Dielektriske RheoSANS - Samtidig Forespørgsel, Impedans, Rheology og Small Angle Neutron Scattering af væsker

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

Her præsenterer vi en fremgangsmåde til måling af samtidige impedans, rheologi og neutronspredning fra bløde stof materialer under shear flow.

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

En fremgangsmåde til drift af et nyt dielektrisk RheoSANS instrument stand til samtidig forespørgsel af de elektriske, mekaniske og mikrostrukturelle egenskaber af komplekse fluider præsenteres. Instrumentet består af en Couette geometri indeholdt i en modificeret tvungen konvektion ovn monteret på en kommerciel rheometer. Dette instrument er til rådighed til brug på den lille vinkel neutronspredning (SANS) beamlines ved National Institute of Standards and Technology (NIST) Center for Neutron Research (NCNR). Den Couette geometri er bearbejdet til at være transparent for neutroner og tilvejebringer måling af de elektriske egenskaber og mikrostrukturelle egenskaber af en prøve indesluttet mellem titanium cylindre medens prøven undergår vilkårlig deformation. Synkronisering af disse målinger er aktiveret ved anvendelse af et indstilleligt program, der overvåger og kontrollerer gennemførelsen af ​​forudbestemte forsøgsprotokoller. Beskrevet her er en protokol tiludføre en strøm sweep eksperiment, hvor forskydningshastigheden er logaritmisk aftrappet fra en maksimal værdi til en minimal værdi falder ved hvert trin i en specificeret tidsperiode, mens frekvensafhængige dielektriske målinger foretages. Repræsentative resultater er vist fra en prøve bestående af en gel sammensat af kønrøgaggregater dispergeret i propylencarbonat. Som gelen undergår konstant forskydning, carbon black netværk er mekanisk deformeret, som forårsager en indledende fald i ledningsevne i forbindelse med brydning af bindinger, der omfatter carbon black netværk. Ved højere forskydningshastigheder, genindvinder ledningsevnen forbundet med indtræden af ​​shear fortykkelse. Samlet viser disse resultater anvendeligheden af ​​den samtidige måling af RHEO-elektro-mikrostrukturelle egenskaber af disse suspensioner ved hjælp af dielektriske RheoSANS geometri.

Introduction

Måling af makroskopiske egenskaber anvendes ofte til at få grundlæggende indsigt i karakteren af ​​kolloide materialer og selvsamlende systemer, som regel med det mål at udvikle forståelse for at forbedre formulering ydeevne. Især inden for rheologi, som måler et fluid dynamiske respons på en påført belastning eller deformation, tilvejebringer værdifuld indsigt i kolloid adfærd både under ligevægtsbetingelser og også langt fra ligevægt, såsom under bearbejdning 1 Reologiske tests af forbruger- og industrielle væsker, geler og briller kan også anvendes til at måle rheologiske parametre, såsom viskositet, der er målrettet formuleringsvirksomhederne. Mens rheologi er en kraftfuld sonde af materialeegenskaber, er det en indirekte måling af kolloidt information på det mikroskopiske niveau, således at vores forståelse af grundlæggende kolloid opførsel kan stærkt forøget ved kombination af rheologiske målinger med complementary teknikker.

En sådan ortogonal teknik er impedans spektroskopi. Impedansspektroskopi er en bulk sonde af dielektrisk afslapning adfærd, som måler respons af et materiale på et påtrykt oscillerende elektrisk felt. 2 impedansspektrumssignalerne resultater fra elektriske afslapning tilstande, der er aktive inden materialet, herunder ladningstransport og polarisering. 3, 4 Disse målinger giver yderligere bevis for kolloid opførsel især når de kombineres med rheologi. 5 Derfor er kombinationen af disse teknikker er især relevant, når probing ladede kolloide dispersioner, proteiner, ioniske overfladeaktive midler, nanokompositter og andre systemer. 6, 7

En grundlæggende interesse i undersøgelser af kolloid opførsel er materialets microstruc Ture. Mikrostrukturen af ​​en kolloid væske menes at kode for alle de nødvendige oplysninger til at rekonstituere både dens rheologiske og elektrisk opførsel. Fundamentalt, søger vi at måle et øjebliksbillede af de nanostørrelse mikrostrukturelle funktioner, der fører til en målt materiale respons. På grund af den komplicerede karakter af mange komplekse væsker afhængighed af deres proces historie, en stor del af indsatsen på mikrostrukturelle karakterisering har fokuseret på at gøre in situ målinger af materialet, som den undergår deformation. Dette har udfordret eksperimentalister at udtænke metoder til at kunne foretage målinger af partikler i nanostørrelse under for eksempel konstant forskydning, hvor hastighederne af partiklerne har gjort direkte visualisering uløseligt udfordrende. Direkte måling af materiale mikrostruktur under strømning har taget mange former lige fra RHEO-optik, RHEO-mikroskopi og endda RHEO-NMR. 8, 9,ass = "xref"> 10 Små vinkel spredende fremgangsmåder, særlig lille vinkel neutronspredning (SANS) teknikker, har vist sig effektive til at måle den tidsgennemsnitlige mikrostruktur af prøver ved steady state i en bulk felt shear herunder alle tre planer klippe. 11, 12, 13 har imidlertid nye datafangst teknikker tilladt strukturelle transienter, som skal tages med tidsopløsning så fint som 10 ms. 14 Faktisk kombinerer rheologi med forskellige in situ sprednings- metoder har vist sig uvurderlig i hundredvis af nylige undersøgelser. 15

En ny teknisk udfordring er anvendelsen af ​​kolloide suspensioner som ledende additiver i halvfaste flow batterielektroder. 16 I denne ansøgning skal ledende kolloide partikler opretholde et elektrisk Perkoleret netværk medens material pumpes gennem en elektrokemisk gennemstrømningscelle. Kvalitetskravene krav til disse materialer kræver, at de opretholder høj ledningsevne uden skadelig virkning på rheologiske ydeevne over et bredt område af forskydningshastigheder. 17. Det er derfor meget ønskeligt at være i stand til at foretage målinger af den kolloide adfærd under stabile og tidsafhængige forskydningsbetingelser for at kvantificere og karakterisere den underliggende rheologiske og elektriske reaktion af disse materialer langt fra deres ligevægtstilstand. En væsentlig komplicerende faktor, som har hindret yderligere teoretisk udvikling i denne henseende er den thixotrope egenskab af carbon black-opslæmninger. 18 Disse afhængig historie rheologiske og elektriske egenskaber gør eksperimenter notorisk vanskelige at reproducere; således, hvilket gør det vanskeligt at sammenligne datasæt målt under anvendelse af varierende protokoller. Desuden til dato er der ingen enkelt geometri stand til at udføre alle tre, Dielectric, reologiske og mikrostrukturelle karakteriseringer, på samme tid. Samtidige måling er vigtigt, da strømningen kan ændre strukturen, således at resten målinger af forarbejdede materialer ikke kan tilvejebringe nøjagtige angivelser af egenskaber under flow, som er mere relevante for deres anvendelse. Desuden, som mange af de målte egenskaber af carbon black opslæmninger er geometri afhængig, der er komplikationer med at sammenligne data opnået fra den samme prøve på forskellige instrumenter. 19

For at imødegå denne udfordring i metrologi, har vi udviklet et nyt dielektriske RheoSANS geometri på NIST Center for Neutron Forskning og University of Delaware i stand til in situ impedansspektroskopi, rheologi og SANS målinger af et materiale under vilkårlig deformation på kommerciel stamme kontrolleret rheometer. Dette muliggøres ved at udvikle en Couette geometri stand til at måle mikrostrukturelle, elektril og rheologiske reaktion af et materiale indesluttet mellem mellemrummet af to koncentriske cylindre. Som den ydre cylinder roterer, er drejningsmoment pålagt af deformation af prøven målt på den indre cylinder og impedansen målingen foretages radialt over gabet. Cylindrene er bearbejdet af titan således at være transparent for neutroner og robust nok til at modstå forskydningsspænding oplevet i rheometeret. Vi udfører SANS målingen gennem den radiale position af den Couette, og har vist, at det er muligt at måle høj kvalitet SANS mønstre fra prøven undergår deformation. På denne måde, er alle tre målinger foretaget på den samme region af interesse i prøven, idet den gennemgår en veldefineret deformation profil. Målet med denne artikel er at beskrive det dielektriske Couette geometri, dets installation på RheoSANS instrument, og den vellykkede gennemførelse af en samtidig måling. Denne rheometer er tilgængelig på NIST Center for NeutronForskning ved National Institute of Standards and Technology. Den er designet til at arbejde på NG-7 SANS stråle linje. Vi har leveret tegninger og en detaljeret beskrivelse af de brugerdefinerede komponenter, der er blevet bearbejdet og samlet, således at denne måling.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Montering af Rheometer på SANS Beamline

BEMÆRK: Se figur 1 for definitioner af navngivne komponenter.

  1. Sikre, at strømmen til rheometer er slukket, transduceren er låst og motoren luftleje beskytter er installeret. Sluk for neutronstrålen, og luk ovndøren.
  2. Installer den store bundplade på bordet, fjerne snuden, installere vinduet, og fastgør de 4 øjer til monteringsbeslagene på Rheometerets kran adapter sådan, at kablerne ikke filtrer og ikke snoet.
  3. Ved hjælp af kranen, skal du løfte rheometer og manøvrere den fra rheometer bordet for at være centreret på bordet med LCD-skærm rheometrets vender udad, idet man lede kablerne for at minimere sammenfiltring.
  4. Brug af SANS kontrol software, sende bordet til et minimum Z-position.
  5. Fjern rheometre kran adapter og løft væk fra platformen ved hjælp af crane.

2. Dielektrisk Cell Assembly

BEMÆRK: Se figur 2 for definitioner af navngivne komponenter.

  1. Sikre, at strømmen til rheometer er slukket, transduceren er låst og motoren luftleje beskytter er installeret. Før brug rengøres dielektriske kop og bob samlinger ved hjælp detergentopløsning efterfulgt af flere deioniseret vand skylninger, og lad det tørre helt.
  2. Åbn ovnlågen, låse transduceren og fjern motorleje lås. Montere den dielektriske geometri og dielektriske bob samling på de øvre og nedre værktøj mounts af rheometeret. Løsne begge sætskruer på det dielektriske geometri anvendelse af en 2-mm unbrakonøgle og placere det dielektriske hætteenheden således at den er monteret på det dielektriske geometri.
  3. Brug af rheometer styresoftware heraf nul mellemrummet fra drop-down menu prøvegeometri, og anvende 10 N normalkraft under anvendelse den aksiale kraft rullemenu. Under kompression, stramme skruerne ved hjælpen 3-mm unbrakonøgle, indtil det dielektriske hætteenheden er helt fastgjort til det dielektriske geometri.
  4. Indstil afstanden til målingen kløft ved hjælp af rheometer kontrol software, og luk ovndøren. Sikre, at ovnen fuldt ud kan omslutte dielektriske celle med tilstrækkelig lodret frigang på toppen og bunden af ​​geometrien. Hvis der er behov en højdejustering, justere stilleskruen således at ovnen kabinet passer med tilstrækkelig tolerance omkring det dielektriske celle. Tilstrækkelig clearance opnås når det dielektriske geometri passer i ovnen og kan undergå en fuld omdrejning uden at røre ovnens vægge.
  5. Fjerne både den dielektriske bob samling og det dielektriske hætteenheden / dielektriske geometri som et stykke og erstatte med rheometeret opretningsværktøj på den nedre værktøjshovedet.

3. Installer Slip Ring

BEMÆRK: Se figur 3 for trin-for-trin billedlig sammenfatning.

  1. Installere wiren baffel på akslen afdet dielektriske geometri og forbinde det dielektriske cup stik til slæbering stik.
  2. Hold slæberingen så det er koncentrisk med akslen af ​​den dielektriske skålform / dielektriske geometri men over flangen på det dielektriske geometri. Placer slæberingen adaptere (x2), således at deres nobs indsætte i huller boret ind i det dielektriske geometri og deres base hviler på det dielektriske geometri flange.
  3. Skub forsigtigt slæbering over slip ring adaptere. Slip ringen skal glide ubesværet rundt slæberingen adaptere holder dem på plads.

4. Tilpasning af Rheometer

BEMÆRK: Se figur 4 for skematiske af strålegangen.

  1. Luk ovnen omkring rheometer justering værktøj. Installere den trunkerede snude og prøven åbningen (1 mm brede x 8 mm høje), og ved hjælp af rheometer styresoftware, indstille geometri forskydningsvinklen til 0,49 rad i motorstyringenDrop down menu.
  2. Brug af SANS instrument kontrol software, sikrer, at alle neutron guider fjernes, og åbn ovndøren, således at laseren er synlig. Udføre en grov opretning af rheometeret ved at ændre højde og vinkel af bordet fra SANS instrument kontrol software, så strålen passerer gennem ovnen og krydser gennem udskæringen i midten af ​​rheometer justeringsværktøj.
  3. Brug af SANS instrument kontrol software, justere højden af ​​bordet og dens rotation at optimere laserjustering. Bemærk rheometeret er rettet ind, når laserstrålen passerer gennem udskæringen i rheometeret opretningsværktøj med geometrien forskydning indstillet til 0,49 rad uden at krænke sine vægge og bjælken passerer gennem midterlinjen i ovnen.

5. Kalibrering af SANS Instrument

  1. Når den ønskede SANS instrumentkonfiguration er justeret af instrumentet videnskabsmand, måle den åbne stråle transmission,tom celle spredning, og mørke aktuelle spredningsmålinger.
    1. Udfør den åbne stråle transmissionsmåling ved at udføre en stråle transmissionsmåling ved den ønskede detektor position i 3 minutter.
    2. Udfør den tomme celle spredning måling ved at installere det dielektriske geometri og måle en spredning måling på det ønskede detektor position.
    3. Udføre mørkestrømmen spredning måling under anvendelse af en 3 mm tykt stykke af cadmium, der fuldstændigt dæmper fjernlys spredningssignal.

6. Tilslutning af elektriske komponenter

  1. Indstil afstanden ved hjælp af LCD-skærmen til 100 mm.
  2. Fjern rheometeret opretningsværktøj fra lukkematricen flange. Geninstallere dielektriske bob samling på den øvre værktøjshovedet og det dielektriske hætteenheden / dielektrisk geometri / slæberingskonstruktion på det nedre værktøj hoved som et stykke og re-nul hullet.
  3. Sikre, at kulbørsteenheden er sikkerd til kulbørsten adapter med skruer, og fastgør kulbørsten adapter og kulbørsteenheden til rheometeret med skruer. Sikre, at kulbørsterne på kulbørsteenheden passe sammen med de rillede metalringe af slæbering. Dette sikrer opretholdelse af den elektriske kontakt.
  4. Forbinde de kvindelige pin stik på kulbørsteenheden og det dielektriske bob samling på de mandlige pin stik af den øverste og nederste samleskinner hhv. Sikre, at de mærkede afskærmet BNC kabler er tilsluttet samleskinnerne og afsluttes på den LCR meter er installeret i deres tilsvarende BNC stik.
  5. Tilslut BNC-kabel mærket "TO SANS" til BNC-kabel tilsluttet til DAQ-kort mærket "AO0". Tilslut BNC-kabel mærket "FRA SANS" til BNC-kabel tilsluttet til DAQ-kort mærket "AI0". Tilslut BNC-kabel mærket "trigger" til BNC-kabel tilsluttet til DAQ-kort mærket "AO1". TilslutBNC-kabel tilsluttet til 15 polet stik på bagsiden af ​​rheometer til BNC kabel mærket "AI3". Sørg for, at LCR meter og rheometer kommunikerer med styreenheden.

7. Forberedelse af instrumentet til en måling

  1. Åbne ovn, indstille afstanden til 100 mm, og belastning 4 ml af carbon black dispersion i propylencarbonat i temperatur ækvilibreret dielektriske bægersamling, idet man minimere prøve efterladt på bægeret væg.
  2. Sænk geometri til 40 mm ved hjælp af den forreste LCD-skærmen. Indstil hastigheden på rheometer kontrol software ved hjælp kontrolindstillinger motoren til 1 rad / s. Brug af dræbte option på rheometer, sænke dielektriske bob samling indtil afstanden afstanden er ved 0,5 mm.
  3. Ved hjælp af udstyr softwaren, gå til dielektrisk geometri måling hul, og sæt motoren hastighed på rheometer kontrol software ved hjælp kontrolindstillinger motoren til 0 rad / s. På dette stadium er prøven belastningred.
    Bemærk: Kontroller prøve påfyldningsniveau en gang mere for at sikre, at prøven niveau fylder hele vejen op ad Couette væg uden overfyldning.
  4. Installere opløsningsmidlet fælde ved at fylde den indre dielektriske bob samling væg med det ønskede opløsningsmiddel og placere opløsningsmidlet fælde på randen af ​​dielektriske skålform.

8. Kørsel af Dielectric RheoSANS Experiment

  1. Konfigurer kode mærket "TA_ARES_FlowSweep.vi". En GUI vises med modificerbare felter, der angiver de eksperimentelle køre betingelserne for dielektriske RheoSANS eksperimentet. Sæt disse felter i følgende rækkefølge.
    1. Angiv en sti til logfilen til og basen navnet på logfilen. Kør koden ved at trykke på "Kør" pil knappen på menulinjen.
    2. Vælg rheologiske parametre - udgangs forskydningshastighed (25 rad / s), der sluttede forskydningshastighed (1 rad / s), antallet af forskydningshastighed point (6), og om de punkter bør være Logarithmically eller lineært i afstand (radio knappen). Vælg temperatur til 25 ° C i dette eksperiment. Vælg preshear forhold (hvis det ønskes, alternativknappen til "ON" aktivere) - i dette eksperiment, skal du bruge en 25 rad / s preshear til 600 s med en 300 s ventetid efter preshear skridt.
    3. Specificere tid pr forskydningshastighed og indsamlingsprocenten. Aktivér handshaking valgknappen. På fanen testparametre vælge logaritmisk eller lineær sweep - hvis radioknappen er grøn, vil en liste af N antal point logaritmisk afstand fra min forskydningshastighed til max forskydningshastighed.
    4. Specificere diskrete forskydningshastigheder og tider via fanen "diskrete værdier", hvis det ønskes. Vælg antallet af frekvens point, den mindste frekvens og den maksimale frekvens standard. Indstil den tidsafhængige frekvens - angiver den ønskede tidsafhængige frekvens for alle forskydningshastigheder. Indstil tiden til steady state - indstiller den tid, at koden vil måle dielektriske parametre til en fast frequency som en funktion af tiden for hver forskydningshastighed.
    5. Specificere signaltype og amplitude. Angive antallet af cyklusser til gennemsnittet og målingen tid.
  2. Tænd autoLogging på SANS computer. Indstil SANS konfiguration. Vælg den konfiguration, og angiv køre tid til at være mindst 1 min længere end den samlede tid, der er indeholdt i forskydningshastigheden listen i koden.
    Bemærk: Når der er opnået konfigurationen VIPER bør læse "dio stat 16", hvilket indikerer, at det vil stå klar til det analoge signal fra datafangst kortet til at ændre.
  3. Konfiguration af rheometer kontrol software. På fanen eksperiment, Tryk "Åbn Procedure File" i "Procedure" drop down menu. Naviger til den procedure fil mærket "Dielektrikum RheoSANS Script File". Sørg for, at rheometer er klar til at udføre eksperimentet.
  4. Når SANS er klar, sikre kontrol software er konfigureret og rheometer control-software script-fil er åben, skal du trykke på "Parametre Set". Dette udløser udførelsen af ​​den angivne eksperiment og alle data skal logges hele forprogrammerede prøve løb.

9. forsøgets afslutning

  1. Sluk for neutronstrålen og deaktivere auto-logning. Losse prøven og fjerne de dielektriske kop og bob samlinger fra rheometeret. Installer motoren luft bærende beskytter og lås transduceren.
  2. Power computeren ned, LCR-meter, og rheometer strømforsyninger. Afbryd luftledningen. Afbryd alle BNC kabler og geninstallere kranløft på rheometer.
  3. Afinstallere trunkerede snude. Geninstaller Rheometerets kran adapter. Løft rheometer fra bordet og placere på rheometer tabellen sikre, at kablerne forblive untangled.

figur 1
Figur 1:.. A) - e) Billeder af Co mponents af SANS Beamline og Rheometer nødvendigt at installere Rheometer på Beamline, der er mærket og defineret nedenfor. Klik her for at se en større version af dette tal.

figur 2
Figur 2: Billeder af komponenter Dielektrisk RheoSANS Geometri med etiketter Definition nedenstående vilkår. Klik her for at se en større version af dette tal.

figur 3
Figur 3: a.-d.) Billeder af proceduren til installation af Slip-ring på Dielektriske RheoSANS geometri, og e) Billede af Helt samlet Dielektrisk RheoSANS geometri..ove.com/files/ftp_upload/55318/55318fig3large.jpg" target = '_ blank'> Klik her for at se en større version af dette tal.

figur 4
Figur 4: Skematisk af strålegangen gennem Ovn Geometri og Dielektrisk RheoSANS geometri. Klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Repræsentative resultater fra en dielektrisk RheoSANS forsøg er vist i figur 5 og 6. Disse data er taget på en suspension af ledende carbon black i propylencarbonat. Disse aggregater flokkulere skyldes attraktive interaktioner ved relativt lave faststofindhold belastninger danner geler, der er elektrisk ledende. De rheologiske og ledningsevne responser af sådanne suspensioner er et aktivt forskningsområde og igangværende undersøgelser forsøger at forstå de mikrostrukturelle oprindelser af disse målinger. Den dielektriske RheoSANS instrument er et værktøj entydigt egnet til at behandle dette spørgsmål, da den prober samtidigt de elektriske og mekaniske egenskaber ved et materiale, idet den gennemgår deformationer ligner dem fundet i et program som i en halvfast elektrokemisk gennemstrømningscelle. I en sådan celle carbon black danner den ledende additiv, der tilvejebringer volumetrisk ledningsevne til flofløj elektroder.

Eksperimentet beskrevet i proceduren er designet til at teste et ledende materiale, idet den gennemgår en strøm sweep test, hvor forskydningshastigheden er aftrappet logaritmisk fra en maksimal værdi til en minimal værdi falder ved hver forskydningshastighed i en angivet tidsperiode. Rheology, dielektriske data og neutronspredning måles kontinuerligt under forløbet af denne eksperimentelle sekvens. Efter afslutning af et dielektrisk RheoSANS eksperiment, lagres dataene i tre uafhængige formater. SANS data lagres som en begivenhed tilstand fil, der er en binær fil genereret af detektoren indeholder listen over ankomsttidspunktet for hver neutron på detektoren og x, y den pixels stilling, hvor den blev opdaget. Rheologien data gemmes i rheometer kontrol software som en separat datafil og kan eksporteres som en søjle afgrænset tekstfil, der indeholder de relevante reologiske parametre (dvs. 20. Under anvendelse af denne fremgangsmåde, de rå målte signaler fra SANS, rheometer og LCR meter kan rekonstrueres som en funktion af både forskydningshastigheden og tid.

Efter råsignalerne sorteres, er de korrigerede anvendelse af de kendte reologiske og elektriske cellekonstanter og anvendelse standard SANS reduktionsmetoder. Dielektrisk data korrektion og analyseprocedure det er vist i figur 5a efter fjernelse af åbne og kortslutning målinger ved hver frekvens og forskydningshastighed. Når korrektion de dielektriske signaler konverteres til de reelle og imaginære komponenter af impedans som funktion af frekvens. I figur 5a, der er en afbildning af Nyquist repræsentation af dielektrisk måling af en 0,08 vægtfraktionen Vulcan XC72 prøve undergår konstant forskydning gennemsnit for de sidste 900 s af erhvervelsen. I Nyquist repræsentation er de reelle og komplekse komponenter af impedansen afbildet parametrisk mod hinanden. I den øverste venstre plot, er datapunkterne logaritmisk farvelagt ved den frekvens, hvor målingen foretages med gul repræsenterer den højeste frekvens (20 MHz) og sort er den laveste tilgængelige frekvens (20 Hz). I midten plot, prøven optagelse, Y *, eller det omvendte afkomplekse impedans, Z *, er afbildet mod frekvensen. Det normaliseres ved den kendte celle konstant, λ, og prøven ledningsevne og elektrisk følsomhed defineres som de imaginære og reelle komponenter af adgang. Denne normaliserede prøve reaktion kan omdannes til den komplekse permittivitet, ε *, ved at dividere optagelse af 2πƒε 0. Endelig passer vi den komplekse permittivitet af prøven reaktion ved anvendelse af dielektriske respons model som en sum af en Havriliak-Nagami afslapning og en konstant fase element, der tegner sig for virkningerne af elektrode polarisering. 20

figur 5
Figur 5: a) Opsummering af dielektrisk dataanalyse;. venstre Nyquist repræsentation, midten: Ledningsevne og modtagelighed vs frekvens, højre: kompleks permittivitet versus frekvens - dielektriskemodel udgør elektrode polarisering og Havriliak-Negami afslapning vist overlejret oven på data, b) Resume af SANS dataanalyse.; venstre: I (Q) fra 0,08 vægt fraktion Vulcan XC72 ved 1 rad / s gennemsnit for sidste 900 s af forskydningshastighed, midten: skaleret modeltilpasning at fortynde prøven P (Q), til højre: eksempelstruktur faktor, S (Q) = i (Q) / (A · P (Q)) - rød cirkel betegner Q-stillingen position, hvor data midles for at opnå den minimale struktur faktor dybde, S 0. Klik her for at se en større version af dette tal.

Den rå begivenhed tilstand data histogram med hensyn til tid på todimensionale SANS detektor repræsenterer I (Qx, Qy). Denne rå signalintensitet korrigeres derefter for den tomme celle, blokerede stråle, og transmission og konverteret til Absolute skala med enheder cm-1. Efter disse korrektioner, kan den absolutte intensitet plottes som en funktion af forskydningshastighed og tid. I figur 5b, til venstre, er den todimensionale reduceret spredningsintensitet versus Qx og Q y plottes. I midten plotte vi formfaktoren, P (Q), skaleret med en prefactor, A, af modellen passer til den fortyndede kønrøg suspension over en identisk Q-range. Vi derefter dele I (Q) ved A * P (Q) for at opnå S (Q), som repræsenterer en tilsyneladende struktur faktor for interaktionerne mellem de fraktale kønrøgaggregater, som omfatter prøven. Næste den todimensionelle S (Q) plot er integreret ved den minimale tilgængelige Q-værdi = 0,0015 A -1 for at beregne S 0, som er et estimat for den tilsyneladende frastødende vekselvirkning mellem fraktale aggregater. Dette resultat omdannes derefter til en ækvivalent fraktion hårdt sfære volumen.

Ved hjælp af denne metode, densteady-state data kan analyseres ved hver forskydningshastighed og de ekstraherede parametre, der skyldes både det strukturelle analyse og det dielektriske analyse kan afbildes som en funktion af den påtrykte forskydningshastighed og rheologisk forskydningsspænding som vist i figur 6. Også afsat er de to-dimensionen S (Q) grunde til flere forskydningshastigheder af interesse, som markerer vigtige mikrostrukturelle overgange. Fordi disse værdier måles alle på samme tid fra det samme område i Couette, kan de direkte sammenlignes og korreleret. Dette understreges af den omstændighed, at overgange i ledningsevne, κ LF, og effektiv volumenfraktion, φ HS, svarer med stigningen af stress, når forskydningsspændingen overstiger flydespændingen indflydelse af overgangen fra region I-II. I denne overgang, både Ø HS og κ LF fald som er forbundet med den til opnåelse af det makroskopiske gel. Som forskydningshastigheden forøges yderligere,prøven shear tykkere som indikeret ved den tilsyneladende stigning i viskositeten og de K LF stiger mens φ HS fortsætter med at falde. Denne overgang er præget af region II-III. Til koncentrerede kolloide suspensioner, er shear fortykkelse forbundet med dannelsen af ​​store strukturer, der dannes som følge af hydrodynamiske interaktioner pålagt af strømmen af ​​bulk væske omkring primære carbon black partikler. Disse hydrodynamiske kræfter trækker aggregaterne sammen resulterer i en pludselig stigning i ledningsevne og viskositet.

figur 6
Figur 6: top: todimensional S (Q) plottet forskydningshastigheder, der repræsenterer vigtige mikrostrukturelle overgange i prøven, bund: Sammendrag af rheologisk (shear stress), dielektrisk (statisk permittivitet og lavfrekvente ledningsevne) og SANS parametre (sca le faktor og effektiv fraktion udelukket volumen) som en funktion af påført forskydningshastighed. Regionerne interesser er markeret som I-III. I region I, krybning opretholder et sammenhængende netværk struktur. I region II, gelen makroskopisk udbytter fører til en nedgang i det samlede ledningsevne. I region III, der er en tilsyneladende forskydningshastighed fortykkelse resulterer i klyngedannelse og en stigning i ledningsevne. Fejlsøjlerne repræsenterer en standardafvigelse af gennemsnittet. Klik her for at se en større version af dette tal.

De tekniske Skema af de centrale elementer i den dielektriske RheoSANS geometri vist i figur 2 er tilvejebragt i supplerende figurerne 1 - 8, således at denne geometri kan reproduceres på lignende strain kontrolleret rheometre.

ure 1" src = "/ files / ftp_upload / 55318 / 55318supfig1.jpg" />
Supplerende Figur 1: Teknisk Skematisk af Dielektrisk Cup Adapter. Klik her for at se en større version af dette tal.

Supplerende Figur 2
Supplerende Figur 2: Teknisk Skematisk af Dielektrisk Cup Wall. Klik her for at se en større version af dette tal.

Supplerende Figur 3
Supplerende Figur 3: Teknisk Skematisk af Dielektrisk Bob Wall. Klik her for at se en større version af dette tal.

Supplerende Figur 4
Supplerende Figur 4: Teknisk Skematisk af Dielectric Bob Shaft. Klik her for at se en større version af dette tal.

Supplerende Figur 5
Supplerende Figur 5: Teknisk Skematisk af Dielektrisk Bob Cap. Klik her for at se en større version af dette tal.

Supplerende Figur 6
Supplerende Figur 6: Teknisk Skematisk af Dielektrisk Bob forsamling.tp: //ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55318/55318supfig6large.jpg" target = '_ blank'> Klik her for at se en større version af dette tal.

Supplerende Figur 7
Supplerende Figur 7: Teknisk Skematisk af Slip Ring Adapter. Klik her for at se en større version af dette tal.

Supplerende Figur 8
Supplerende Figur 8: Teknisk Skematisk af Børste Adapter. Klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Et dielektrisk RheoSANS eksperiment foranstaltninger samtidigt de rheologiske, elektriske og mikrostrukturelle responser af et materiale som den undergår en foruddefineret deformation. Det viste eksempel er en elektrisk ledende carbon black suspension, der danner den ledende tilsætningsstoffer, der anvendes i elektrokemiske flowceller. Den dielektriske RheoSANS instrument muliggør søgning i radialplan forskydning inden for et snævert mellemrum Couette celle uden at kompromittere pålideligheden af ​​enten elektrisk eller rheologiske måling. Derudover geometrien muliggør omdannelse af rå signaler, drejningsmoment, modstand og faseforskydning, til passende iboende variabler som forskydningsspænding, ledningsevne og permittivitet. I eksperimentet skitseret i denne procedure, er en strøm sweep udføres, når forskydningshastigheden er logaritmisk aftrappet fra en maksimal værdi til en minimumsværdi, mens registreres hastigheden tidsafhængig og forskydning afhængige RHEO-elektro-strukturelle egenskaber. Fra denne måling er det muligt at undersøge udviklingen af ​​mikrostruktur og ledningsevne af carbon black-gel som den giver, og undergår derefter makroskopisk flow. På grund af den samtidige dielektriske måling, er vi i stand til at probe oprindelsen af ​​ledning i disse gelerede materialer langt fra ligevægt som de smelter. 20 A flow sweep er netop en type potentiel test, der kan udføres, og geometrien er designet til at rumme en bred vifte af potentielle tidsafhængige shear profiler. Disse resultater har potentiale til at forbedre ydeevnen af ​​flow batterielektroder ved at styre formuleringen af ​​lavviskos, høj ledningsevne væsker. 21

En kritisk muliggør komponent af et dielektrisk RheoSANS eksperiment er synkroniseringen af ​​alle tre målinger. Synkronisering kan alle tre måleegenskaberne skal sammenlignes som en funktion af tid og forskydningshastighed. Dette er gjort muligt ved enalogue udløser, der omkoder overgange i forskydningshastigheden i neutron ankomsttid. Denne protokol udnytter begivenhed tilstand erhvervelse af SANS detektor, som genererer en kontinuerlig liste af ankomsttid og pixel position for hver neutron opdaget. Detektoren klokkeslæt kan nulstilles ved hjælp af en analog udløser, en 10 ms puls med en 5 V amplitude. Dette nulstiller absolutte ankomsttid af neutronerne inden for denne liste. Protokollen beskrevet ovenfor giver dette ur til nulstilles i det øjeblik motoren er tændt, og mellem hver forskydningshastighed. Denne synkroniseringsprotokol tillader brugeren at rekonstituere mikrostrukturelle evolution af prøven til en tid-opløsning på 100 ms. En vigtig begrænsning ved denne metode er, at i øjeblikket er der ingen måde at ændre detektor position i løbet af en overtagelse. Derfor kan kun en enkelt detektor position erhverves for en given forsøgsprotokol. Dette vil blive forbedret ved kommende software ændringer i både den rheometerkontrolprotokoller samt SANS instrument operationer.

De resultater, dette nye instrument åbne en ny vej til at afhøre elektrisk aktive kolloide materialer, som de undergår deformation. I modsætning til eksisterende RHEO-elektriske, RHEO-SANS og dielektriske-SANS geometrier, den dielektriske RheoSANS geometri beskrevet her er stand til samtidig dielektrisk-SANS måling under vilkårlige anvendt felter shear. Denne teknik har relevans ikke kun elektrokemiske flowceller men udviklingen af ​​brændselscelleelektroder og andre elektroniske anordninger, hvor materialer forarbejdet fra opløsninger tilstand og underkastet makroskopisk forskydning. 22, 23, 24 Instrumentet har også relevans for studiet af materialer, hvis mekaniske egenskaber kan aktiveres via et påført elektrisk felt. Alle disse programmer kan potentielt blive undersøgt i kraft af flexible design af dette instrument og metoden til synkronisering af udførelsen af ​​hver test protokol.

Arbejdes på at forbedre protokollerne til udførelse af en dielektrisk RheoSANS eksperiment og skabe nye testmetoder for en bredere vifte af materialer. Derudover vil forbedret atmosfærisk styring aktiveres med forbedring af ovnen design og kommende udskiftning af vinduet materiale inden i ovnen miljø. Dette vil omfatte en forbedret opløsningsmiddelfælde design, der vil gøre lang varighed eksperimenter på flygtige væsker mulig. Kommende ovn designs løfte adgang til den plan, der tangerer forskydning, som er blevet påvist i drift RheoSANS instrumenter, men er i øjeblikket ikke en afprøvet og dokumenteret evne til dielektriske RheoSANS instrumentet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgements

Forfatterne vil gerne anerkende NIST Center for Neutron Research CNS samarbejdsaftale nummer # 70NANB12H239 tilskud til delvis finansiering i denne periode, samt National Research Council for støtte. Visse kommercielt udstyr, instrumenter, eller materialer er identificeret i dette papir for at præcisere den eksperimentelle procedure tilstrækkeligt. En sådan identifikation er ikke beregnet til at antyde anbefaling eller godkendelse af National Institute of Standards and Technology, ej heller er det hensigten at antyde, at de materialer eller udstyr identificeret nødvendigvis er de bedste til rådighed til 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 

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