誘電RheoSANS - インピーダンス、レオロジー及び複雑流体の小角中性子散乱の同時尋問

Published 4/10/2017
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Summary

ここでは、せん断流動下ソフトマター材料からの同時インピーダンス、レオロジーおよび中性子散乱を測定するための手順を提示します。

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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).

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Abstract

複合流体の電気的、機械的及び微細構造的特性の同時問い合わせが可能な新たな誘電RheoSANS器具の操作のための手順が提示されます。器具は、市販のレオメータに取り付けられ変性強制対流オーブン内に含まクエットジオメトリから構成されています。この装置は、小角中性子散乱(SANS)中性子研究のための国立標準技術研究所(NIST)センター(NCNR)のビームライン上での使用のために利用可能です。クエット形状は、中性子に対して透明であるように機械加工され、電気的特性及び試料は、任意の変形を受けながら、チタンシリンダとの間に閉じ込められたサンプルの微細構造特性の測定を提供します。これらの測定の同期が監視し、所定の実験プロトコルの実行を制御するカスタマイズプログラムを使用することによって有効になっています。ここでの説明はするプロトコルです周波数に依存する誘電測定が行われている間、せん断速度が対数的に指定された期間のための各ステップで保持最大値から最小値にステップされるフロースイープ実験を行ないます。代表的な結果は、プロピレンカーボネート中に分散されたカーボンブラック凝集体からなるゲルからなる試料から示されています。ゲルが定常剪断を受けるように、カーボンブラックのネットワークは、カーボンブラックネットワークを含む結合の破壊に関連した導電率の初期低下を引き起こす、機械的に変形します。しかし、より高いせん断速度で、導電率はずり肥厚の発症と関連する回復します。全体として、これらの結果は、誘電RheoSANSジオメトリを使用して、これらの懸濁液のRHEO電気微細構造特性の同時測定の有用性を実証します。

Introduction

巨視的特性の測定は、多くの場合、通常、製剤の性能を改善するために理解を開発する目的で、コロイド物質と自己組織化システムの性質に基本的な洞察を得るために使用されます。具体的には、加えられた応力または変形に対する流体の動的応答を測定レオロジーの分野は、平衡状態下でも遠く平衡からの両方のコロイド挙動に貴重な洞察を提供し、そのような消費者および工業用流体の1つのレオロジーテストを処理中として、ゲルおよびガラスはまた、配合者により標的とされる粘度などレオロジーパラメータを測定するために使用することができます。レオロジーは、材料特性の強力なプローブであるが、それは基本的なコロイド挙動の理解が大幅Cとレオロジー測定を組み合わせることによって向上させることができるように、顕微鏡レベルでコロイド情報の間接的な測定値でありますomplementary技術。

そのような直交技法は、インピーダンス分光法です。インピーダンス分光法は、印加する振動電場に対する材料の応答を測定する誘電緩和挙動のバルクプローブです。 2電荷輸送及び偏光を含む材料内に活性である電気緩和モードからインピーダンススペクトルの結果。 3、4これらの測定は、レオロジー組み合わせる特にコロイド動作のための追加の証拠を提供します。荷電コロイド分散体、タンパク質、イオン性界面活性剤、ナノ複合材料、及び他のシステムをプロービングするとき5したがって 、これらの技術の組み合わせが特に適切です。 6、7

コロイド状の挙動の調査の基本的な関心は、材料のmicrostrucですトゥーレ。コロイド状流体の微細構造は、そのレオロジー及び電気的挙動の両方を再構成するために必要なすべての情報を符号化すると考えられています。基本的に、我々は測定された材料の応答につながるナノスケールの微細構造の特徴のスナップショットを測定しようとしています。それらのプロセスの歴史上の多くの複雑な流体依存性の複雑な性質のために、微細構造特性上の努力の多くは、それが変形したような材料のその場での測定作ることに焦点を当てています。これは、粒子の速度は、直接可視化が本質的に困難な作った例えば定常剪断下でナノサイズの粒子の測定を行うことができるようにする方法を考案する実験者に挑戦しています。流れの下で、材料の微細構造の直接測定は、RHEO-光学、RHEO-顕微鏡ともRHEO-NMR至るまで多くの形態をとっています。 8、9、尻=「外部参照」> 10の小角散乱方法、および特定の小角中性子散乱(SANS)技術では、全ての3つの平面を含むバルク剪断場に定常状態でのサンプルの時間平均微細構造を測定することでそれ自体が有効であることが証明されています剪断。 11、12、13は、しかしながら、新たなデータ収集技術は、構造過渡が10msほど細かい時間分解能で撮像することが可能となりました。 14は、実際にその場散乱様々なとレオロジーを組み合わせることにより、最近の研究の数百に貴重であることが証明されました。 15

新興の技術課題は、半固体フロー電池電極内の導電性添加剤としてのコロイド懸濁液を使用することです。本出願において16、導電性のコロイド粒子は、母校ながら電気的パーコレーションネットワークを維持しなければなりませんIALは、電気化学フローセルを通ってポンピングされます。これらの材料の性能要求は、彼らはせん断速度の広い範囲にわたってレオロジーパフォーマンスに悪影響を及ぼすことなく、高い導電率を維持することが必要です。 17はるかに彼らの平衡状態からのこれらの物質の基礎となるレオロジー特性および電気的応答を定量し、特徴付けるために安定した時間に依存する剪断条件下でコロイド挙動の測定を行うことができることが非常に望ましいです。この点で更なる理論的発展を妨げている重要複雑な要因は、カーボンブラックスラリーのチキソトロピー性質です。 18のこれらの歴史に依存するレオロジー特性及び電気的特性が再現する実験が難しいことで知ら作ります。したがって、それは困難な様々なプロトコルを使用して測定したデータセットを比較すること。さらに、これまでに3つのすべてを行うことが可能な単一のジオメトリ、dieleはありませんctric、レオロジー、および微細構造の特徴付け、同時に。フローは処理材料の残りの測定値は、それらの使用のために、より関連性の高い気流下特性の正確な表示を提供しないことができるように、構造を変更することができるように同時測定が重要です。カーボンブラックスラリーの測定された特性の多くは、幾何学的形状に依存しているように、さらに、別の機器で同じサンプルから得られたデータを比較すると合併症があります。 19

計測では、この課題に対応するために、我々は中性子研究NISTセンターとその場インピーダンス分光法の可能デラウェア大学の新しい誘電RheoSANSジオメトリを開発した、商用系統上の任意の変形の下で、材料のレオロジーとSANS測定制御レオメーター。これは、微細構造を測定することが可能なクエットジオメトリ、エレクトリカを開発することによって有効になっていますL及び二つの同心シリンダのギャップの間に閉じ込められた材料のレオロジー応答。外筒が回転するように、試料の変形によって課されるトルクが内筒に測定され、インピーダンス測定はギャップを横切って半径方向に形成されています。レオメーターで経験せん断応力に耐えるのに十分な中性子に対して透過的かつ堅牢になるようにシリンダはチタンから機械加工されています。我々は、クエットの半径方向の位置を介してSANS測定を行い、変形を受けて試料から高品質のSANSパターンを測定することが可能であることを実証しました。それは明確に定義された変形形状を受けるようにこのように、全ての3つの測定は、サンプル中の関心のある同じ領域上に形成されています。この記事の目的は、誘電体クエットジオメトリ、RheoSANS機器へのインストール、および同時測定の実行が成功を記述することです。このレオメーターは、中性子のためのNISTセンターで入手できますアメリカ国立標準技術研究所の研究。 NG-7 SANSビームライン上で動作するように設計されています。我々は、図面及びこの測定を可能にするために、機械加工及び組み立てられたカスタムコンポーネントの詳細な説明を提供しました。

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Protocol

1. SANSビームライン上にレオメーターを取り付け

注:名前のコンポーネントの定義については、図1を参照してください。

  1. レオメーターの電源がオフになっていることを確認し、トランスデューサがロックされ、モータエアベアリングプロテクタがインストールされています。中性子ビームの電源を切り、オーブンのドアを閉めます。
  2. 、鼻を削除、テーブルの上に大きなベースプレートをインストールウィンドウをインストールし、ケーブルがもつれないとねじられないように、レオメーターのクレーンアダプタに取り付けるブラケットに4つのアイレットを固定します。
  3. クレーンを使用して、レオメーターを持ち上げ、もつれを最小にするためにケーブルを案内するように注意しながら、外向きレオメーターのLCD画面を持つテーブルを中心に残りにレオメーターテーブルからそれを操縦。
  4. SANS制御ソフトウェアを使用して、最小Z位置にテーブルを送ります。
  5. レオクレーンアダプタを取り外し、CRを使用してプラットフォームから持ち上げて外しますANE。

2.誘電体セル組立

注:名前のコンポーネントの定義については、図2を参照してください。

  1. レオメーターの電源がオフになっていることを確認し、トランスデューサがロックされ、モータエアベアリングプロテクタがインストールされています。使用前に、いくつかの純水リンスに続いて洗剤溶液を用いた誘電体カップとボブアセンブリをきれいにし、完全に乾燥させます。
  2. 、オーブンのドアを開け、変換器のロックを解除し、モータ軸受ロックを取り除きます。レオメーターの上部および下部ツールマウント上に誘電体形状および誘電ボブ・アセンブリを取り付けます。 2mmの六角レンチを用いて誘電体ジオメトリの両方のセットネジを緩め、それが誘電体幾何上に搭載されるように、誘電体カップアセンブリを配置。
  3. レオメータ制御ソフトウェアを使用して、試料の幾何ドロップダウンメニューから間隔をゼロと軸力ドロップダウンメニューを使用して、10 N法線力を加えます。圧縮下では、使用してネジを締め3 mmのアレンキー誘電カップアセンブリは完全に誘電体形状に固定されるまで。
  4. レオメータ制御ソフトウェアを使用して、測定ギャップのギャップを設定し、オーブンのドアを閉めます。オーブンは完全に幾何学の上部と下部に十分な垂直方向のクリアランスと誘電体セルを囲むことができていることを確認してください。高さ調整が必要な場合は、オーブン筐体は、誘電体の細胞の周囲に十分な寛容性とフィットするように、セットスクリューを調整します。誘電体ジオメトリがオーブン内に収まると、オーブンの壁に触れずに全回転を受けることができたときに適切なクリアランスが達成されます。
  5. 一枚の誘電体ボブアセンブリと誘電体カップアセンブリ/誘電体ジオメトリの両方を除去し、下側の工具ヘッド上レオメータアラインメントツールと置き換えます。

3.スリップリングをインストールします

注:ステップバイステップの絵概要については、図3を参照してください。

  1. のシャフトにワイヤーバッフルを取り付けます誘電体形状とスリップリングコネクタに誘電体カップコネクタを接続します。
  2. それは誘電カップアセンブリ/誘電体の形状のシャフトとが、誘電体幾何学上のフランジ上記同心になるようにスリップリングを保持します。そのNOBSは、誘電体形状に開けた穴に挿入し、そのベースは、誘電体幾何フランジ上に載るようにスリップリングアダプター(X2)を置きます。
  3. 静かにスリップリングアダプタを介してスリップリングをスライドさせます。スリップリングは、場所でそれらを保持するスリップリング・アダプターの周りに楽にスライドするはずです。

レオメーターの4アライメント

注:ビーム経路の概略については、図4を参照してください。

  1. レオメーターのアライメントツールの周りにオーブンを閉じます。レオメータ制御ソフトウェアを使用して、切断型鼻およびサンプル開口部(背の高い幅1mm×8 mm)で、およびインストール、モータ制御に0.49ラジアンに幾何変位角を設定しますドロップダウンメニュー。
  2. SANS機器制御ソフトウェアを使用して、すべての中性子ガイドが除去されていることを確認し、レーザが見えるようにオーブンのドアを開けます。ビームがオーブンを通過し、レオメーターアラインメントツールの中心にスリットを横切るようにSANS機器制御ソフトウェアからテーブルの高さと角度を変えることにより、レオメータの大まかな位置合わせを行います。
  3. SANS機器制御ソフトウェアを使用し、レーザ整列を最適化するために、テーブルの高さとその回転を調節します。レーザビームが、その壁に衝突することなく、0.49ラジアンにセットジオメトリ変位にレオメータアラインメントツールのスリットを通過したビームは、オーブンの中心線を通過する際に、レオメーターが整列されます。

SANS機器の校正5.

  1. 所望SANS機器構成は、器具の科学者によって整列されると、オープンビームの透過を測定空セルの散乱、及び暗電流散乱測定。
    1. 3分間の所望の検出器位置におけるビーム透過測定を行うことにより、オープンビーム透過測定を行います。
    2. 誘電体幾何を設置し、所望の検出器位置での散乱測定値を測定することにより、空セル散乱測定を行います。
    3. 完全メインビーム散乱信号を減衰カドミウムの3 mm厚片を用いて、暗電流散乱測定を行います。

6.電気コンポーネントを接続

  1. 100mmとLCD画面を使用してギャップを設定します。
  2. 底ツールフランジからレオメーターアラインメントツールを削除します。一体として、下部ツールヘッド上に上部ツールヘッドと誘電体カップアセンブリ/誘電体幾何/スリップリングアセンブリ上の誘電体ボブアセンブリを再インストールし、再度ゼロギャップ。
  3. カーボンブラシアセンブリが安全であることを確認してくださいネジを使用してカーボンブラシアダプタにD、及びねじを使用して、レオメーターの炭素ブラシアダプタとカーボンブラシアセンブリを固定します。カーボンブラシアセンブリ上のカーボンブラシは、スリップリングの溝付き金属リングと合うことを確認してください。これは、電気的接触の維持を保証します。
  4. それぞれ頂部および底部バスバーの雄ピンコネクタにカーボンブラシアセンブリと誘電ボブアセンブリの雌ピンコネクタを接続します。 LCRメータでバスバーに接続され、終端シールド標識BNCケーブルがそれらの対応するBNCコネクタに取り付けられていることを確認。
  5. 「AO0」と表示されたDAQカードに接続されたBNCケーブルに「SANS TO」というラベルの付いたBNCケーブルを接続します。 「AI0」と表示されたDAQカードに接続されたBNCケーブルに「SANS FROM」というラベルの付いたBNCケーブルを接続します。 「AO1」と表示されたDAQカードに接続されたBNCケーブルに「TRIGGER」というラベルの付いたBNCケーブルを接続します。コネクト「AI3」標識BNCケーブルにレオメーターの背面の15ピンコネクタに接続されたBNCケーブル。 LCRメータとレオメーターは、制御コンピュータと通信していることを確認してください。

7.測定のための器具を準備

  1. 温度にプロピレンカーボネート中のカーボンブラック分散液の4mLの、オーブンを開け100mmとのギャップを設定し、負荷がカップ壁に残されたサンプルを最小にするように注意しながら、誘電体カップアセンブリを平衡化しました。
  2. フロントLCD画面を使用して40mmとジオメトリを下げます。 1ラジアン/秒にモータ制御の設定を使用して、レオメーター制御ソフトウェアの速度を設定します。レオメーター上のスルー・オプションを使用して、ギャップ距離が0.5mmになるまで誘電ボブアセンブリを下げます。
  3. 機器のソフトウェアを使用して、誘電体幾何測定ギャップに移動し、そして0ラジアン/秒にモータ制御設定を使用して、レオメーター制御ソフトウェア上のモータ速度を設定します。この段階では、サンプルは、負荷でありますエド。
    注:サンプルレベルが過剰充填することなく、すべての方法クエット壁いっぱいになることを保証するために、もう一度サンプル充填レベルを確認してください。
  4. 所望の溶媒と内側誘電ボブアセンブリの壁を充填することにより溶媒トラップをインストールし、誘電体カップ組立体のリムに溶媒トラップを置きます。

8.誘電RheoSANS実験を実行します

  1. 「TA_ARES_FlowSweep.vi」と表示されたコードを設定します。 GUIは、誘電体RheoSANS実験の実験の実行条件を指定して変更可能なフィールドが表示されます。次の順序でこれらのフィールドを設定します。
    1. ログファイル、ログファイルのベース名のパスを指定します。メニューバーの「ファイル名を指定して実行」の矢印ボタンを押して、コードを実行します。
    2. レオロジーパラメータを選択 - 開始剪断速度(25ラジアン/秒)、せん断速度を終了する(/ S 1ラジアン)、剪断速度点の数を(6)と点がロガールするかどうかithmically又は線形離間(ラジオボタン)。この実験のために25°Cまで温度を選択します。事前剪断条件(所望される場合、「ON」のラジオボタンを有効にする)を選択 - この実験では、事前剪断工程後に300秒の待機時間で600秒間、25ラジアン/秒事前剪断を使用します。
    3. せん断速度と回収率当たりの時間を指定します。ハンドシェイクのラジオボタンを有効にします。試験パラメータタブを対数またはリニアスイープを選択 - ラジオボタンが緑色である場合、点のN個のリストは、対数マックス・シアー速度のせん断速度分から離間されます。
    4. 必要に応じて、「離散値」タブを経て離散せん断速度と時間を指定します。周波数点の数、周波数の最小値と周波数の最大のデフォルトを選択します。時間依存周波数を設定します - すべてのせん断速度のための希望の時間に依存する周波数を指定します。定常状態の時間を設定 - 固定FREQでコードが誘電パラメータを測定する時間を設定します各せん断速度についての、時間の関数としてのuency。
    5. 信号の種類や大きさを指定します。平均するサイクル数と測定時間を指定します。
  2. SANSのコンピュータにオートログインをオンにします。 SANS構成を設定します。構成を選択し、コード内のせん断速度リスト内に含まれる総時間よりも、少なくとも1分長くなるように実行時間を指定します。
    注:構成が達成されるとVIPERはそれを変更するには、データ収集カードからのアナログ信号を待っているであろうことを示し、「DIO STAT 16」をお読みください。
  3. レオメーター制御ソフトウェアの設定。実験タブでは、「手順」を押し、「オープン・プロシージャ・ファイル」ドロップダウンメニュー。 「誘電RheoSANSスクリプトファイル」と表示された手順ファイルに移動します。レオメーターは、実験を実行する準備ができていることを確認してください。
  4. SANSの準備ができたら、制御ソフトウェアが設定され、レオメーター続きを確保ROLソフトウェアのスクリプトファイルが開いている、押して「パラメータセット」。これは、指定された実験の実行をトリガーすると、すべてのデータは、あらかじめプログラムされたサンプルの実行全体でログインする必要があります。

実験の終了9.

  1. 中性子ビームをオフにして、自動ロギングを無効にします。サンプルをアンロードし、レオメーターから誘電体カップとボブアセンブリを取り除きます。モータエアベアリングプロテクタをインストールし、トランスデューサをロックします。
  2. コンピュータ、LCRメータ、およびレオメーター電源の電源を切ります。エアラインを外します。すべてのBNCケーブルを外し、レオメーター上にクレーンリフトを再インストールします。
  3. 切り捨てられた鼻をアンインストールします。レオメーターのクレーンアダプタを再インストールします。表からレオメーターを持ち上げ、ケーブルがuntangled残ることを確実レオメーターテーブル上に置きます。

図1
1:。。) -共同のe)の写真 SANSビームラインと標識と以下のように定義されるビームライン上のレオメーターをインストールするために必要なレオメーターのmponents。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図2
図2: 以下の条件を定義するラベルを持つコンポーネント誘電RheoSANSジオメトリの写真。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図3
図3:誘電体RheoSANSジオメトリ、および電子上にスリップリングをインストールするための手順のa.-d.)写真)完全実装誘電RheoSANSジオメトリの写真。ove.com/files/ftp_upload/55318/55318fig3large.jpg」ターゲット= 『_空白』>この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図4
図4: オーブン幾何学と誘電RheoSANSジオメトリによるビーム路の概略図。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

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Representative Results

誘電RheoSANS実験からの代表的結果を図5及び6に示されています。これらのデータは、プロピレンカーボネート中の導電性カーボンブラックの懸濁液に取られます。これらの凝集体は、電気的に導通しているゲルを形成する、比較的低い固形分充填量で魅力的相互作用による凝集します。そのような懸濁液のレオロジーおよび伝導度応答は、研究の活発な領域であり、現在の研究は、これらの測定の微細構造の起源を理解しよう。誘電RheoSANS器具は一意には、そのような半固体電気化学フローセルのようなアプリケーションに見られるものと同様の変形を受けるように、それは同時に材料の電気的および機械的特性をプローブとして、この問題に対処するために適したツールです。このような細胞中のカーボンブラックの形態FLOに体積導電率を提供する導電性添加剤翼の電極。

手順で概説した実験は、それが剪断速度が指定された期間、各剪断速度で保持最大値から最小値まで対数的にステップされるフロースイープ試験を受けるような導電性材料を試験するために設計されています。レオロジーは、誘電体データおよび中性子散乱は、この実験シーケンスの進行中に連続的に測定されています。誘電RheoSANS実験が完了すると、データは、3つの独立した形式で格納されます。 SANSデータは、検出器と、それが検出されたピクセルのx、y座標上の各中性子の到着時刻のリストを含む、検出器によって生成されたバイナリファイルであるイベント・モード・ファイルとして格納されます。レオロジーデータは別個のデータファイルとしてレオメータ制御ソフトウェア内に格納され、関連する流動学的パラメータを含むカラム区切りのテキストファイルとしてエクスポートすることができる( すなわち、 20このアプローチを使用して、SANS、レオメーターとLCRメータからの生の測定信号は、剪断速度と時間の両方の関数として再構成することができます。

原信号がソートされた後、それらは公知のレオロジー特性および電気セル定数を使用し、Sを用いて補正されますtandard SANSの還元方法。誘電データ補正及び分析手順は、各周波数と剪断速度で開放と短絡測定値を除去した後、 図5aに示されています。一旦誘電信号は周波数に対するインピーダンスの実数成分および虚数成分に変換される修正。 図5aにおいて、定常剪断を受けて0.08重量分率バルカンXC72試料の誘電測定のナイキスト表現のプロットは、取得の最後の900秒にわたって平均化があります。ナイキスト表現では、インピーダンスの実数と複素数成分は互いに対してパラメトリックプロットされています。プロットの左上に、データ点は対数測定が最低アクセス頻度(20 Hz)を表す最高周波数(20メガヘルツ)、黒を表す黄色で撮影された周波数によってカラー化されています。中央のプロットは、サンプルアドミタンス、Y *、またはその逆で複素インピーダンス、Z *は、周波数に対してプロットされています。これはλ、既知のセル定数によって正規化され、そしてサンプル伝導率と電気感受率は、アドミタンスの虚数と実数成分として定義されます。この正規化されたサンプルの応答は2πƒε0によってアドミタンスを分割することにより、複素誘電率、ε*に変換することができます。最後に、我々はHavriliak-永見緩和と電極分極の影響を考慮し一定の位相要素の和として誘電応答モデルを使用して、サンプル応答の複素誘電率に合います。 20

図5
図5:誘電データ解析概要:。 ナイキスト表現、 中央:周波数対伝導率と感受性、 右:周波数に対する複素誘電率-誘電体モデルは、電極分極とHavriliak-根上緩和、データの上にオーバーレイ示さB)SANSデータ分析の概要を占めます。 左:私は(Q)0.08重量分率バルカンXC72から1ラジアン/秒での剪断速度、 中央の最後の900秒間の平均:(Q)を、サンプルPを希釈するためにスケーリングされたモデルの適合、 右:サンプル構造因子S(Q)= I(Q)/(A・P(Q)) -赤い円は、データが最小構造因子深さ、S 0を得るために平均化されるQ-ポジション位置を示します。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

生のイベント・モード・データはI(QのX、Qy)を表す2次元SANS検出器上に時間に対してヒストグラム化されます。この生のシグナル強度は、次に、空のセル、ブロックされたビーム、及び送信のために補正されabsoluに変換されます。単位センチとTE規模-1。これらの補正後、絶対強度は、剪断速度と時間の関数としてプロットすることができます。 図5bにおいては、左側に、Q xおよびQ yを対二次元縮小散乱強度がプロットされています。途中で、我々は、同一のQ-範囲にわたって希釈カーボンブラック懸濁液にフィットモデルのフォームファクタ、前因子によってスケーリングP(Q)、Aを、プロット。我々は、サンプルを含むフラクタルカーボンブラック凝集体の間の相互作用の見かけの構造因子を表すS(Q)を得るために*のP(Q)によってI(Q)を分割します。二次元S(Q)プロットの横フラクタル凝集体との間の見かけの斥力相互作用の推定値であるS 0を計算するために最小アクセスQ値= 0.0015 A -1に一体化されています。この結果は、その後、同等のハード球の体積分率に変換されます。

、このアプローチを使用定常状態データは、各剪断速度で分析することができ、 図6に示すように、構造解析及び誘電体分析の両方から生じる抽出されたパラメータが適用される剪断速度およびレオロジー剪断応力の関数としてプロットすることができます。また、重要な微細構造の遷移をマーク興味のあるいくつかのせん断速度のための二次元S(Q)のプロットは、あるプロットしました。これらの値は全てクエット内の同じ領域から同時に測定されるので、直接比較および相関させることができます。これは、導電率、κLF、および効果的な体積分率の遷移事実によって強調、φ剪断応力が領域I-IIからの遷移によってマークされた降伏応力を超えた場合にHSは 、ストレスの増加に対応しています。この遷移では、両方がHSと巨視的ゲルの降伏に関連付けられているκLF低下 φ。剪断速度がさらに増加するにつれて、粘度の明らかな増加とκのLF増加によって示されるようにHSが減少し続けるφながらサンプル剪断が厚くなります。この遷移は、領域II-IIIでマークされています。濃縮コロイド懸濁液のために、ずり粘稠化は、一次カーボンブラック粒子の周りのバルク流体の流れによって課される流体力学的相互作用の結果として形成される大きな構造の形成に関連しています。これらの流体力は、導電率と粘度の急激な増大をもたらす一緒に凝集体を描きます。

図6
図6: トップ:二次元S(Q)剪断サンプル、 底部に重要な微細構造遷移を表すレートでプロットレオロジー(剪断応力)の要約、誘電体(静的誘電率と低周波伝導度)とSANSパラメータ(SCA適用される剪断速度の関数としてル因子と有効な排除体積分率)。利害の領域は、I-IIIとしてマークされています。領域Iにおいて、クリープは、相互接続されたネットワーク構造を維持します。領域IIにおいて、ゲルは、巨視的に全体的な導電率の低下につながる生じます。領域IIIにおいて、クラスタリングを生じる見掛けずり粘稠化と導電率の増加があります。エラーバーは平均の1つの標準偏差を表します。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

このジオメトリは、同様の歪み制御レオメーター上で再生することができるように、8、 - 図2に示す誘電体RheoSANSジオメトリの重要な構成要素の技術的概略は補足図1に設けられています。

URE 1" SRC = "/ファイル/ ftp_upload / 55318 / 55318supfig1.jpg" />
補足図1:誘電カップアダプタの技術的な概略図。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

補足図2
補足図2:誘電カップウォールの技術的な概略図。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

補足図3
補足図3:誘電ボブ・ウォールの技術的な概略図。 こちらをクリックしてください。この図の拡大版を表示します。

補足図4
補足図4:誘電ボブ・シャフトの技術的な概略図。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

補足図5
補足図5:誘電ボブキャップの技術的な概略図。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

補足図6
補足図6:誘電ボブ・アセンブリの技術的な概略図。TP://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55318/55318supfig6large.jpg」ターゲット= 『_空白』>この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

補足図7
補足図7:スリップリングアダプターの技術的な概略図。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

補足図8
補足図8:カーボンブラシアダプタの技術的な概略図。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

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Discussion

同時に誘電RheoSANS実験措置が事前定義された変形を受けるような材料の、流動学的、電気的および微細構造応答。ここに示す例では、電気化学フローセルに用いられる導電性添加剤を形成する導電性カーボンブラックの懸濁液です。誘電RheoSANS器具は、いずれかの電気またはレオロジー測定の忠実度を損なうことなく、狭いギャップクエットセル内せん断の半径方向平面の問い合わせを可能にします。また、形状は例えば剪断応力、導電率および誘電率のような固有の変数を適切なために、生信号の変換、トルク、抵抗、及び位相シフトを可能にします。時間依存性及び剪断速度依存RHEO電気構造特性が記録されている間、せん断速度が対数最大値から最小値にステップされる場合、この手順で概説した実験において、フロースイープが行われます。それが得られ、次いで、巨視的流れを受けるように、この測定から、カーボンブラックゲルの微細構造及び導電率の変化を調べることができます。そのため、同時誘電体測定のため、我々は、彼らが溶けて遠く平衡からこれらのゲル化材料の伝導の起源を探ることができます。 20フロースイープを行うことができる潜在的なテストの1種のみであって、幾何学的形状は、潜在的な時間依存性剪断プロファイルの広い範囲に適応する設計です。これらの結果は、低粘度、高伝導性の流体の配合を案内することによりフロー電池電極の性能を改善する可能性を有します。 21

誘電RheoSANS実験の重要な可能コンポーネントは、すべての3回の測定の同期です。同期は、すべての3つの測定の特性は、時間及びせん断速度の関数として比較することが可能となります。これは、ANによって可能になりますalogue中性子到着時間の剪断速度の遷移を符号化したプロトコルをトリガします。このプロトコルは、到達時間と検出された各中性子の画素位置の連続したリストを生成SANS検出器のイベントモード取得を利用します。検出クロック時間は、アナログ・トリガ、5Vの振幅の10ミリ秒のパルスを用いてリセットすることができます。これは、そのリスト内の中性子の絶対到着時間をリセットします。上記で概説したプロトコルは、このクロックは、モータがオンし、各剪断速度との間にターンオンされる時点でリセットされることを可能にします。この同期プロトコルは、ユーザが100ミリ秒の時間分解能と試料の微細構造進化を再構成することを可能にします。この方法の重要な制限は、現在、買収の過程で検出器の位置を変更する方法がないということです。したがって、単一の検出器の位置は、所定の実験プロトコルのために取得することができます。これは、レオメーターの両方で、今後のソフトウェアの変更によって改善されます制御プロトコルだけでなく、SANS機器操作。

この新しい機器によって提供される結果は、それらが変形するように電気的に活性なコロイド物質を調べるために新しいパスを開きます。 RHEO電気、RHEO-SANS、および誘電SANSジオメトリを既存のとは対照的に、ここで説明した誘電体RheoSANS形状は、任意の適用剪断場下同時誘電SANS測定が可能です。この技術は、電気化学的フローセルに関連するだけでなく、燃料電池用電極及び材料は、巨視的剪断に溶液状態及び被検体から処理された他の電子機器の開発を持っています。 22、23、24器具はまた、機械的特性、印加された電界を介して作動させることができる材料の研究に関連性を有しています。すべてのこれらのアプリケーションは、潜在的flexiblのおかげで研究することができます電子のこの楽器の設計および各試験プロトコルの実行を同期させるための方法論。

作業は、誘電体RheoSANS実験を実行した材料の広い範囲のための新しい試験方法を作成するためのプロトコルを改善するために進行中です。さらに、改善された大気中の制御はオーブン設計やオーブン環境内窓材の今後の交換の改善に有効になります。これは実現可能な揮発性の液体に長時間実験を行います改善溶剤トラップの設計が含まれます。今後のオーブンは、動作RheoSANS機器で実証されているせん断の接平面への約束へのアクセスを設計しますが、現在、誘電体RheoSANS機器のテストおよび実証済みの機能ではありません。

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Disclosures

著者は、開示することは何もありません。

Acknowledgements

著者は、この期間中に部分的に資金調達のための中性子研究CNS協力協定番号#の70NANB12H239助成金だけでなく、支援のための国立研究評議会のためにNISTセンターを確認したいと思います。特定の業務用機器、楽器、または材料が十分に実験手順を指定するために、この論文で識別されます。このような識別は、アメリカ国立標準技術研究所による推薦または保証を意味するものではありません、またそれは、材料や識別装置が、その目的のために利用可能な最善であることを意味することを意図しています。

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 

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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).

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