, с целью развития понимания, с тем чтобы повысить эффективность состава. В частности, поле реологии, который измеряет динамическую характеристику текучей среды , в к приложенному напряжению или деформации, обеспечивает ценную информацию коллоидного поведение как в равновесных условиях , а также далеко от равновесия, например, при обработке 1 Реологических испытаний потребительских и промышленных жидкостей, гели, и очки также могут быть использованы для измерения реологических параметров, такие как вязкость, которые ориентированы на рецептурах. В то время как реология представляет собой мощный зонд свойств материала, это косвенное измерение коллоидной информации на микроскопическом уровне, таким образом, что наше понимание фундаментального коллоидного поведения может быть значительно повышенно путем комбинирования реологических измерений с помощью Complementary методы.

Одним из таких ортогональны метод импедансной спектроскопии. Импеданс спектроскопия является объемным датчиком диэлектрической релаксации поведения, который измеряет отклик материала на приложенном осциллирующее электрическое поле. 2 Результаты спектра импеданса от электрических режимов релаксации, которые активны в материале , включающем перенос заряда и поляризации. 3, 4 Эти измерения обеспечивают дополнительные свидетельства для коллоидного поведения особенно в сочетании с реологии. 5 Таким образом, сочетание этих методов особенно актуально при зондировании заряженных коллоидных дисперсий, белки, ионные поверхностно -активные вещества, нанокомпозитов и других систем. 6, 7

Фундаментальная интерес к исследованиям коллоидного поведения microstruc материала р. Микроструктура коллоидной жидкости, как полагают, чтобы кодировать всю информацию, необходимую для восстановления как ее реологических и электрическое поведение. По сути, мы стремимся измерить снимок наноразмерных микроструктурных особенностей, которые приводят к измеренному реакции материала. Из - за сложного характера зависимости многих сложных флюидов на их истории процесса, большая часть усилий по микроструктурных характеристик была сосредоточена на создании измерений на месте материала , как он подвергается деформации. Это вызов экспериментаторов разработать методы, чтобы иметь возможность производить измерения наноразмерных частиц, например, при установившемся сдвиге, где скорости частиц сделали прямую визуализацию внутренне сложной. Непосредственное измерение микроструктуры материала в потоке принял на многих формах, начиная от РЕО-оптики, РЕО-микроскопии и даже Rheo-ЯМР. 8, 9,осел = «Xref»> 10 Малых методов угла рассеяния, и , в частности , малый углом рассеяния нейтронов (SANS) метода, доказал свою эффективность при измерении усредненных по времени микроструктуры образцов при стационарном состоянии в объемном поле сдвига в том числе всех три плоскостей сдвиг. 11, 12, 13 Однако, новые методы сбора данных позволили структурные переходные процессы, которые будут захвачены с временным разрешением , как тонкой , как 10 мс. 14 В самом деле сочетание реологических свойств с различными методами в рассеивающих на местах оказались неоценимыми в сотнях недавних исследований. 15

Становится инженерной задачей является использование коллоидных суспензий в качестве проводящих добавок в полутвердых поток электродов батарей. 16 В этом приложении, проводящие частицы коллоидного должны поддерживать электрически процеживают сеть в то время как матерIAL прокачивается через ячейку электрохимического потока. Требования производительности на этих материалов требуют, чтобы они сохраняют высокую проводимость без отрицательного воздействия на реологические свойства в широком диапазоне скоростей сдвига. 17 Поэтому весьма желательно , чтобы иметь возможность производить измерение коллоидного поведения в стационарных и нестационарных условиях сдвига для того , чтобы количественно оценить и охарактеризовать реологический , лежащий в основе и электрический отклик этих материалов далеки от их равновесного состояния. Существенный усложняя фактор, который препятствует дальнейшему теоретическое развитию в этом отношении является тиксотропным характером сажих шламов. 18 Этих зависимые истории реологические и электрические свойства делают эксперименты крайне трудно воспроизвести; таким образом, что затрудняет сравнение наборов данных, измеренных с использованием варьируемых протоколов. Кроме того, на сегодняшний день не существует единой геометрии способна выполнять все три, Dielectric, реологический, и микроструктурная характеризация одновременно. Одновременное измерение важно, так как поток может изменить структуру, таким образом, что измерения остальных обрабатываемых материалов не могут обеспечить точные показания свойств в потоке, которые являются более актуальными для их использования. Кроме того, так как многие из измеренных свойств углеродной сажи в суспензиях геометрия зависит, возникает осложнения при сравнении данных, полученных из того же образца на различных инструментах. 19

Для того , чтобы решить эту задачу в метрологии, мы разработали новую диэлектрические RheoSANS геометрию на NIST центр нейтронных исследований и Университета штата Делавэр , способного на месте импедансной спектроскопии в измерения реологии и SANS материала при произвольной деформации на коммерческой деформации контролируемый реометр. Это обеспечивается путем разработки геометрии Куэтты, способную измерять микроструктурный, Electricaл и реологический отклик материала, заключенного между зазором два концентрических цилиндров. При вращении внешнего цилиндра, крутящий момент, введенной деформации образца измеряют на внутреннем цилиндре и измерение импеданса выполнен в радиальном направлении через зазор. Цилиндры изготовлены из титана таким образом, чтобы быть прозрачными для нейтронов и достаточно прочными, чтобы выдерживать напряжение сдвига испытывал в реометре. Проводит измерение SANS через радиальное положение Куэтты, и показал, что можно измерить высокие качество SANS образцы из образца, подвергающейся деформацию. Таким образом, все три измерения выполнены на одной и той же области, представляющей интерес в образце, как он проходит четко определенный профиль деформации. Целью данной статьи является описание диэлектрической Куэтты геометрии, его установки на прибор RheoSANS и успешное выполнение одновременного измерения. Этот вискозиметр доступен в NIST Центре NeutronИсследования в Национальном институте стандартов и технологий. Он предназначен для работы на линии пучка NG-7 SANS. Мы предоставили чертежи и подробное описание пользовательских компонентов, которые были механической обработке и собранными, с тем чтобы это измерение.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Монтаж реометра на SANS экспериментальная станция источника синхротронного излучения

Примечание: На рисунке 1 определения названных компонентов.

  1. Убедитесь, что питание вискозиметра выключено, датчик заблокирован и установлен протектор воздушного подшипника двигателя. Выключите нейтронный пучок, и закройте дверцу.
  2. Установите большую опорную пластину на стол, убрать морду, установить окна и закрепить 4 проушины для монтажных кронштейнов на кране адаптере вискозиметра, такие, что кабели не запутаться и не перекручены.
  3. С помощью крана, поднимите вискозиметра и маневрировать из таблицы реометра, чтобы отдохнуть в центре на столе с ЖК-экраном реометра, обращенной наружу, следя за тем, чтобы направлять кабели к минимуму спутывание.
  4. С помощью программного обеспечения управления SANS, отправить таблицу минимальной Z позиции.
  5. Удалить кран адаптер, с реометрами и снять с платформы, используя крана.

2. Диэлектрические Cell Ассамблея

Примечание: На рисунке 2 определения названных компонентов.

  1. Убедитесь, что питание вискозиметра выключено, датчик заблокирован и установлен протектор воздушного подшипника двигателя. Перед использованием очистить диэлектрические чашки и Бобом сборки с использованием моющего раствора, с последующим несколькими деионизованной воды полосканий, и позволяют полностью высохнуть.
  2. Откройте дверцу, разблокировать датчик и снять блокировку двигателя подшипника. Установить диэлектрическую геометрию и сборку диэлектрического боба на верхние и нижние опоры инструментального реометра. Ослабьте оба установочного винт на диэлектрической геометрии с использованием 2-Мм Аллен ключа и поместите диэлектрическую узел чашки так, что она установлена ​​на диэлектрической геометрии.
  3. С помощью программного обеспечения управления реометра, ноль отставания от выпадающего меню геометрии образца, и применить 10 N нормальной силы с использованием силой раскрывающегося меню осевого. При сжатии, затянуть винты с помощью3-Мм Аллен ключ до диэлектрической сборки чашки полностью прикреплен к диэлектрической геометрии.
  4. Установите зазор в измерительном промежутке с использованием программного обеспечения управления вискозиметра и закройте дверцу. Убедитесь, что печь может полностью закрыть диэлектрическую ячейку с соответствующим вертикальным зазором на верхней и нижней части геометрии. Если регулировка высоты необходима, отрегулируйте винт так, чтобы корпус печи подходит с достаточной терпимостью вокруг диэлектрической клетки. Соответствующий зазор достигается тогда, когда диэлектрическая геометрия помещается внутри печи и может пройти полный оборот, не касаясь стен печи.
  5. Удалить как диэлектрический узел ЛПП и диэлектрическая сборку чашки / диэлектрическую геометрию в виде одной детали и заменить с помощью инструмента выравнивания реометра на нижней инструментальной головке.

3. Установите фазные

Примечание: Смотрите Рисунок 3 для шага за шагом изобразительное резюме.

  1. Установите провод перегородку на валдиэлектрическая геометрия и соединить разъем диэлектрических чашек к разъему фазного.
  2. Удерживая кольцо скольжения так, что он является концентрическим с валом сборки диэлектрической чашки / диэлектрической геометрии, но над фланцем на диэлектрической геометрии. Поместите кольцо скольжения адаптеры (x2) такой, что их Nobs вставить в отверстия, просверленные в диэлектрическую геометрии и их основание лежит на диэлектрической геометрии фланца.
  3. Аккуратно вставьте кольцо скользить по фазным адаптеров. Кольцо скольжения должно скользить без усилий вокруг фазных адаптеров, занимающих их на месте.

4. Выравнивание вискозиметра

Примечание: Смотрите Рисунок 4 для схемы на пути луча.

  1. Закройте печь вокруг инструмента выравнивания вискозиметра. Установите усеченную морду и образец отверстие (ширина 1 мм × 8 мм в высоте), а также с помощью программного обеспечения управления реометра, установить угол смещения геометрии к 0,49 радиану в управлении двигателемвыпадающее меню.
  2. С помощью программного обеспечения управления инструмента SANS, убедитесь, что все нейтроноводы удаляются, и откройте дверцу духовки, так что лазер виден. Выполните грубое выравнивание реометра путем изменения высоты и угла стола с программного обеспечения управления прибором SANS так, чтобы луч проходит через печь и пересекает через щель в центре инструмента выравнивания реометра.
  3. С помощью программного обеспечения управления инструмента SANS, регулировать высоту стола и его вращение, чтобы оптимизировать выравнивание лазера. Обратите внимание на реометре выровнен, когда лазерный луч проходит через щель в инструменте выравнивания реометра с геометрией смещения установлено на уровне 0,49 радиана без ущерба на его стенки, и луч проходит через центральную линию в печи.

5. Калибровка инструмента SANS

  1. После того, как требуемая конфигурация SANS инструмента выравниваются с помощью инструмента ученого, измерить открытую передачу луча,пустое рассеивание клеток, и темные измерения тока рассеяния.
    1. Выполните измерение передачи луча посредством открытого выполнения измерения передачи луча в нужном положении детектора в течение 3 мин.
    2. Выполните пустое измерение рассеяния клеток путем установки диэлектрической геометрии и измерения измерения рассеяния в желаемом положении детектора.
    3. Выполните измерение темнового тока рассеяния с использованием толстого куска 3 мм, кадмий, который полностью ослабляет основной сигнал рассеяния пучка.

6. Подключение электрических компонентов

  1. Установите зазор с помощью ЖК-экрана до 100 мм.
  2. Удалить инструмент выравнивания вискозиметра от нижнего фланца инструмента. Установите на диэлектрическую узел боб на головке верхнего инструмента и диэлектрической монтажной чашки / диэлектрической геометрии / скольжения кольцевого узла на нижнюю инструментальной головки в виде одной детали и повторно нулевой зазор.
  3. Убедитесь, что угольные щетки в сборе является безопаснымд на угольных щеток адаптера с помощью винтов, и закрепить адаптер углерода щетки и узел щетки углерода в реометре с помощью винтов. Убедитесь, что угольные щетки на щетках углерода спариваться с рифлеными металлическими кольцами скольжения кольца. Это обеспечивает поддержание электрического контакта.
  4. Соедините гнездовые разъемы на пин углерода щеточного узла и диэлектрический боб узел к мужским контактным соединителям верхней и нижней решетка шины соответственно. Убедитесь в том, что меченые экранированные BNC кабели, подключенные к шинам и заканчивающиеся на метр LCR установлены в соответствующих разъемах BNC.
  5. Подключите кабель BNC с надписью «TO SANS» к кабелю BNC подключен к DAQ-карты с надписью «AO0». Подключите кабель BNC с надписью «С SANS» к кабелю BNC подключен к DAQ-карты с надписью «AI0». Подключите кабель BNC с надписью «TRIGGER» для кабеля BNC подключен к DAQ-карты с надписью «АО1». ПодключениеBNC кабель, подключенный к разъему 15 пин на заднем вискозиметр к кабелю BNC с надписью «AI3». Убедитесь в том, что измеритель LCR и вискозиметр общаются с управляющим компьютером.

7. Подготовка прибора для измерения

  1. Открыть духовку, установить разрыв до 100 мм, а нагрузка 4 мл дисперсии сажи в пропиленкарбонате в температурной уравновешивали диэлектрическую сборку чашки, заботясь, чтобы минимизировать образец оставили на стенках чашки.
  2. Опустить геометрию до 40 мм с помощью ЖК-дисплея на передней панели. Установите скорость на программное обеспечение управления вискозиметра с использованием параметров управления двигателя к 1 рад / с. Используя опцию нарастания выходного напряжения на реометре, снизить диэлектрическую сборку боба, пока расстояние зазора не достигнет 0,5 мм.
  3. Использование программного обеспечения оборудования, перейдите к диэлектрическому зазору измерения геометрии и установить скорость двигателя на реометр программного обеспечения управления с помощью параметров управления двигателя к 0 рад / с. На данном этапе, образец нагрузкиредактор
    Примечание: Проверьте уровень заполнения образца еще раз , чтобы убедиться , что уровень образца заполняет весь путь вверх по стене Куэтты без перелива.
  4. Установите ловушку растворителя путем заполнения внутренней диэлектрической стенки боба сборки с желаемым растворителем и поместите ловушку растворителя на крае диэлектрической сборки чашки.

8. Запуск эксперимента Диэлектрические RheoSANS

  1. Настройка кода с надписью «TA_ARES_FlowSweep.vi». Графический интерфейс будет отображаться с изменяемыми полями, которые определяют условие эксперимента прогонов диэлектрического эксперимента RheoSANS. Установите эти поля в следующем порядке.
    1. Укажите путь к лог-файл, и базовое имя файла журнала. Выполните код, нажав кнопку со стрелкой «Выполнить» в строке меню.
    2. Выберите реологические параметры - начальная скорость сдвига (25 рад / сек), заканчивая скорость сдвига (1 рад / с), количеством точек сдвига скорости (6) и должны ли быть точки Logarithmically или линейный интервал (кнопка радио). Выбор температура до 25 ° С в течение этого эксперимента. Выберите preshear условия (при желании, переключатель в положение «ВКЛ» включить) - в этом эксперименте, используют 25 рад / с preshear за 600 сек с 300 с временем ожидания после стадии preshear.
    3. Указать раз в скорости сдвига и скорости сбора. Включить кнопку квитирования радио. На вкладке Параметры испытаний выбрать логарифмическую или линейную развертку - если переключатель имеет зеленый цвет, список N число точек будет логарифмически на расстоянии друг от скорости сдвига мин до максимальной скорости сдвига.
    4. Указание дискретных скоростей сдвига и времени через вкладку «дискретные значения», если это желательно. Выберите количество частотных точек, минимальная частота и максимальная частота по умолчанию. Установите частоту зависимого времени - определяет требуемую частоту зависимого времени для всех скоростей сдвига. Установите время для устойчивого состояния - задает количество времени, что код будет измерять диэлектрические параметры при фиксированном частотыuency как функция времени для каждой скорости сдвига.
    5. Указывает тип сигнала и амплитуду. Укажите количество циклов до среднего и время измерения.
  2. Включите autoLogging на компьютере SANS. Установите конфигурацию SANS. Выберите конфигурацию и указать время выполнения, чтобы быть по крайней мере 1 мин больше, чем общее время, содержащимся в списке скорости сдвига в коде.
    Примечание: Если конфигурация достигается VIPER следует читать «Dio стат 16» , который указывает , что он будет ждать аналогового сигнала от карты сбора данных для изменения.
  3. Настройка программного обеспечения управления вискозиметра. На вкладке эксперимента, Нажмите «Open File Процедура» в «Процедура» в раскрывающемся меню. Перейдите к файлу процедуры с надписью «Диэлектрик File RheoSANS Script». Убедитесь в том, что вискозиметр готово выполнить эксперимент.
  4. Когда SANS готов, обеспечить контроль программного обеспечения настроена и реометра продрол файл программного обеспечения скрипт открыт, нажмите кнопку «Параметры Set». Это вызывает выполнение указанного эксперимента и все данные должны быть зарегистрированы в течение предварительно запрограммированный запуска образца.

9. Конец эксперимента

  1. Выключите пучок нейтронов и отключить автоматическую регистрацию. Выгрузка образца и удалить диэлектрические чашки и Боб сборку из реометра. Установите защитный воздушный подшипник двигателя и зафиксировать датчик.
  2. Выключите компьютер, измеритель LCR и реометр источников питания. Отсоедините воздушную линию. Отсоедините все кабели BNC и переустанавливать кран подъемной силы на реометре.
  3. Удаление усеченной морды. Установите адаптер кран вискозиметра в. Поднимите вискозиметр из таблицы и поместите на стол реометра гарантируя, что кабели остаются распутать.

Рисунок 1
Рисунок 1:.. А) - е) Фотографии Co mponents о SANS а экспериментальной станции источнике синхротронного излучении реометра необходимо установить реометр на которые экспериментальную станции источника синхротронного излучения меченых и определены ниже. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

фигура 2
Рисунок 2: Изображения компонентов Диэлектрические RheoSANS Геометрия с Labels Определение условия ниже. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 3
Рисунок 3: a.-d.) Фотографии Процедуры установки фазного на диэлектрическом RheoSANS геометрию, и е) Изображение в полностью собранном виде диэлектрического RheoSANS геометрии..ove.com/files/ftp_upload/55318/55318fig3large.jpg»целевых =„_blank“> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 4
Рисунок 4: Схема лучевого Пути через Oven геометрию и диэлектрический RheoSANS геометрию. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Типичные результаты диэлектрического эксперимента RheoSANS показаны на рисунке 5 и 6. Эти данные принимаются на суспензии проводящего углерода в пропиленкарбонате. Эти агрегаты флокуляции за счет привлекательных взаимодействий при относительно низких нагрузках твердых образующих гели, которые электрически проводящими. Реологическая и проводимость реакция таких суспензий является активной областью исследований и в настоящее время исследования стремится понять микроструктурное происхождение этих измерений. Диэлектрическая RheoSANS инструмент представляет собой инструмент, однозначно подходит для решения этого вопроса, как это зонды одновременно электрические и механические свойства материала, как он подвергается деформации, аналогичные тем, которые содержатся в приложении, например, в виде полутвердого ячейки электрохимического потока. В такой клетке сажи образует проводящую добавка, которая обеспечивает объемную проводимость в FloКрыло электроды.

Эксперимент описан в процедуре предназначен для проверки проводящего материала, как он проходит испытание развертки потока, где скорость сдвига ступенчатая логарифмический от максимального значения до минимального значения, держащего на каждой скорость сдвига в течение определенного периода времени. Реология, диэлектрические данные и рассеяние нейтронов непрерывно измеряются в ходе этой экспериментальной последовательности. По окончанию эксперимента диэлектрического RheoSANS, данные хранятся в трех независимых форматах. Данные SANS хранятся в виде файла в режиме событий, который представляет собой бинарный файл, созданный с помощью детектора, содержащего список времени прихода каждого нейтрона на детекторе и х, у позиции пикселя, на котором он был обнаружен. Данные реология хранятся в программном обеспечении управления вискозиметра в виде отдельного файла данных и могут быть экспортированы в качестве колонки с разделителями текстовый файл , содержащий соответствующие реологические параметры (т.е. 20 Используя этот подход, исходные измеренные сигналы от SANS, реометр и измеритель иммитанс могут быть восстановлены в зависимости от скорости сдвига , так и во время.

После того, как исходные сигналы сортируются, они корректируются с использованием известных реологических и электрических констант клеток и с помощью Sметоды снижения tandard SANS. Диэлектрическая процедура коррекции и анализа данных показана на рисунке 5а после удаления измерений открытых и короткого замыкания на каждой частоте и скорости сдвига. После того, как исправлено диэлектрические сигналы преобразуются в вещественной и мнимой составляющих импеданса в зависимости от частоты. На фигуре 5а, есть участок Найквист представления диэлектрического измерения на 0,08 весе фракции Vulcan XC72 образца претерпевает устойчивый сдвиг в среднее за последние 900 с после приобретения. В представлении Найквист, реальные и сложные компоненты импеданса нанесены параметрический друг против друга. На верхнем левом участке, точки данных логарифмически раскрашены по частоте, при котором измерение осуществляются с желтым, представляющими самой высокой частотой (20 МГц) и черная, представляющая самой низкой доступной частоту (20 Гц). В середине участка, образец допуск, Y *, или обратная величинакомплексное сопротивление, Z *, представлено в зависимости от частоты. Это нормировано по известной константе ячейки, X, а проводимость образца и электрическая восприимчивость определяются как мнимые и действительные компоненты допуска. Это нормализованный ответ образца может быть преобразован в комплексную диэлектрическую проницаемость, ε *, путем деления допуска на 2πƒε 0. Наконец, мы вписываемся комплексной диэлектрической проницаемостью отклика образца с использованием модели диэлектрического отклика в виде суммы релаксации Гавриляка-Наги и постоянный фазового элемент, который учитывает эффекты поляризации электрода. 20

Рисунок 5
Рисунок 5: а) Резюме диэлектрического анализа данных;. представление левого Найквист, средние: Проводимость и восприимчивость против частоты, справа: комплексная диэлектрической проницаемость в зависимости от частоты - диэлектрикМодель учитывает поляризацию электрода и Гавриляк-Неги релаксации , показанные накладываются поверх данных, б) Краткое изложение анализа данных SANS. слева: I (Q) от 0,08 вес фракции Vulcan XC72 при 1 рад / с в среднем за последние 900 с скорости сдвига, средний: масштабируется модель подходят для разбавления образца P (Q), справа: образец структурный фактор S (Q) = I (Q) / (А · P (Q)) - красный круг обозначает положение Q-позиции , где усредненные данные , чтобы получить минимальную глубину структурного фактора, S 0. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Данные режима событий сырья является histogrammed по времени на двумерный детектор SANS , представляющей I (Q X, Q у). Этот сырец интенсивность сигнала затем с поправкой на пустую ячейку, луч блокируется, и передача и преобразуется в ABSOLUте весы с единицы см -1. После этих поправок, абсолютная интенсивность может быть представлена ​​как функция от скорости сдвига и времени. На фигуре 5b, на левой стороне , двумерная приведенная интенсивность рассеяния по сравнению с Q х и Q у отложена. В середине мы наносим формы-фактор, P (Q), масштабируемый по предэкспонентам, A, в соответствии модели к разбавленной суспензии сажи над идентичной Q-диапазоном. Затем мы разделим I (Q) от A * P (Q), чтобы получить S (Q), которая представляет собой видимый структурный фактор для взаимодействия между фрактальными агрегатами углеродной сажей, которые содержат образец. Далее двумерный S (Q) , участок интегрирован в минимальном доступном значении Q = 0,0015 A -1 для вычисления S 0, который является оценкой очевидного отталкивающего взаимодействия фрактальных агрегатов. Этот результат затем преобразуется в эквивалентный объем твердой фракции сфера.

Используя такой подход,стационарные данные могут быть проанализированы на каждой скорости сдвига и извлеченные параметры , которые являются результатом как структурного анализа и диэлектрической анализа могут быть нанесены в виде функции приложенного скорости сдвига и реологической напряжения сдвига , как показано на рисунке 6. Кроме того, нанесены являются двумерная S (Q) участки для нескольких скоростей сдвига, представляющих интерес, которые отмечают важные микроструктурных переходы. Поскольку эти значения все измеряется в то же время с одной и той же области в пределах Куэтты, они могут быть непосредственно сопоставлены и связаны между собой. Это подчеркивает тот факт , что переходы в проводимости, х LF и эффективной объемной доли, φ HS, соответствуют с увеличением напряжения , когда напряжение сдвига превышает предел текучести , отмеченную переходом от области I-II. При этом переходе, как ф HS и х снижение LF , которое связано с получением макроскопического геля. По мере того как скорость сдвига дополнительно увеличивается,сдвига образца загустеет , как показано на очевидное увеличение вязкости и каппа увеличивается в то время как LF φ HS продолжает уменьшаться. Этот переход отмечен области II-III. Для концентрированных коллоидных суспензий, утолщение сдвига связано с образованием больших структур, которые формируют в результате гидродинамических взаимодействий, налагаемых потоком объемной жидкости вокруг первичных частиц сажи. Эти гидродинамические силы черпать агрегаты вместе приводят к резкому увеличению проводимости и вязкости.

Рисунок 6
Рисунок 6: верх: двумерный S (Q) участки при скоростях сдвига , которые представляют собой важные микроструктурных переходы в образце, внизу: резюме реологических (напряжения сдвига), диэлектрическая (статическая диэлектрическую проницаемость и низкая проводимость частоты) и параметрах SANS (ЗОБ фактор ля и эффективная исключенный объем фракция) в зависимости от приложенной скорости сдвига. Области интересов отмечены как I-III. В области I, ползучесть поддерживает взаимосвязанную структуру сети. В области II, гель макроскопически урожайности приводит к уменьшению общей проводимости. В области III, существует явное утолщение сдвига в результате кластеризации и увеличение проводимости. Столбики ошибок представляют собой одно стандартное отклонение от среднего. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Технические схемы из ключевых компонентов геометрии диэлектрических RheoSANS , показанной на рисунке 2 , приведены в дополнительных рисунках 1 - 8, таким образом, что эта геометрия может быть воспроизведена на аналогичных деформацию под контролем реометров.

Юр 1" SRC = "/ файлы / ftp_upload / 55318 / 55318supfig1.jpg" />
Дополнительный Рисунок 1: Техническая Схема адаптера Кубка Диэлектрического. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Дополнительное Рисунок 2
Дополнительный Рисунок 2: Техническая Схема Диэлектрического Кубка стены. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Дополнительное Рисунок 3
Дополнительный Рисунок 3: Техническая Схема Диэлектрического Боб Уолл. Пожалуйста , нажмите здесь для просмотра увеличенной версии этой фигуры.

Дополнительное Рисунок 4
Дополнительный Рисунок 4: Техническая Схема Диэлектрического Боба вала. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Дополнительное Рисунок 5
Дополнительный Рисунок 5: Техническая Схема Диэлектрического Боба Cap. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Дополнительное Рисунок 6
Дополнительный Рисунок 6: Техническая Схема Диэлектрического Бобом Ассамблея.р: //ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55318/55318supfig6large.jpg»целевых =„_blank“> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Дополнительный рисунок 7
Дополнительное Рисунок 7: Техническая Схема фазным адаптера. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Дополнительное Рисунок 8
Дополнительное Рисунок 8: Техническая Схема Brush Adapter Carbon. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Диэлектрические меры эксперимента RheoSANS одновременно реологические, электрические и микроструктурные ответы материала, как он подвергается предопределенные деформациям. Пример, показанный здесь, является электропроводящей сажи подвеска, которая образует проводящую добавку, используемую в клетках электрохимического потока. Диэлектрической RheoSANS Прибор позволяет опрос радиальной плоскости сдвига в пределах узкого зазора Куэтта клетки без ущерба для верности либо электрических или реологических измерений. Кроме того, геометрия позволяет для преобразования исходных сигналов, крутящий момент, сопротивление и фазового сдвига, на соответствующие внутренние переменные, такие как напряжения сдвига, электропроводности и диэлектрической проницаемости. В эксперименте, описанном в этой процедуре, развертки потока выполняются, когда скорость сдвига логарифмический активизировала от максимального значения до минимального значения в то время как в зависимости от времени и скорость сдвига зависимых Rheo-электро-структурные свойства записываются, Из этого измерения, можно исследовать эволюцию микроструктуры и проводимости углеродной сажи гель, как он дает, а затем подвергается макроскопический поток. Из-за одновременное измерение диэлектрического, мы имеем возможность исследовать происхождение проводимости в этих гелеобразных материалах, далекие от равновесия, как они расплав. 20 А развертки потока только один тип потенциального теста , который может быть выполнен, а геометрия конструкции для широкого круга потенциальных профилей сдвига , зависящих от времени. Эти результаты имеют потенциал для улучшения производительности электродов батарей потока, направляя формулировку низкой вязкости, высокой проводимости жидкостей. 21

Одним из важнейших компонентов позволяет из диэлектрического эксперимента RheoSANS является синхронизация всех трех измерений. Синхронизация позволяет все три измерения характеристики для сравнения в зависимости от времени и скорости сдвига. Это стало возможным благодаря апalogue запуск протокола, который кодирует переходы в скорости сдвига во время прибытия нейтронов. Этот протокол использует событие приобретения режима детектора SANS, который генерирует непрерывный список времени прибытия и позицию пикселя каждого нейтрона обнаружен. Время детектора часов может быть сброшено с помощью аналогового триггера, импульс 10 мса с амплитудой 5 В. Это сбросит абсолютное время прихода нейтронов в пределах этого списка. Протокол описано выше позволяет эти часы быть сброшены на данный момент двигатель включается и между каждой скорости сдвига. Этот протокол синхронизации позволяет пользователю воссоздать микроструктурную эволюцию образца к временному разрешению 100 мса. Важным ограничением этого метода является то, что в настоящее время не существует никакого способа изменить положение детектора в процессе приобретения. Таким образом, только одна позиция детектора может быть приобретена для данного протокола эксперимента. Это будет улучшена за счет предстоящих изменений программного обеспечения в обоих вискозиметрапротоколы управления, а также операция инструмента SANS.

Результаты, предоставляемые этим новым инструментом открывает новый путь к опрашивать электрически активные коллоидные материалы, поскольку они подвергаются деформации. В отличии от существующего Rheo-электрический, РЕО-SANS и диэлектрической-SANS геометрии, геометрии диэлектрических RheoSANS, описанные здесь, способен одновременного измерения диэлектрической SANS при произвольном приложенном полом сдвиге. Эта техника имеет отношение не только к клеткам электрохимических потоков, но развитие электродов топливных элементов и других электронных устройств, где материалы обрабатываются из состояния растворов и при макроскопическом сдвиге. 22, 23, 24 Прибор также имеет отношение к изучению материалов, механические свойства могут быть приведены в действие с помощью приложенного электрического поля. Все эти приложения могут потенциально быть изучены в силу flexiblе дизайн этого прибора и методика синхронизации выполнения каждого протокола испытаний.

Продолжается работа по совершенствованию протоколов для выполнения диэлектрического эксперимента RheoSANS и создания новых методик тестирования для широкого спектра материалов. Кроме того, повышение атмосферного управление будет включено с улучшением печи дизайна и предстоящей замены оконного материала в среде печи. Это будет включать в себя улучшенную конструкцию растворителя ловушки, которые сделают длительную продолжительность эксперименты по летучим жидкостям целесообразны. Наступающие печь конструирует доступ обещает тангенциальную плоскость сдвига, которая была продемонстрирована в действующих инструментах RheoSANS, но не в настоящее время испытания и доказали способность диэлектрического RheoSANS инструмента.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы не имеют ничего раскрывать.

Acknowledgements

Авторы хотели бы отметить NIST центр нейтронных исследований CNS кооперативного соглашение номер # 70NANB12H239 гранта на частичное финансирование в течение этого периода времени, а также Национальный научно-исследовательский совет по поддержке. Некоторое торговое оборудование, инструменты или материалы указаны в этой статье, чтобы уточнить методику эксперимента адекватно. Такая идентификация не подразумевает рекомендацию или одобрение со стороны Национального института стандартов и технологий, а также не подразумевает, что материалы или оборудование Идентифицированными обязательно лучше для этой цели.

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 

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Macosko, C. Rheology: Principles, Measurements and Applications. Powder Technology. 86, (3), (1996).
  2. Barsoukov, E., Macdonald, J. R. Impedance Spectroscopy Theory, Experiment, and Applications. Wiley-Inerscience. (2010).
  3. Pelster, R., Simon, U. Nanodispersions of conducting particles: Preparation, microstructure and dielectric properties. Colloid Polym. Sci. 277, (1), 2-14 (1999).
  4. 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).
  5. Mewis, J., Spaull, A. J. B. Rheology of concentrated dispersions. Adv. Colloid Interface Sci. 6, (3), 173-200 (1976).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Fowler, J. N., Kirkwood, J., Wagner, N. J. Rheology and microstructure of shear thickening fluid suspoemulsions. Appl. Rheol. 24, (4), 23049 (2014).
  9. Wagner, N. J. Rheo-optics. Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 3, (4), 391-400 (1998).
  10. Callaghan, P. T., et al. Rheo-NMR: nuclear magnetic resonance and the rheology of complex fluids. Reports Prog. Phys. 62, (4), 599-670 (1999).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Calabrese, M. A., et al. An optimized protocol for the analysis of time-resolved elastic scattering experiments. Soft Matter. 12, (8), 2301-2308 (2016).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Duduta, M., et al. Semi-solid lithium rechargeable flow battery. Adv. Energy Mater. 1, (4), 511-516 (2011).
  18. Mewis, J., de Groot, L. M., Helsen, J. A. Dielectric Behaviour of Flowing Thixotropic Suspensions. Colloids Surf. 22, (1987).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Video Stats