Dielektrik RheoSANS - Empedans, Reoloji ve Kompleks Sıvılar Küçük Açı Nötron Saçılma eşzamanlı Sorgulama

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

Burada, kesme akışı altında yumuşak madde malzemeleri aynı anda empedans, reoloji ve nötron saçılması ölçümü için bir prosedürdür.

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

Kompleks sıvıların, elektrik, mekanik ve mikroyapısal özellikleri aynı anda sorgulama yeteneğine sahip yeni bir dielektrik RheoSANS aletin çalışması için bir prosedür sunulmuştur. alet, ticari bir reometre üzerine monte edilmiş bir modifiye edilmiş zorunlu konveksiyon fırını içinde yer alan bir Couette geometri içerir. Bu alet, küçük açı nötron saçılımı (SANS) Nötron Araştırma Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST) Center (NCNR) de ışın demetleri kullanmak için kullanılabilir. Couette geometrisi nötronlara şeffaf olmak işlenmiş ve elektriksel özellikleri ve örnek rasgele deformasyona uğrar ise titanyum silindirler arasında sınırlı bir numune mikroyapısal özelliklerinin ölçümü sağlar. Bu ölçümlerin Senkronizasyon izler ve önceden belirlenen bir deney protokolleri çalıştırılmasını kontrol özelleştirilebilir programının kullanılması suretiyle mümkün kılınmaktadır. Burada açıklanan protokol etmektirfrekansa bağımlı dielektrik sabiti yapılırken kesme hızı logaritmik zaman belirli bir süre boyunca her adımda tutan bir minimum değere maksimum bir değerden adım olan bir akış tarama deneyi gerçekleştirmek. Örnek sonuçlar, propilen karbonat içinde dağılmış karbon siyahları, agregat oluşan bir jel içeren bir numuneden gösterilmiştir. Jel sabit kesme maruz olarak, karbon siyahı ağ Karbon siyahı ağı içeren bağların kopmasına ilişkili iletkenlikte bir başlangıç ​​azalmaya neden olan, mekanik olarak deforme edilir. Ancak, daha yüksek kesme oranlarında daha, iletkenlik kesme kalınlaşması başlangıcı ile ilgili kurtarır. Genel olarak, bu sonuçlar, dielektrik RheoSANS geometri kullanarak bu süspansiyonların Rheo elektro-mikroyapısal özellikleri aynı anda ölçüm yararını göstermektedir.

Introduction

makroskobik özelliklerinin ölçülmesi genellikle genellikle formülasyon performansını artırmak amacıyla bir anlayış geliştirmek amacıyla, kolloidal malzeme ve kendi kendini monte sistemlerin doğaya temel fikir edinmek için kullanılır. Özel olarak, uygulanan bir gerilme veya deformasyon Bir akışkanın dinamik bir tepkinin ölçülebildiği bir reoloji alanında, örneğin tüketici ve endüstriyel sıvıların 1 reolojik testler işlem sırasında denge şartları altında ve aynı zamanda çok denge hem de koloidal davranışı hakkında değerli bilgiler sağlar, jeller ve gözlük de formülasyon hedeflenir viskozite gibi reolojik parametreleri ölçmek için kullanılabilir. reoloji malzeme özelliklerinin güçlü bir sonda iken, bu mikroskobik düzeyde kolloidal bilgilerin dolaylı ölçümü, böyle temel kolloidal davranışın anlayışımız büyük ölçüde c ile reolojik ölçümler birleştirerek geliştirilmiş edilebileceğiniomplementary teknikleri.

Bu tür bir ortogonal teknik empedans spektroskopisidir. Empedans spektroskopisi uygulanan bir salınımlı elektrik alanı için bir malzeme olarak ölçebilen dielektrik gevşeme davranışı, bir kütle probudur. 2. yük taşıma ve polarizasyon içeren malzeme içinde aktif olan elektrik gevşeme modlarından empedans spektrumu ile sonuçlanır. 3, 4 Bu ölçümler reolojisi ile birlikte, özellikle koloidal davranışı için ek delil sağlar. Koloidal dispersiyonlar, proteinler, iyonik yüzey aktif maddeler, nanokompozitler, ve diğer sistemleri şarj denendiğinde 5 Bu nedenle, bu tekniklerin birleşimi özellikle uygundur. 6, 7

kolloidal davranışın soruşturmalarda temel bir ilgi malzemenin microstruc olduğunu Ture. koloidal sıvının mikro reolojik ve elektrik davranışı hem de yeniden oluşturmak için gerekli olan tüm bilgileri şifresini taşıdığı düşünülmektedir. Temelde, biz ölçülen malzeme yanıta yol nano mikro özellikleri bir anlık ölçmek için ararlar. Nedeniyle kendi işlem geçmişine birçok karmaşık Akışkanların bağımlılık karmaşık yapısı nedeniyle, mikro karakterizasyonu üzerine çaba kadara deformasyona uğrar olarak malzemenin yerinde ölçümler yaparak odaklanmıştır. Bu, partiküllerin hızı doğrudan görselleştirme içsel zorlu bir hale gelmiş, örneğin sabit bir kesme için altında nano-boyutlu parçacıkların ölçümler yapmak mümkün yöntem hazırlamak için deneysel çalışan meydan gelmiştir. akış altında malzeme mikro direkt ölçümü Rheo optikler, Rheo-mikroskopi ve hatta Rheo-NMR kadar birçok biçimler almıştır. 8, 9,eşek = "xref"> 10 Küçük açı saçılma yöntemleri ve özellikle küçük açı nötron saçılımı (SAN) teknikleri, in her üç düzlem içeren kütle kesme alanındaki kararlı halde örneklerinin zaman-ortalamalı mikro ölçüm merkezinde kendileri etkili olduğu kanıtlanmıştır kayma. 11, 12, 13 Ancak, yeni veri toplama teknikleri izin yapısal geçici 10 ms kadar ince zaman çözünürlüğü ile görüntü kaydedilir. In situ saçma yöntemleri çeşitli 14 Gerçekten de kombine reoloji son çalışmalar yüzlerce değerli olduğu kanıtlanmıştır. 15

Ortaya çıkan bir mühendislik meydan yarı katı akışlı batarya elektrotlar iletken katkı maddeleri olarak, koloidal süspansiyonlar kullanılmasıdır. Bu uygulamada 16, iletken koloidal parçacıkların mater ise, elektriksel olarak süzülmüş bir ağ tutmalıdırial elektrokimyasal akış hücresi içinden pompalanır. Bu malzemelerin performans talepleri onlar kesme oranları geniş bir aralıkta reolojik performansı üzerinde zararlı etkisi olmadan yüksek iletkenliği korumasını isteriz. 17 ölçmek ve uzak, denge durumundan bu malzemelerin temel reolojik ve elektrik tepkisini karakterize etmek amacıyla, sürekli ve zamana bağlı kesme koşulları altında koloidal davranış ölçümleri yapmak mümkün olması tavsiye edilir. Bu bağlamda daha fazla teorik gelişimini engellemesi önemli bir komplikasyon unsuru, karbon siyahı, çamurların tiksotropik doğasıdır. 18 Bu tarih bağımlı reolojik ve elektriksel özellikler çoğaltmak deneyler herkesin bildiği zorlaştırır; Bu şekilde, bu zor değişen protokoller kullanılarak ölçülmüş veri setleri karşılaştırma adrestir. Bundan başka, şimdiye kadar her üç yapabilen tek bir geometri, Diele oradaAynı anda ctric, reolojik ve mikro karakterizasyonu. akış işleme maddelerin geri kalan kısmı ölçümleri, kullanım için daha uygun olan akış altında özelliklerinin doğru göstergeler sağlamaz öyle ki, yapı değiştirebilir şekilde eş zamanlı ölçüm önemlidir. karbon siyahı, çamurların ölçülen özellikleri birçok geometrisi bağlıdır Buna ek olarak, farklı araçlar ile aynı örnekten elde edilen verilerle karşılaştırılarak komplikasyonları vardır. 19

Metroloji bu sorunun aşılması için, biz Nötron Araştırma NIST Merkezi ve in situ empedans spektroskopi içinde yeteneğine Delaware Üniversitesi'nde yeni dielektrik RheoSANS geometri geliştirdik, ticari bir zorlanma üzerinde keyfi deformasyon altında bir malzemenin reoloji ve SANS ölçümleri kontrollü reometre. Bu mikro, Electrica ölçebilen bir Couette geometri geliştirerek etkindirL, iki eş merkezli silindir boşluğu arasında sınırlı bir malzemeden reolojik tepkisi. Dış silindir döndükçe, numune deformasyonu tarafından uygulanan tork iç silindir üzerinde ölçülür ve empedans ölçüm boşluk boyunca radyal olarak yapılır. nötronlara şeffaf ve reometrede geçirdiği kesme stresi dayanacak kadar sağlam olacak şekilde silindirler titanyumdan işlenir. Biz Couette radyal konumu boyunca SANS ölçüm yapmak ve deformasyona uğrar numuneden kaliteli SANS durumunu ölçmek mümkün olduğunu göstermiştir. Bu, iyi tanımlanmış bir deformasyon profili maruz Bu şekilde, tüm üç ölçüm numunede ilgi konusu aynı bölgede yapılır. Bu makalenin amacı dielektrik Couette geometri, RheoSANS enstrüman üzerine yüklenmesini ve eş zamanlı ölçüm başarıyla yürütüldüğünü tanımlamaktır. Bu reometre Neutron NIST Merkezi'nde bulabilirsinizStandartlar ve Teknoloji Ulusal Enstitüsü Araştırma. NG-7 SANS ışın hattı üzerinde çalışmak için tasarlanmıştır. Biz çizim ve makinede ve bu ölçümün gerçekleştirilebilmesi amacıyla monte edilmiş özel bileşenlerin ayrıntılı bir açıklamasını sağladı.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. SANS ışın-hattı üzerine Reometre Montaj

NOT: adlandırılmış bileşenlerin tanımları için Bkz. Şekil 1

  1. reometreye güç kapalıysa dönüştürücü kilitli ve motor hava yatağı koruyucusu yüklü olduğundan emin olun. nötron demeti kapatın ve fırın kapağını kapatın.
  2. , Burnu kaldırmak, masanın üzerine geniş taban plakasını takın pencere yükleyin ve kabloların dolaşma yoktur ve bükülmüş geçirilmeyecek şekilde reometreyi en vinç adaptör üzerinde montaj destekleri için 4 delikli sabitleyin.
  3. Vinç kullanarak, reometreyi kaldırıp dolaşmasını en aza indirmek için kabloları yönlendirmek için özen, dışa dönük reometrelerinin LCD ekranlı masaya merkezli dinlenme için reometre tablodan manevra.
  4. SANS kontrol yazılımı kullanarak, asgari Z pozisyonuna tabloyu gönderin.
  5. Reometre vinç adaptörünü çıkarın ve cr kullanarak platforma uzak kaldırınane.

2. Dielektrik Hücre Montajı

NOT: adlandırılmış bileşenlerin tanımları için Şekil 2'ye bakınız.

  1. reometreye güç kapalıysa dönüştürücü kilitli ve motor hava yatağı koruyucusu yüklü olduğundan emin olun. Kullanımdan önce, çok sayıda deiyonize su durulama ardından deterjan çözeltisi kullanılarak dielektrik kap ve çekül montajları temiz ve tamamen kuru bir olanak sağlar.
  2. , Fırın kapağını açın dönüştürücüyü kilidini ve motor yatağı kilidi kaldırmak. reometrenin üst ve alt takım yuvası üzerine dielektrik geometri ve dielektrik Bob tertibatını monte edin. 2 mm'lik bir Allen anahtarı kullanılarak dielektrik geometrisi hem ayar vidalarını gevşetin ve dielektrik geometri üzerine monte edilir, böylece yalıtkan kap düzeneği yerleştirin.
  3. Reometre kontrol yazılımı kullanılarak, numune geometrisi açılan menüden boşluğu sıfır ve eksenel güç açılır menü kullanılarak 10 N, normal kuvvet uygulanır. sıkıştırma altında, ile sıkınDielektrik kap düzeneğinin kadar 3 mm alen anahtar dielektrik geometrisine tam güvenli olduğunu.
  4. Reometre kontrol yazılımı kullanarak ölçüm boşluğu boşluğu ayarlayın ve fırın kapağını kapatın. Fırın tam geometrisi, üst ve alt yeterli dikey aralık ile dielektrik hücre içine sağlayın. Bir yükseklik ayarı gerekiyorsa fırın muhafaza dielektrik hücrede çevresinde yeterli tolerans ile sığacak şekilde ayar vidasını ayarlayın. dielektrik geometri fırın içinde oturur ve fırın duvarlarına değmeden tam bir devrim geçirmesi zaman yeterli boşluk sağlanır.
  5. tek parça olarak bir dielektrik bob düzeneğini ve dielektrik kap montaj / dielektrik geometrisini çıkarın ve alt alet kafasına reometre hizalama aracı ile değiştirin.

3. Kayma Yüzük takın

NOT: adım-adım resimli özeti için Şekil 3'e bakınız.

  1. mili üzerine tel bölmesini yüklemeDielektrik geometrisi ve kayma halkası konektörüne dielektrik kap konektörünü.
  2. Bu dielektrik kap montaj / dielektrik geometri mili ile ancak dielektrik geometrisine flanş üzerinde eş merkezli olacak şekilde kayma halkası tutun. bunların NOBS dielektrik geometri delinmiş deliklere eklemek ve baz dielektrik geometri flanşı üzerine gelecek şekilde kayma halkası adaptörleri (x2) yerleştirin.
  3. Yavaşça kayma halkası adaptörleri üzerinde kayma halkasını kaydırın. Kayma halkası yerde tutarak kayma halkası adaptörleri etrafında zahmetsizce slayt gerekir.

Reometre 4. Hizalama

Not: ışın yolunun şematik için Şekil 4 'e bakınız.

  1. Reometre hizalama aracı etrafında fırını kapatın. Reometre kontrol yazılımı kullanılarak kesik burun ve numune açıklığı (boyunda 1 mm genişliğinde x 8 mm) ve yükleme, motor kontrolünde 0.49 rad geometri yer değiştirme açısını ayarlamakAşağıya doğru açılan menü.
  2. tüm nötron kılavuzları kaldırılır emin olun ve lazer görülebilecek şekilde fırın kapağını açın, SANS enstrüman kontrol yazılımı kullanarak. ışın fırın içinden geçer ve reometre hizalama aracının merkezinde yarık içinden geçiyor ve böylece SANS araç kontrolü yazılımı ile tablonun yüksekliği ve açısı değiştirilerek reometre kaba bir ayarı gerçekleştirin.
  3. SANS gösterge kontrol yazılımı kullanılarak, tablo yüksekliğini ve lazer hizalama optimize etmek dönüşünü ayarlayın. Lazer ışını duvarları üzerine çarpmaksızın 0.49 rad geometri deplasman reometre hizalama aracı yarık içinden geçer, Işın fırında merkez hattının geçtiği zaman reometresi hizalanmış edin.

SANS Enstrüman 5. Kalibrasyon

  1. İstenen SANS alet yapılandırma aracı bir bilim adamı tarafından bir kere ayarlandıktan sonra, açık ışın iletim ölçümüBoş hücre saçılması ve karanlık akım saçılma ölçümleri.
    1. 3 dakika için arzu edilen detektör konumunda bir sayısal iletim ölçümünün gerçekleştirilmesi açık sayısal iletim ölçümü yapın.
    2. Dielektrik geometri yükleme ve arzu edilen detektör konumunda bir saçılma ölçümü ölçülerek boş hücre saçılması ölçümü yapın.
    3. tamamen ana kiriş saçılma sinyalini azaltır kadmiyum, 3 mm kalınlığında bir parça kullanılarak karanlık akım saçılma ölçümü yapın.

6. Elektrik Bileşenleri Bağlama

  1. 100 mm LCD ekranı kullanarak boşluğu ayarlayın.
  2. alt alet flanşından reometre hizalama aracını kaldırın. tek parça olarak alt alet kafasına üst alet kafasına ve dielektrik kap montaj / dielektrik geometri / kayma halkası düzeneği üzerinde dielektrik bob düzeneği yeniden yeniden sıfır boşluk.
  3. Karbon fırça düzeneği güvenli olduğundan emin olunvida ile kömür adaptörüne d ve vidalar kullanılarak reometreye kömür adaptörü ve kömür düzeneğini sabitlemek. kömür düzeneğindeki kömürleri kayma halkasının oluklu metal halkalar ile eşleşecek emin olun. Bu, elektrik teması muhafaza edilmesini sağlar.
  4. Karbon fırça montaj ve sırasıyla üst ve alt Baraların erkek pim konnektörlerine dielektrik bob aksamındaki dişi pin konnektörlerini bağlayın. LCR metrede baralara bağlı olan ve sonlandırma korumalı etiketli BNC kablolar bunlara karşılık gelen BNC konnektörleri yüklü olduğundan emin olun.
  5. "AO0" etiketli DAQ kartına bağlı BNC kabloya "SANS İÇİN" etiketli BNC kablosunu bağlayın. "AI0" etiketli DAQ kartına bağlı BNC kabloya "SANS DAN" etiketli BNC kablosunu bağlayın. "AO1" etiketli DAQ kartına bağlı BNC kabloya "TRIGGER" etiketli BNC kablosunu bağlayın. bağlamak"AI3" etiketli BNC kablosuna reometrelerinin arkasındaki 15 pin konnektörüne bağlı BNC kablosu. LCR metre ve reometre kontrolü bilgisayarla iletişim emin olun.

7. Bir ölçüm cihazıdır hazırlanması

  1. , Fırın açma 100 mm ye ayarlanmış, ve örnek en aza indirmek için özen sıcaklığı dengelenmiş dielektrik kap düzeneğinin içine propilen karbonat içinde karbon isi dispersiyonu, bir yük 4 mL kabı duvarının üzerinde kalan.
  2. ön LCD ekranı kullanarak 40 mm'ye geometriyi indirin. 1 rad / s motor kontrol ayarlarını kullanarak reometre kontrol yazılımı hızını ayarlayın. aralık mesafesi 0.5 mm kadar reometre ile dönüş seçeneği kullanarak, dielektrik bob düzeneği indirin.
  3. ekipman yazılımı kullanarak, dielektrik geometri ölçüm boşluğu gidin ve 0 rad / s motor kontrol ayarlarını kullanarak reometre kontrol yazılımı motorlu hızını ayarlayın. Bu aşamada, örnek yüked.
    Not: Örnek seviyesi doldurulmadığı duruma Couette duvara tüm yol doldurur sağlamak için bir kez daha örnek dolum seviyesini kontrol edin.
  4. İstenen çözücü ile iç dielektrik Bob montaj duvarı doldurarak çözücü tuzak yükleme ve dielektrik Kupa düzeneğinin ağız üzerinde çözücü tuzağı.

8. Dielektrik RheoSANS Deneme Gerçekleştirme

  1. "TA_ARES_FlowSweep.vi" etiketli kodu yapılandırılması. Bir GUI dielektrik RheoSANS deneyinin deneysel çalışma koşullarını belirlemek değiştirilebilir alanlar ile görünecektir. aşağıdaki sırayla bu alanları ayarlayın.
    1. için günlük dosyası ve günlük dosyasının taban adı için bir yol belirtin. Menü çubuğundaki "Çalıştır" ok butonuna basarak kodu çalıştırın.
    2. reolojik parametreleri seçin - başlangıç ​​kesme oranı (25 rad / s), kesme oranı son (1 rad / s), kesme hızı noktalarının sayısını (6) ve noktalar Logar olup olmayacağınıithmically veya doğrusal olarak aralıklı (radyo düğmesi). Bu deneme için 25 ° C'ye seç sıcaklığı. (Istenirse radyo düğmesini "ON" etkinleştirin) preshear koşullarını seçin - bu deneyde, preshear adımdan sonra 300s bekleme süresi ile 600 s için 25 rad / sn preshear kullanın.
    3. kesme hızı ve tahsilat oranının başına zaman belirleyin. tokalaşma radyo düğmesini etkinleştirin. Test parametreleri sekmesini logaritmik veya lineer tarama seç - radyo düğmesi yeşil ise, nokta N sayıda bir listesi logaritmik maksimum kesme oranına kesme oranında en az bir mesafede olacaktır.
    4. istenirse "Ayrık Değerler" sekmesi yoluyla ayrık kayma oranları ve süreleri belirleyin. Frekans noktalarının sayısını, frekans minimum ve frekans maksimum varsayılan seçin. zamana bağımlı sıklığını ayarlayın - tüm kesme hızları için istenen zamana bağımlı frekansı belirtir. Denge durumuna zamanı ayarlayın - sabit bir frekanstan kod dielektrik parametreleri ölçmek süreyi ayarlarHer bir kesme hızı için bir zaman fonksiyonu olarak uency.
    5. Sinyal tipi ve genliği belirtin. ortalama döngü sayısı ve ölçüm zamanı belirtir.
  2. SANS bilgisayarda autoLogging açın. SANS yapılandırmayı ayarlayın. yapılandırmasını seçin ve kod kayma hızı listesi içinde ihtiva edilen toplam süre en az 1 dakika daha uzun olması süresini belirtir.
    Not: düzenleme sağlandığında VIPER'ın o değiştirmek için veri toplama kartından analog sinyal bekliyor olacak gösterir "dio Statini 16" okumalısınız.
  3. Reometre kontrol yazılımı yapılandırılması. Deney sekmesinde, "Usul" basın "Açık Prosedürü Dosya" menüsünü aşağıya bırakın. "Dielektrik RheoSANS Script Dosyası" etiketli prosedürü dosyasına gidin. O reometreyi olun deneyi yürütmek için hazırdır.
  4. SANS hazır olduğunda, kontrol yazılımı yapılandırıldığı ve reometre devam uyarıcısı sağlamakrol yazılım komut dosyası açık iken, "Parametreler Seti". Bu belirtilen deney yürütme tetikler ve tüm veriler önceden programlanmış numune çalışması boyunca kaydedilmelidir.

Deney 9. sonu

  1. nötron demeti ve devre dışı otomatik günlüğü kapatın. örnek boşaltın ve reometre dielektrik kap ve çekül tertibatları çıkarın. Motor hava yatağı koruyucusu takın ve transdüser kilitleyin.
  2. bilgisayar, LCR metre ve reometre güç kaynakları aşağı güç. Hava hattını ayırın. Tüm BNC kablolarını sökün ve reometrelerinin üzerine vinç kaldırma yeniden yükleyin.
  3. kesilmiş burnunu kaldırın. reometreyi en vinç adaptörünü yeniden yükleyin. Tablodan reometreyi kaldırın ve kabloların untangled kalmasını sağlamak reometre masaya yerleştirin.

Şekil 1
Şekil 1:. A.) - Co e) Resimleri SANS beamline ve Reometre gerekli ait mponents Etiketli ve aşağıda tanımlanmıştır beamline üzerinde Reometre Yüklenir. Bu rakamın büyük halini görmek için buraya tıklayın.

şekil 2
Şekil 2: Aşağıda Etiketler tanımlama Şartlara Resimleri Bileşenlerinin Dielektrik RheoSANS Geometri. Bu rakamın büyük halini görmek için buraya tıklayın.

Şekil 3,
Şekil 3: Dielektrik RheoSANS Geometri ve e üzerine Kayma-halkasını Kurulması için Prosedürün a.-d.) Resim) Tamamen Montajlı Dielektrik RheoSANS Geometri resmi..ove.com/files/ftp_upload/55318/55318fig3large.jpg" target = '_ blank'> bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 4,
Şekil 4: Fırın Geometri ve Dielektrik RheoSANS Geometri yoluyla Işın Yolu şematik. Bu rakamın büyük halini görmek için buraya tıklayın.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Bir dielektrik RheoSANS deneyden Örnek sonuçlar Şekil 5 ve 6'da gösterilmiştir. Bu veriler, propilen karbonat, iletken karbon siyahının bir süspansiyona alınır. Bu agregalar nedeniyle elektriksel olarak iletken olan jeller oluşturan nispeten düşük katı yüklerde çekici etkileşimler için çökeltilmiş. Böyle süspansiyonlar reolojik ve iletkenlik yanıtları araştırmanın aktif alanıdır ve güncel araştırmalar bu ölçümlerin mikro kökenlerini anlamaya çalışıyoruz. Dielektrik RheoSANS alet benzersiz bir şekilde, örneğin, bir yarı-katı elektrokimyasal akış hücresi gibi bir uygulama bulunanlara benzer deformasyon maruz olarak aynı anda bir materyalin elektriksel ve mekanik özellikleri sondalar olarak bu soruyu uygun bir araçtır. Bu tür bir hücre içinde karbon karası formları flo hacimsel iletkenlik sağlar iletken katkı maddesikanat elektrotlar.

prosedürde açıklanan deney, kesme oranı zaman belirli bir süre için her bir kesme hızında tutan bir minimum değere maksimum bir değerden logaritmik basamaklı bir akış tarama testi, maruz gibi iletken bir malzeme test etmek için tasarlanmıştır. Reoloji, dielektrik verileri ve nötron saçılımı Bu deneysel dizisinin sırasında sürekli olarak ölçülmektedir. dielektrik RheoSANS, deney tamamlandıktan sonra, veriler üç bağımsız formatta depolanır. SANS veri dedektörü ve x, tespit edilmiş olan ilgili pikselin y konumu her nötron geliş zamanı listesini ihtiva eden detektör tarafından oluşturulan bir ikili bir dosya bir olay modu dosyası olarak depolanır. Reoloji verileri ayrı bir veri dosyası olarak reometre kontrol yazılımı içinde saklanır ve ilgili reolojik parametreleri içeren bir sütun ayrılmış metin dosyası olarak ihraç edilebilir (yani 20 SANS ham ölçülen sinyaller, reometresi ve LCR metre kesme hızı ve hem zaman hem de bir fonksiyonu olarak yeniden yapılandırılabilir.

Ham sinyalleri sıralanır sonra, bilinen reolojik ve elektrik hücre sabitleri kullanılarak ve s kullanılarak düzeltilirtandard SANS azaltma yöntemleri. Dielektrik veri düzeltme ve analiz prosedürü, her bir frekans ve kesme hızında açık ve kısa devre ölçümleri çıkardıktan sonra, Şekil 5a'da gösterilmektedir. Bir kez dielektrik sinyalleri frekansına karşı empedansın gerçek ve sanal bileşenlerine dönüştürülür düzeltildi. Şekil 5a'da, kararlı kesme geçiren bir 0.08 ağırlık fraksiyonu Vulcan XC72 örnek dielektrik ölçüm Nyquist temsili bir planıdır satın son 900 saniye boyunca ortalama vardır. Nyquist temsilinde, empedansın gerçek ve karmaşık parçaları birbirine karşı parametrik çizilmiştir. En sol grafiği üzerinde, veri noktaları logaritmik ölçümü sarı düşük erişilebilir frekansı (20 Hz) temsil eden en yüksek frekansa (20 MHz) ve siyah temsil eden alınmış edildiği frekansı ile renklendirilen edilir. Orta arsa, örnek başvurudan Y *, ya tersi olarakkompleks empedansı Z *, frekansa göre çizilir. Bu sabit bilinen hücre, λ ile normalize edilir ve numune iletkenliği ve elektrik duyarlılık başvuru hayali ve gerçek bileşenler olarak tanımlanmıştır. Bu normalize örnek yanıt 2πƒε 0 başvuruda bölünmesiyle, karmaşık dielektrik, ε * dönüştürülebilir. Son olarak, bir Havriliak-Nagami Relaxation bir miktar ve elektrot kutuplaşma etkilerinden sorumlu olan bir sabit faz elemanı olarak dielektrik yanıt modelinin kulanılması ile örnek yanıtın kompleks geçirgenliği uygun. 20

Şekil 5,
Şekil 5: Dielektrik veri analizi) Özet. Doğru frekansı vs İletkenlik ve duyarlılık,:: sol Nyquist temsil, orta frekansa karşı kompleks geçirgenlik - dielektrik. modeli elektrot polarizasyonu ve Havriliak-Negami gevşeme, verilerin üstüne bindirilmiş gösterilen b) SANS veri analizi Özeti sorumludur; Sol: I (S) 0,08 ağırlık fraksiyonu Vulcan XC72 1 rad / s kesme hızında, orta son 900 s için ortalama (Q) bir numunesi, P seyreltmek için makette uyum, sağ: örnek yapı faktörü, S (Q) = I (S) / (A ·, P (S)) - kırmızı daire verileri en az yapı faktörü derinliği, D 0 elde etmek üzere ortalaması alınmaktadır S konumlu pozisyonu belirtmektedir. Bu rakamın büyük halini görmek için buraya tıklayın.

Ham etkinlik modu veri I (S x, y-Q) temsil eden iki boyutlu bir SANS detektör üzerine zamana karşı histogrammed edilir. Bu ham sinyal yoğunluğu daha sonra, boş bir hücre için düzeltilir, kiriş bloke olur ve iletim ve absolu dönüştürüldübirim cm te ölçekli -1. bu düzeltmelerin sonra mutlak yoğunluk kesme hızı ve zamanın bir fonksiyonu olarak çizilebilir. Şekil 5b'de, soldaki Q, X ve Q, y karşı iki boyutlu indirgenmiş saçılma yoğunluğu çizilir. ortasında biz aynı Q aralığında seyreltik karbon siyah süspansiyon içine model uygunluğundan bir çarpanı, A, ölçeklenmiş bir biçimi vardır, P (S), arsa. Daha sonra örnek ihtiva fraktal karbon siyahları, agregat arasındaki etkileşimler için bir görünür yapı faktörünü temsil eder, S (Q) elde etmek için bir P * (S) I (Q) bölün. Sonraki iki boyutlu S (Q) arsa az erişilebilir Q değerleri ile entegre = 0.0015 A -1 fraktal agrega arasındaki belirgin itici etkileşimin bir tahmindir D 0, hesaplamak için kullanılır. Bu sonuç, daha sonra bir eşdeğer sabit küresel hacim fraksiyonu dönüştürülür.

Bu yaklaşımı kullanarak,kararlı durum verisi, her bir kesme hızında analiz edilebilir ve Şekil 6'da gösterildiği gibi, yapısal analiz ve dielektrik analizi hem sonucu ekstre parametreler uygulanan kesme hızı ve reolojik kesme stresinin bir fonksiyonu olarak çizilebilir. Ayrıca önemli mikro geçişler işaretlemek ilgi birkaç kesme oranları için iki boyutlu S (Q) verileridir çizilen. Bu değerler her Couette içinde aynı bölgeden aynı zamanda ölçülmüştür, çünkü bunlar doğrudan karşılaştırılmıştır ve ilişkili olabilir. Bu iletkenlik, κ LF ve etkin hacmi fraksiyonu geçişler daha çarpıcı, φ kesilme baskısı bölgesinde I-II geçiş belirler sünme stresi aştığında HS, stres artması anlamına gelir edilir. Bu geçiş, her iki HS ve makroskopik jel elde ile ilişkilidir vek LF azalma cp. kesme oranı daha da artmıştır gibi,viskozitede açık bir artış ve HS azalmaya devam φ ise κ LF artar ile gösterildiği gibi örnek kesme kalınlaşır. Bu geçiş bölgesi II-III ile işaretlenir. konsantre koloidal süspansiyonlar, kesme koyulaştırıcı birincil karbon siyahı parçacıkları etrafında dökme sıvı akışı tarafından uygulanan hidrodinamik etkileşimlerin bir sonucu olarak meydana büyük yapıların oluşumu ile ilişkilidir. Bu hidrodinamik kuvvetler agregalar birlikte iletkenlik ve viskozite ani bir artışla sonuçlanır çizin.

Şekil 6,
Şekil 6: En: iki boyutlu S (Q) kesme örnek, alt önemli mikro geçişleri gösteren oranlarda araziler: reolojik (kesme stresi) özeti, dielektrik (statik geçirgenlik ve düşük frekanslı iletkenlik) ve SANS parametreleri (SCA uygulanan kayma hızının bir fonksiyonu olarak le faktörü ve etkili hariç hacim fraksiyonu). çıkarlarının bölgeler I-III olarak işaretlenir. Bölge I, yavaş gitme bağlantılı bir ağ yapısını korur. tümü II, jel makroskopik olarak genel iletkenliğinde bir düşüşe yol elde edilir. bölgede III, kümelenme sonuçlanan bir görünür kesme kalınlaşması ve iletkenliğinin bir artış vardır. Hata çubukları, ortalamanın bir standart sapmasını temsil eder. Bu rakamın büyük halini görmek için buraya tıklayın.

Bu geometri içindeki deformasyon kontrollü reometre ile yeniden üretilebilir, öyle ki 8, - Şekil 2 'de görülen dielektrik RheoSANS geometrisi temel bileşenlerinden teknik şematik Ek, Şekil 1' de verilmiştir.

obilyaları 1" src = "/ files / ftp_upload / 55318 / 55318supfig1.jpg" />
Ek Şekil 1: Dielektrik Kupa Adaptörü Teknik şematik. Bu rakamın büyük halini görmek için buraya tıklayın.

Ek Şekil 2
Ek Şekil 2: Dielektrik Kupa Duvarı'nın Teknik şematik. Bu rakamın büyük halini görmek için buraya tıklayın.

Ek Şekil 3
Ek Şekil 3: Dielektrik Bob Wall Teknik şematik. Lütfen buraya tıklayınız Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için.

Ek Şekil 4
Ek Şekil 4: Dielektrik Bob şaft Teknik şematik. Bu rakamın büyük halini görmek için buraya tıklayın.

Ek Şekil 5
Ek Şekil 5: Dielektrik Bob Cap Teknik şematik. Bu rakamın büyük halini görmek için buraya tıklayın.

Ek Şekil 6
Ek Şekil 6: Dielektrik Bob Kurul Teknik şematik.tp: //ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55318/55318supfig6large.jpg" target = '_ blank'> bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Şekil 7
Ek Şekil 7: Kayma halkası Adaptör Teknik şematik. Bu rakamın büyük halini görmek için buraya tıklayın.

Ek Şekil 8
Ek Şekil 8: Karbon Fırça Adaptör Teknik şematik. Bu rakamın büyük halini görmek için buraya tıklayın.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

eş zamanlı olarak bir dielektrik RheoSANS deney ölçer önceden tanımlanmış bir deformasyona maruz gibi bir malzemeden, reolojik elektrik ve mikro tepkiler. Burada gösterilen örnek elektrokimyasal akış birimlerinde kullanılan iletken katkı maddesi oluşturan bir elektriksel olarak iletken bir karbon siyahı süspansiyondur. Dielektrik RheoSANS alet ya elektrikli ya da reolojik ölçüm doğruluğunu ödün vermeden dar bir boşluk Couette hücre içinde kesme radyal düzlemin sorgulama sağlar. Buna ek olarak, geometrisi kesme stresi, iletkenlik ve dielektrik sabiti, içsel değişkenleri uygun kaynaklarına, ham sinyalleri, tork, direnç ve faz kaymasının dönüşüm sağlar. zamana bağlı ve kesme hızı bağımlı Rheo elektro-yapısal özellikleri kaydedilir ise kesme oranı logaritmik bir minimum değer bir maksimum değerden adımlı olduğu zaman, bu prosedürde açıklanan deneyde, bir akış tarama gerçekleştirilir. bu ölçümünden, mikro ve verimleri olarak karbon karası jel iletkenliğinin evrimini incelemek mümkündür ve daha sonra makroskopik akış maruz kalır. Çünkü aynı anda dielektrik ölçüm biz eriyen kadar denge bu jelleşmiş malzemelerde iletim kaynağını araştırmak mümkün. 20 bir akış tarama yapılabilir voltaj testi sadece bir türü ve geometrisi potansiyel zamana bağlı kesme profil geniş bir aralığını kapsamak için bir tasarımdır. Bu sonuçlar, düşük viskozite, yüksek iletkenlik sıvıların formüle kılavuz akış pil elektrotları performansını geliştirmek için bir potansiyele sahiptir. 21

dielektrik RheoSANS deneyinin kritik sağlayan bileşeni her üç ölçümün senkronizasyon olduğunu. Senkronizasyon üç ölçüm özellikleri zaman ve kesme hızının bir fonksiyonu olarak karşılaştırılmasına olanak tanır. Bu sayesinde mümkün olmaktadıralogue nötron varış saati içinde kayma oranındaki geçişleri kodlar protokolü tetikleme. Bu protokol varış zamanı ve algılanan her nötronun piksel konumunu sürekli listesini oluşturur SANS dedektör olay modu edinimini patlatır. detektör saat zaman analog tetikleyici, 5 V amplitüd ile 10 ms'lik bir darbe kullanılarak sıfırlanabilir. Bu, o liste içinde nötronların mutlak varış zamanını sıfırlar. Yukarıda belirtilen protokol bu saat, motor ve her bir kesme hızında arasında açık an yeniden sağlar. Bu senkronizasyon protokolü kullanıcı 100 ms'lik bir zaman çözünürlüğe numunenin mikro evrim sulandırmak için izin verir. Bu yöntemin önemli bir sınırlama anda bir satın alma sırasında dedektör konumunu değiştirmek için bir yolu yoktur olmasıdır. Bu nedenle, sadece tek bir dedektör pozisyonu belirli bir deneysel protokol için elde edilebilir. Bu hem Reometredeki yaklaşan yazılım değişiklikleri ile iyileştirilecektirkontrol protokolleri gibi SANS alet işlemleri.

Bu yeni cihaz tarafından sağlanan sonuçlar, deformasyona maruz elektriksel olarak aktif koloidal malzemeler sorgulamak için yeni bir yol açılır. Rheo-elektrik, Rheo-SANS ve dielektrik SANS geometrileri mevcut aksine, burada tarif edilen dielektrik RheoSANS geometrisi isteğe bağlı, uygulanan kesme alanları altında eş zamanlı dielektrik-SANS ölçüm kapasitesine sahiptir. Bu teknik sadece elektrokimyasal akış hücrelerine alaka ancak, yakıt hücre elektrotlanyla ve malzeme makroskopik kesme çözümleri devlet ve denekten işlenir diğer elektronik cihazlar gelişimini sahiptir. 22, 23, 24 araç aynı zamanda mekanik özellikler uygulanan bir elektrik alanı vasıtasıyla tahrik edilebilir malzemenin araştırılmasına önemi vardır. Tüm bu uygulamalar, potansiyel olarak flexibl sayesinde incelenebilirE, bu, kodlama ve her bir test protokolü yürütülmesini senkronize etmek için yöntemi.

Çalışma, bir dielektrik RheoSANS deneyi yürütme ve malzeme daha geniş bir aralığı için yeni test yöntemleri oluşturmak için protokoller geliştirmek için devam etmektedir. Ayrıca, geliştirilmiş atmosferik kontrol fırın tasarımı ve fırın ortamında pencere malzemesinin yaklaşan değiştirilmesi iyileştirilmesi ile sağlanacaktır. Bu uçucu sıvıların uzun süre deneyleri mümkün hale getirecek bir etkin solvent tuzak tasarımı içerir. Yaklaşan fırın işletim RheoSANS enstrümanlar gösterilmiştir kesme teğet düzlemine söz erişimini tasarımları, ancak şu anda dielektrik RheoSANS enstrümanın bir test edilmiş ve kanıtlanmış yetenek değildir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarlar ifşa hiçbir şey yok.

Acknowledgements

Yazarlar, bu süre de Ulusal Araştırma Konseyi gibi destek sırasında Nötron Araştırma MSS numaralı işbirliği anlaşması # kısmi finansmanı için 70NANB12H239 hibe NIST Merkezini kabul etmek istiyorum. Bazı ticari ekipman, alet veya maddeleri yeterince deneysel prosedür belirtmek amacıyla bu yazıda tanımlanır. Böyle kimlik Standartlar ve Teknoloji Ulusal Enstitüsü tarafından öneri veya onayını ima etmek amaçlanmamıştır, ne de malzeme veya belirlenen teçhizat mutlaka bir amaç için mevcut en iyi olduğunu ima etmek amaçlanmıştır.

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