RheoSANS דיאלקטרי - חקירת סימולטני של עכבה, Rheology וקטנים זווית ניוטרון פיזור של נוזלים מורכבים

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

כאן, אנו מציגים הליך לשקילת עכבה סימולטני, rheology ואת פיזור נייטרונים מחומרים משנה רך תחת זרם גזירה.

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

נוהל הפעלת מכשיר חדש דיאלקטרי RheoSANS מסוגל חקירה סימולטני של תכונות חשמליות, מכניות microstructural של נוזלים מורכבים מוצג. המכשיר מורכב הגיאומטריה Couette הכלול בתוך תנור הסעה נאלץ לשנות רכוב על rheometer מסחרי. מכשיר זה זמין לשימוש על פיזור נויטרונים זווית קטנה (SANS) beamlines במכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה (NIST) מרכז ניוטרון מחקר (NCNR). גיאומטרית Couette במכונה להיות שקוף ניטרונים מספקת למדידה של תכונות החשמליות המאפיינים microstructural של מדגם הכלוא בין בלוני טיטניום בעוד הדגימה עוברת דפורמציה שרירותית. סנכרון של מדידות אלה מופעל באמצעות תכנית אישית כי מעקב ובקרה על ביצוע פרוטוקולי ניסוי מראש. מתואר כאן הוא פרוטוקוללבצע ניסוי זרימה לטאטא שבו שיעור הגזירה הוא צעד לוגריתמיות מערך מקסימאלי לערך מינימום מחזיקים בכל שלב למשך פרק זמן קצוב בזמן מדידות דיאלקטרי תלויות בתדירות מבוצעות. תוצאות נציג מוצגים ממדגם המורכב ג'ל מורכב אגרגטים פחמן שחור מפוזרים קרבונט פרופילן. כמו ג'ל עובר גזירה יציבה, רשת פחמן השחורה הוא מעווה מכאני, אשר גורמת לירידה ראשונית מוליכות הקשורים השביר איגרות חוב המרכיב את רשת פחמן השחורה. עם זאת, בשיעורי גזירה גבוהים, מוליכות שחזר יחד עם ההתפרצות של עיבוי גזירה. בסך הכל, תוצאות אלה ממחישות את התועלת של מדידה בו זמנית של המאפיינים rheo-אלקטרו-microstructural של השעיות אלה באמצעות הגיאומטריה RheoSANS דיאלקטרי.

Introduction

מדידה של נכסי מקרוסקופית משמשת לעתים קרובות כדי לקבל תובנה בסיסית לתוך הטבע של חומרים קולואידים ומערכות עצמיות התאסף, בדרך כלל במטרה לפתח הבנה על מנת לשפר את ביצועי ניסוח. בפרט, בתחום rheology, אשר מודד תגובה הדינמית של נוזל אל מתח או עיוות יישומית, מספק תובנה חשובה התנהגות קולואידים הם בתנאי שיווי משקל וגם רחוק משיווי משקל, כגון במהלך עיבוד 1 בדיקות ראולוגיות של נוזלים צרכניים ותעשייתיים, ג'לים, וכוסות יכולים לשמש גם כדי למדוד פרמטרים הריאולוגיות, כגון צמיגות, אשר ממוקדים על ידי מנסחים. בעוד rheology הוא בדיקת עצמה של תכונות חומר, זה מהווה מדד עקיף של מידע קולואידים ברמה המיקרוסקופית, כך ההבנה שלנו של התנהגות קולואידים יסוד ניתן משפרת ידי שילוב של מדידות הריאולוגיות עם גטכניקות omplementary.

טכניקה כזו מאונכת אחד היא ספקטרוסקופיה עכבה. ספקטרוסקופיה עכבה היא בדיקה עיקר התנהגות הרפיה דיאלקטרי, אשר מודד את התגובה של חומר לשדה חשמלי נדנוד מיושם. 2 תוצאות ספקטרום העכבה מ מצבי רגיעת חשמל הפועלים בתחומי החומר כולל הובלת תשלום קיטוב. 3, 4 מדידות אלו מספקים ראיות נוספות להתנהגות קולואידים במיוחד בשילוב עם rheology. 5 לכן, השילוב של טכניקות אלה הם רלוונטיים במיוחד כאשר דברים סמויים טעונים תפוצות קולואידים, חלבונים, פעילות שטח יוני, nanocomposites, ומערכות אחרות. 6, 7

אינטרס יסודי בחקירות של התנהגות קולואידים הוא microstruc של החומר ture. מיקרו של נוזל קולואידים נחשב לקודד את כל המידע הדרוש כדי לשקם הן הריאולוגיות שלה וההתנהגות חשמל. ביסודו של דבר, אנו מבקשים למדוד תמונת מצב של תכונות microstructural ננו להוביל לתגובת חומר נמדדת. בשל אופיו המורכב של תלות נוזלים מורכבים רבים על ההיסטוריה התהליך שלהם, הרבה מהמאמץ על אפיון microstructural התמקדה שהופך במדידות באתרו של החומר כפי שהוא עובר עיוות. זה אתגר ניסיונאים לפתח שיטות כדי להיות מסוגל לבצע מדידות של חלקיקים בגודל ננו תחת עבור גזירה קבועה למשל, שם המהירויות של החלקיקים הפכו להדמיה ישירה מאתגרות במהותו. מדידה ישירה של מיקרו חומר תחת זרימת לקחה על צורות רבות, החל-אופטיקה rheo, rheo-מיקרוסקופיה ואפילו rheo-NMR. 8, 9,התחת = "Xref"> 10 שיטות קטנים זווית פיזור, ובשנת נויטרונים פיזור זווית קטנה במיוחד (SANS) טכניקות, הוכיחו עצמם יעילים למדידת מיקרו ממוצעים פעמי של דגימות על מצב יציב בשדה גזירה בתפזורת כולל את כל שלושת המטוסים של לִגזוֹז. 11, 12, 13 עם זאת, טכניקות רכישת נתונים חדשות ארעיים מבני מותר לנפול בפח עם רזולוצית זמן בדייקנות כמו 10 ms. Rheology 14 שילוב ואכן עם שונות בשיטות פיזור באתרו הוכיחה שלא יסולא בפז מאות מחקרים שנערכו לאחרונה. 15

אתגר הנדסי מתעוררים הוא שימוש השעיות קולואידים כמו תוספים מוליכים אלקטרודות סוללת זרימה חצי מוצקות. 16 בבקשה זו, חלקיקים קולואידים מוליך חייבים לשמור על רשת percolated חשמלית בעוד מאטרial נשאב באמצעות תא זרימה אלקטרוכימיים. דרישות הביצועים על חומרים אלה דורשים כי הם שומרים על מוליכות גבוהות ללא השפעה מזיקה על ביצועי הריאולוגיות פני טווח רחב של שיעורי גזירה. 17 לכן רצוי מאוד להיות מסוגל לבצע מדידות של ההתנהגות קולואידים בתנאי גזירה יציבים תלוי זמן על מנת לכמת ולאפיין את התגובה הריאולוגיות וחשמלית הבסיסית של חומרים אלה רחוקים ממצב שיווי המשקל שלהם. גורם שמסבך משמעותי כי יש פגם בפיתוח תיאורטי נוסף בעניין זה טבעה thixotropic של והכלומניקים פחמן שחור. 18 אלה תולדות תלויות מאפיינים הריאולוגיות וחשמליים לעשות ניסויים ידועים שקשה לשחזר; וכך, מה שהופך אותו קשה להשוות ערכות נתונים שנמדדו באמצעות פרוטוקולים שונים. יתר על כן, עד כה אין יחיד גיאומטריה מסוגלת לבצע את כל השלושה, dielectric, הריאולוגיות, ומאפיינים microstructural, בו זמנית. מדידת סימולטני חשובה כזרימתם יכולה לשנות את המבנה, כך מדידות שאר חומרים מעובדים לא יכולות לספק אינדיקציות מדויקות של הנכסים תחת זרימה, שהן רלוונטיות יותר לשימוש שלהם. בנוסף, כמו רבי המאפיינים הנמדדים של והכלומניקים שחורים פחמן הם גיאומטריה תלויות, ישנם סיבוכים עם השוואת נתונים המתקבלים מאותו המדגם על מכשירים שונים. 19

על מנת לענות על האתגר הזה המטרולוגיה, פיתחנו הגיאומטריה RheoSANS דיאלקטרי חדש במרכז NIST עבור ניוטרון מחקר מאוניברסיטת דלאוור מסוגל בספקטרוסקופיה עכבה באתרו, מדידות rheology ו SANS של חומר תחת עיוות שרירותי על זן מסחרי rheometer נשלט. זו מופעלת על ידי פיתוח גיאומטרית Couette ליכולת למדוד את microstructural, electrical ותגובה הריאולוגיות של חומר הכלוא בין הפער של שני גלילים קונצנטריים. כפי הגליל החיצוני ספינים, מומנט שהטיל העיוות של המדגם נמדד על הגליל הפנימי ומדידת העכבה נעשית רדיאלית על פני הפער. הגלילים הם במכונה מ טיטניום כדי להיות שקוף ניטרונים חזקים מספיק כדי לעמוד בפני לחץ הגזירה המנוסה rheometer. אנו מבצעים את המדידה SANS דרך העמדה רדיאלי של Couette, וכן הדגימו כי ניתן למדוד דפוסי SANS באיכות גבוהה מן המדגם עובר דפורמציה. בדרך זו, כל שלוש המדידות נעשות באותו האזור של אינטרס במדגם כפי שהוא עובר פרופיל עיוות מוגדר היטב. מטרת מאמר זה היא לתאר את גיאומטרית Couette דיאלקטרי, ההתקנה שלה על גבי מכשיר RheoSANS, ועל הביצוע המוצלח של מדידה סימולטנית. rheometer זה זמין במרכז NIST עבור ניוטרוןמחקר במכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה. זה תוכנן לעבוד על קו קרן SANS NG-7. סיפקנו ציורים תיאור מפורט של רכיבים מותאמים אישית, כי כבר במכונה התאספו כדי לאפשר מדידה זו.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. הרכבת Rheometer על beamline SANS

הערה: ראה איור 1 עבור הגדרות של רכיבים בשם.

  1. ודא כי הכח אל rheometer כבוי, מתמר נעול ואת מגן נושאת אוויר המנוע מותקן. כבה את קרן נויטרונים, ולסגור את דלת התנור.
  2. התקן את צלחת הבסיס גדול על השולחן, להסיר את החוטם, להתקין את החלון, ולאבטח את 4 לולאות על זוויות ההרכבה מתאם מנוף של rheometer כזה שהכבלים לא להסתבך ולא מעוות.
  3. באמצעות מנוף, להרים את rheometer ולתמרן אותו מהשולחן rheometer לנוח במרכז השולחן עם מסך LCD של rheometer פונה כלפי חוץ, מקפיד להנחות את הכבלים כדי למזער להסתבך.
  4. באמצעות תוכנות שליטה SANS, לשלוח השולחן למצב Z מינימום.
  5. הסר את מתאם מנוף rheometers ולהרים מן הפלטפורמה באמצעות CRAne.

2. דיאלקטרי Cell העצרת

הערה: ראה איור 2 הגדרות של רכיבים בשם.

  1. ודא כי הכח אל rheometer כבוי, מתמר נעול ואת מגן נושאת אוויר המנוע מותקן. לפני השימוש, לנקות את מכלולי הכוס ובוב דיאלקטרי באמצעות פתרון אבקה ואחריו שטיפות מים כמה יונים, ולאפשר לו להתייבש לחלוטין.
  2. פתח את דלת התנור, לפתוח את מתמר ולהסיר את מנעול נושאת מנוע. הר הגיאומטריה דיאלקטרי והרכבת בוב דיאלקטרי על תושבות כלי העליונות ותחתונות של rheometer. שחרר את שני ברגי הסט על הגיאומטריה דיאלקטרי באמצעות מפתח 2 מ"מ אלן ולמקם את הרכבת הכוס דיאלקטרי כך שהוא מותקן על הגיאומטריה דיאלקטרי.
  3. באמצעות תוכנות שליטת rheometer, אפס את הפער מן התפריט הנפתח הגיאומטריה המדגמת, ולהחיל 10 כוח N נורמלי באמצעות התפריט הנפתח כוח הצירי. תחת דחיסה, להדק ברגים באמצעותמפתח אלן 3 מ"מ עד לאסיפת כוס דיאלקטרי הוא מאובטח לחלוטין את הגיאומטריה דיאלקטרי.
  4. הגדר את הפער לפער המדידה באמצעות תוכנות שליטה rheometer, ולסגור את דלת התנור. ודא כי התנור יכול להקיף את התא דיאלקטרי מלא עם אישור אנכי נאות על החלק העליון והתחתון של הגיאומטריה. אם התאמת גובה נחוץ, להתאים את בורג סט כך המתחם בתנור מתאים עם סובלנות נאותה סביב התא דיאלקטרי. מספיק מקום מושג כאשר גיאומטרית דיאלקטרי מתאימה בתוך התנור יכולה לעבור מהפך מלא מבלי לגעת בקירות בתנור.
  5. הסר הוא הרכבת בוב דיאלקטרי ואת הרכבת כוס דיאלקטרי / הגיאומטריה דיאלקטרי כמקשה אחת ולהחליף עם כלי יישור rheometer על ראש הכלי התחתון.

3. התקן את הטבעת להחליק

הערה: ראה איור 3 עבור סיכום ציורי צעד-אחר-צעד.

  1. התקן לבלבל תיל אל הפיר שלהגיאומטריה דיאלקטרי ולחבר את מחבר כוס דיאלקטרי למחבר טבעת להחליק.
  2. החזק את הטבעת להחליק כך שזה קונצנטריים עם הפיר של גיאומטרית דיאלקטרי ההרכבה / כוס דיאלקטרי אבל מעל לאגן על הגיאומטריה דיאלקטרי. מניח את מתאמי הטבעת להחליק (X2) כך השועה שלהם להכניס לתוך החורים שנקדחו לתוך הגיאומטריה דיאלקטרי והבסיס שלהם נשען על מקורבות גיאומטריה דיאלקטרי.
  3. החלק בעדינות את הטבעת להחליק על מתאמי טבעת להחליק. טבעת תלוש צריכה להחליק בקלות ברחבי מתאמי טבעת להחליק מחזיקים אותם במקום.

4. יישור של Rheometer

הערה: ראה איור 4 עבור סכמטי של נתיב קרן.

  1. סגור את התנור סביב כלי יישור rheometer. התקן את החוטם קטוע ואת הצמצם המדגם (1 מ"מ רחב × 8 מ"מ גבוה), ושימוש תוכנות שליטת rheometer, להגדיר את זווית עקירת גיאומטרית 0.49 rad בבקרה המוטוריתבתפריט נפתח.
  2. באמצעות תוכנת בקרת מכשיר SANS, להבטיח כי כל מדריכי הנויטרונים מוסרים, ופתח את דלת התנור כך הליזר גלוי. בצע יישור גס של rheometer ידי שינוי גובה וזווית השולחן מהתוכנה מלאה מכשיר SANS כך הקורה עובר דרך התנור חוצה דרך החריץ במרכז של כלי יישור rheometer.
  3. באמצעות תוכנת בקרת מכשיר SANS, להתאים את גובה השולחן הסיבוב שלה כדי לייעל יישור לייזר. שים לב rheometer מיושר כאשר קרן הליזר עוברת דרך החריץ בכלי יישור rheometer עם עקירת הגיאומטריה נקבעה על 0.49 rad בלי לפגוע החומות ואת הקורה עובר דרך קו האמצע בתנור.

כיול 5. המכשיר SANS

  1. לאחר בתצורת מכשיר SANS הרצויה מיושרת על ידי המדען המכשיר, למדוד את הולכת הקרן הפתוחה,פיזור לתא ריק, מדידות פיזור נוכחיות כהות.
    1. בצע את מדידת שידור קרן הפתוחה על ידי ביצוע מדידת שידור קרן במיקום הגלאי הרצוי עבור 3 דקות.
    2. בצע את מדידת פיזור תאים הריקה ידי התקנת הגיאומטריה דיאלקטרי ומדידת מדידת פיזור במיקום הגלאי הרצוי.
    3. בצע את מדידת הפיזור הנוכחית הכהה באמצעות חתיכה עבה 3 מ"מ של קדמיום כי לחלוטין פוחתת אות פיזור קורה המרכזית.

6. חיבור רכיבי החשמל

  1. הגדר את הפער באמצעות מסך LCD אל 100 מ"מ.
  2. הסר את כלי יישור rheometer מן אוגן הכלים התחתון. התקן מחדש את המכלול בוב דיאלקטרי על ראש הכלי העליון ואת הרכבת כוס דיאלקטרי / דיאלקטרי הרכבת טבעת גיאומטריה / תלוש על ראש הכלי התחתון כמקשה אחת מחדש אפס את הפער.
  3. ודא כי מכלול מברשת פחמן מאובטחד למתאם מברשת פחמן באמצעות ברגים, ולאבטח את מתאם מברשת פחמן והרכבת מברשת פחמן אל rheometer באמצעות ברגים. ודא כי מברשות פחמן על הרכבת מברשת פחמן להזדווג עם טבעות מתכת מחורץ של הטבעת להחליק. הדבר מבטיח תחזוקה של המגע החשמלי.
  4. חבור את מחברי סיכה נקבה על הרכבת מברשת הפחם ואת הרכבת בוב דיאלקטרי למחברי פיני הזכר של פסי צבירה העליונים ותחתונים בהתאמה. ודא שכבלי שכותרתו מוגן BNC מחוברים פסי הצבירה ויסתיימו ב מד LCR מותקנים במחברי BNC המקבילים שלהם.
  5. חברו את כבל BNC שכותרתו "ל- SAN" לכבל BNC המחוברים לכרטיס DAQ שכותרתו "AO0". חברו את כבל BNC שכותרתו "מ SANS" לכבל BNC המחוברים לכרטיס DAQ שכותרתו "AI0". חברו את כבל BNC שכותרתו "טריגר" לכבל BNC המחוברים לכרטיס DAQ שכותרתו "AO1". חברו אתכבל BNC למחבר 15 פינים בצד האחורי של rheometer לכבל BNC שכותרתו "Ai3". ודא מטר rheometer LCR מתקשרים עם המחשב המלא.

7. הכנת הכלי עבור מדידה

  1. לפתוח את התנור, להגדיר את הפער ל 100 מ"מימ, ועומס 4 מיליליטר של פיזור פחמן השחור קרבונט פרופילן לתוך הרכבת כוס דיאלקטרי equilibrated טמפרטורה, מטפל כדי למזער מדגם השאיר על קיר הכוס.
  2. מנמיכים את הגיאומטריה 40 מ"מ באמצעות מסך LCD הקדמי. קבע את מהירות על תוכנות שליטה rheometer באמצעות הגדרות שליטה מוטורית כדי 1 rad / s. שימוש באופציה המון על rheometer, הורד את המערך בוב דיאלקטרי עד למרחק הפער הוא 0.5 מ"מ.
  3. השימוש בתוכנת הציוד, ללכת פער מדידת גיאומטריה דיאלקטרי, ולהגדיר את מהירות המנוע על תוכנות שליטת rheometer באמצעות הגדרות שליטה המוטוריות כדי 0 rad / s. בשלב זה, המדגם הוא עומסed.
    הערה: בדוק את רמת המילוי המדגם פעם נוספת על מנת להבטיח כי רמת המדגם ממלאת את כל הדרך במעלה קיר Couette ללא מילוי יתר.
  4. התקן את המלכודת ממיס על ידי מילוי קיר הרכבת בוב דיאלקטרי הפנימי עם הממס הרצוי למקם את מלכודת הממס על שפת הרכבת כוס דיאלקטרי.

8. הפעלת הניסוי דיאלקטרי RheoSANS

  1. גדר קוד שכותרתו "TA_ARES_FlowSweep.vi". ממשק יופיע עם שדות הניתנים לשינוי אשר מפרטים את תנאי לרוץ ניסיוני של ניסוי RheoSANS דיאלקטרי. גדר בתחומים אלה לפי הסדר הבא.
    1. ציין נתיב לקובץ היומן ואת שם הבסיס של קובץ היומן. הפעל את הקוד על ידי לחיצה על כפתור החץ "Run" בשורת התפריטים.
    2. בחר פרמטרים הריאולוגיות - שיעור הגזירה החל (25 rad / s), וכלה בשיעור גזירה (1 rad / s), את מספר נקודות שיעור גזירה (6) והאם הנקודות צריכות להיות Logarithmically או במרווחים ליניארי (כפתור הרדיו). טמפרטורה בחר 25 מעלות צלזיוס למשך הניסוי הזה. בחר תנאים preshear (אם רוצים, לאפשר כפתור הרדיו כדי "ON") - בניסוי זה, להשתמש preshear של 25 rad / עבור 600 ים עם זמן המתנה של 300 אחרי צעד preshear.
    3. ציין זמן לכל דרג ואיסוף גזירה. אפשר כפתור הרדיו לחיצות ידיים. בכרטיסיית פרמטרי מבחן לבחור לטאטא לוגריתמים או ליניארי - אם כפתור רדיו הוא ירוק, רשימה של מספר N של נקודות תהיה במרווחים לוגריתמיות מן דק שיעור גזירה לשיעור גזירת מקסימום.
    4. ציין שיעורי גזירה בדידים פעמים דרך לשוני "ערכים בדידים" אם תרצה בכך. בחר את מספר נקודות תדר, המינימום התדיר ואת ברירת המחדל מקסימלית תדירות. הגדר את התדירות תלויה בזמן - מציין את התדירות תלויה הזמן הרצוי עבור כל שיעורי גזירה. קבע את הזמן עבור מצב יציב - קובע את משך הזמן שהקוד יהיה למדוד פרמטרים דיאלקטרי בכל freq קבועuency כפונקציה של הזמן עבור כל שיעור הגזירה.
    5. ציין את סוג משרעת האות. ציין את מספר מחזורי סכום ממוצע וזמן המדידה.
  2. הפעל autoLogging במחשב SANS. הגדר את תצורת SANS. בחר את התצורה ולציין את זמן הריצה להיות 1 דק 'כבר לפחות מ הזמן הכולל כלולים ברשימת שיעור גזירה בקוד.
    הערה: כאשר תצורת מושגת VIPER צריך לקרוא "stat Dio 16" אשר מציין כי הוא יהיה מחכים לאות אנלוגי מכרטיס רכישת נתונים לשינוי.
  3. הגדרת תוכנות שליטה rheometer. בלשונית הניסוי, "קובץ הליך פתוח" לחץ על "הנוהל" בתפריט נפתח. נווט אל קובץ ההליך שכותרתו "קובץ Script RheoSANS דיאלקטרי". ודא rheometer כי הוא מוכן לבצע ניסוי.
  4. כאשר SANS מוכן, להבטיח תוכנות שליטה מוגדרות ו rheometer המשךתסריט קובץ תוכנת רול פתוח, על "קבע פרמטרים". זה מעורר ביצוע הניסוי שציין וכל הנתונים צריכים להיות מחובר בכל ריצת המדגם המתוכנת מראש.

9. סוף הניסוי

  1. כבה את קרן נויטרונים ו אוטומטי בכניסה להשבית. תפרוק המדגם ולהסיר את מכלולי הכוס ובוב דיאלקטרי מן rheometer. התקן את מגן נושאת אוויר המנוע ולנעול מתמר.
  2. כבה את המחשב, מד LCR, וספקי כוח rheometer. ניתק את קו האוויר. נתק את כל כבלי BNC ולהתקין מחדש את המעלית מנוף על rheometer.
  3. הסר את החוטם המקוצץ. התקן מחדש את מתאם המנוף של rheometer. הרם את rheometer מהשולחן ולהניח על שולחן rheometer הבטיח שהכבלים להישאר להתירם.

איור 1
איור 1:.. א) - ה) תמונות של Co mponents של beamline SANS ואת Rheometer צורך להתקין Rheometer על beamline המוגדרים ו כהגדרתו להלן. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 2
איור 2: תמונות של רכיבי דיאלקטרי RheoSANS גיאומטריה עם תנאי הגדרה מתוויות שלמטה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3
איור 3: a.-d.) תמונות של נוהל התקנת טבעת סליפ על דיאלקטרי RheoSANS גיאומטריה, ו ה) תמונה של התאספו מלא דיאלקטרי RheoSANS גיאומטריה..ove.com/files/ftp_upload/55318/55318fig3large.jpg" target = '_ blank'> אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 4
איור 4: סכמטי של נתיב קרן דרך תנור גיאומטריה ו דיאלקטרי RheoSANS גיאומטריה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

נציג תוצאות מניסוי RheoSANS דיאלקטרי מוצגות איור 5 ו 6. נתונים אלו נלקחים על השעיה של פחמן שחור מוליך קרבונט פרופילן. אגרגטים אלה flocculate עקב אינטראקציות אטרקטיביות מקדמי מוצקים נמוכים יחסית להרכיב לים, כי הם מנהלים חשמליים. התגובות הריאולוגיות ומוליכות של השעיות כאלה שטח פעיל של מחקר חקירות נוכחיות מבקשות להבין את מקורותיה microstructural של מדידות אלה. מכשיר דיאלקטרי RheoSANS הוא כלי המתאים באופן ייחודי כדי לענות על שאלה זו כפי שהוא מבקש לבחון בו זמנית את המאפיינים מכאניים והחשמליים של חומר כפי שהוא עובר עיוותים דומות לאלה שנמצאו יישום כגון בתא זרימת חצי מוצק אלקטרוכימיים. בשנת תא כזה צורות תוסף ניצוח פחמן השחורות המספק מוליכות הפחית את פליתיאלקטרודות כנף.

הניסוי המתואר בנוהל נועד לבחון חומר מוליך כפי שהוא עובר מבחן זרימה לטאטא, שבו שיעור הגזירה הוא צעד לוגריתמיות מערך מקסימאלי לערך מינימום מחזיק בכל שיעור גזירה עבור פרק זמן קצוב. Rheology, נתונים דיאלקטרי פיזור נייטרונים נמדדים באופן רציף במהלך רצף ניסיוני זה. עם השלמת ניסוי RheoSANS דיאלקטרי, הנתונים מאוחסנים בשלושה פורמטים עצמאיים. הנתונים SANS מאוחסן כקובץ מצב במקרה הוא קובץ בינארי שנוצר על ידי גלאי המכיל את הרשימה של זמן ההגעה של כל נויטרון על גלאי ה- x, y של הפיקסל שעליו זוהה. נתוני rheology מאוחסנים בתוך תוכנת בקרת rheometer כקובץ נתונים נפרד וניתן לייצא כקובץ טקסט מופרד עמודה המכיל את הפרמטרים הריאולוגיות הרלוונטיים (כלומר 20 שימוש בגישה זו, את האותות נמדדים הגלם מן SANS, rheometer ואת מד LCR ניתן לשחזר כפונקציה של שניהם שיעור וזמן גזירה.

אחרי אותות הגלם מסודרים, הם מתוקנים באמצעות קבועי תא הריאולוגיות וחשמליים הידועים ושימוש יםשיטות להפחתת tandard SANS. הליך התיקון וניתוח נתונים דיאלקטרי מוצג ציור 5a לאחר הסרת המדידות במעגל הפתוחה קצרות בכל שיעור תדירות גזירה. לאחר תיקנה את האותות דיאלקטרי מומרים הרכיבים אמיתיים ומדומים של עכבה לעומת תדר. באיור א 5, יש חלקת ייצוג נייקוויסט מדידה דיאלקטרי של מדגם 0.08 משקל שבריר וולקן XC72 עובר גזירה קבועה בממוצע במשך 900 s האחרון של הרכישה. בייצוג נייקוויסט, המרכיבים האמיתיים ומורכבים של העכבה נרשמים פרמטרית אחד נגד השני. על המגרש השמאלי העליון, נקודות הנתונים הם שנצבעו לוגריתמיות ידי התדירות שבה המדידה נלקחת עם צהוב המייצג את התדר הגבוה ביותר (20 MHz) ושחור המייצג את התדירות הנגישה הנמוכה ביותר (20 הרץ). בעלילת ביניים, מַתִירוּת המדגם, Y *, או את ההופכי שלעכבה מורכבת, * Z, זוממת נגד התדירות. הוא מנורמל על ידי התא הידוע מתמיד, λ, ואת מוליכות המדגם ורגישותם חשמל מוגדרות רכיבים הדמיוניים וממשיים של הקבלה. בתגובת מדגם מנורמלת זו ניתן להמיר את permittivity המורכב, * ε, על ידי חלוקת מַתִירוּת ידי 2πƒε 0. לבסוף, אנו מתאימים permittivity המורכב של התגובה מדגם באמצעות מודל תגובה דיאלקטרי כסכום של הרפית Havriliak-Nagami וכן רכיב קבוע פאזה הלוקחים בחשבון את ההשפעות של קיטוב אלקטרודה. 20

איור 5
איור 5: א) סיכום של ניתוח נתונים דיאלקטרי;. שמאל נייקוויסט ייצוג, באמצע: מוליכות הרגישות לעומת תדר, נכון: permittivity מורכב לעומת תדר - דיאלקטריהמודל מהווה קיטוב אלקטרודה והרפית Havriliak-Negami לראות מעולף על גבי נתונים, ב) סיכום של ניתוח נתוני SANS.; משמאל: אני (Q) מ 0.08 משקל שבריר וולקן XC72 ב 1 rad / s בממוצע עבור 900 s האחרון של קצב גזירה, באמצע: התאמה למודל לשנותם כדי לדלל מדגם P (Q), מימין: גורם מבנה מדגם, S (Q) = ואני (Q) / (A · P (Q)) - עיגול אדום מציין המיקום Q-בעמדה שבה הם ערכים ממוצעים נתונים כדי להשיג את העומק גורם מבנה מינימלי, S 0. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

הנתונים במצב האירוע הגלם histogrammed ביחס לזמן על גלאי SANS דו-ממדי המייצג לי (x Q, Q y). עוצמת אות גלם זו תוקנה לאחר מכן עבור התא הריק, חסום קרן, והעברת מומר absoluסולם te עם יחידות ס"מ -1. לאחר תיקונים אלה, העוצמת המוחלטת ניתן להתוות כפונקציה של קצב וזמן גזירה. בשנת 5b איור, מצד השמאל, עוצמת הפיזור המופחתת דו הממדים לעומת x ו- y Q Q זממה. באמצע נשרטט גורם צורה, P (Q), מדורג על ידי prefactor, A, של ההתאמה למודל ההשעיה השחורה לדלל הפחמן על פני טווח Q זהה. לאחר מכן, אנו מחלקים לי (ש) על ידי A * P (Q) כדי להשיג S (Q) אשר מהווה גורם מבנים ברורים עבור אינטראקציות בין המצרפים שחור פרקטלית הפחמן המרכיבים את המדגם. בא העלילה דו ממדי S (Q) משולבת לפי שווי Q הנגיש המינימום = 0.0015 -1 לחשב S 0, שהוא אומדן של האינטראקציה הדוחה לכאורה בין אגרגטים פרקטלית. תוצאה זו ואז מומר שבר נפח כדור קשה מקביל.

באמצעות גישה זו,נתונים יציבים ניתן לנתח בכל שיעור גזירה ואת פרמטרי החילוץ שנובעים הוא ניתוח מבני ניתוח דיאלקטרי ניתן להתוות כפונקציה של שיעור הגזירה מיושם ומתח גזירה הריאולוגיות כפי שמוצגים באיור 6. כמו כן זמם הם S דו-ממד (Q) החלק במשך כמה גזירת שיעורי הריבית לסמן מעברי microstructural חשובים. בגלל הערכים הללו הם כל נמדד בו זמנית מאותו אזור בתוך Couette, הם ניתנים להשוואה ישירה ו בקורלציה. זו מודגשת על ידי העובדה כי מעברי מוליכות, LF κ, שברי נפח יעילים, φ HS, להתכתב עם העלייה של מתח כאשר מאמץ הגזירה עולה לחץ התשואה בסימן המעבר מהאזור א-ב. במעבר הזה, הוא φ HS וירידת LF κ אשר מזוהית עם המניב של ג'ל מקרוסקופית. ככל ששיעור הגזירה הוא גדל עוד יותר,גזירת המדגם מתעבה כפי שצוין על ידי העלייה הניכרת הצמיגות ואת עליות LF κ בעוד φ ממשיך HS כדי להקטין. מעבר זה מאופיין באזור II-III. עבור השעיות קולואידים מרוכזות, עיבוי גזירה קשור ההיווצרות של מבנים גדולים היוצרים כתוצאת אינטראקציות הידרודינמית שהטילו את זרימת הנוזל בתפזורת ברחבי החלקיקים השחורים פחמן הראשוני. כוחות הידרודינמית אלה לצייר המצרפים יחד וכתוצאה מכך לעלייה חדה מוליכות וצמיגות.

איור 6
איור 6: למעלה: דו מימדי S (Q) חלקות בשיעורים גזירה שמייצגים מעברים microstructural חשוב במדגם, התחתונה: סיכום של הריאולוגיות (מתח גזירה), דיאלקטרי (permittivity סטטי מוליכות בתדירות נמוכה) ופרמטרים SANS (SCA גורם le שברי נפח נשלל יעיל) כפונקציה של קצב גזירה יישומית. האזורים של אינטרסים מסומנים כמו I-III. בשינה הייתי באזור, שרץ שומר מבנה רשת מחובר. באזור השני, הג'ל macroscopically תשואות שמוביל לירידת מוליכות הכוללת. באזור III, קיימת התעבות גזירה לכאורה וכתוצאה מכך באשכולות וגידול מוליך. ברי שגיאה מייצגים סטיית תקן אחת מהממוצע. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

השרטוטים הטכניים של הרכיבים המרכזיים של גיאומטרית RheoSANS דיאלקטרי שמוצגת באיור 2 ניתנים דמויות משלים 1 - 8, כך גיאומטריה זה יכול להיות מועתקת על rheometers הדומה מבוקרת זן.

יור 1" src = "/ files / ftp_upload / 55,318 / 55318supfig1.jpg" />
איור 1 משלים: טכני סכמטי של המתאם דיאלקטרי הגביע. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 2 משלים
איור 2 משלים: טכני סכמטי של טרנספורמטור גביע סטריט. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3 משלים
איור 3 משלים: טכני סכמטי של טרנספורמטור בוב סטריט. בבקשה לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 4 משלים
איור 4 משלים: טכני סכמטי של טרנספורמטור בוב הפיר. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 5 משלים
איור 5 משלים: טכני סכמטי של שווי דיאלקטרי בוב. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 6 משלים
איור 6 משלים: טכני סכמטי של טרנספורמטור בוב העצרת.TP: //ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55318/55318supfig6large.jpg" target = '_ blank'> אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 7 משלים
איור 7 משלים: סכמטי טכני של מתאם סליפ רינג. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 8 משלים
איור 8 משלים: טכני סכמטי של מתאם פחמן המברשת. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

מודד בניסוי RheoSANS דיאלקטרי זמנית התגובות הריאולוגיות, חשמל microstructural של חומר כפי שהוא עובר עיוות מוגדרת מראש. הדוגמא המוצגת כאן היא השעיה שחורה מוליך חשמל פחמן המהווה תוסף מוליך השמש בתאי זרימת אלקטרוכימיים. מכשיר RheoSANS דיאלקטרי מאפשר החקירה של המטוס רדיאלי של גזירה בתוך תא Couette במרווח צר מבלי להתפשר על הנאמנות של אחד מדידת החשמל או הריאולוגיות. בנוסף, הגיאומטריה מאפשרת מרה של אותות גלם, מומנט, התנגדות, ו פאזה, לנכס משתנה מהותי כגון מאמץ גזירה, מוליכות permittivity. בניסוי המתואר בהליך זה, סוויפ זרימה מתבצע כאשר שיעור הגזירה הוא צעד לוגריתמיות מערך מקסימאלי לערך מינימום בעוד השיעור תלוי זמן גזירה תלוי מאפייני rheo-אלקטרו-מבניים נרשמים. ממדידה זו, אפשר לבחון את האבולוציה של מיקרו מוליכות של ג'ל פחמן שחור כפי שהוא מניב ולאחר מכן עובר זרם מקרוסקופית. בשל מדידת דיאלקטרי סימולטני, אנו מסוגלים לחקור את מקורו של הולכה בחומרים אלה בג'ל רחוק משיווי משקל כפי שהם נמסים. 20 משב זרימה הוא רק סוג אחד של מבחן פוטנציאל שניתן לבצע, ואת הגיאומטריה היא עיצוב כדי להכיל מגוון רחב של פרופילי גזירה תלוי זמן פוטנציאל. יש תוצאות אלו פוטנציאל לשפר את הביצועים של אלקטרודות סוללת זרימה ידי מנחה בגיבוש-צמיגות נמוכה, נוזלי מוליכות גבוהים. 21

רכיב מאפשר קריטי של ניסוי דיאלקטרי RheoSANS הוא הסנכרון של כל שלוש המדידות. סנכרון מאפשר כל שלושת מאפייני המדידה להשוות כפונקציה של זמן וקצב גזירה. זה מתאפשר על ידי היווצרותוalogue מפעיל פרוטוקול המקודד מעבר בשיעור גזירה בזמן הגעת ניטרונים. פרוטוקול זה מנצל רכישת מצב במקרה של גלאי SANS אשר יוצר רשימה רציפה של זמן הגעה ואת המיקום פיקסל של כל ניטרונים זוהו. השעה בשעון הגלאי ניתן לאפס באמצעות הדק אנלוגי, דופק 10 ms עם משרעת 5 V. זה מאפס את זמן ההגעה המוחלט של נויטרונים בתוך הרשימה. הפרוטוקול שתואר לעיל מאפשר השעון הזה כדי להיות לאפס כרגע המנוע דולק בין כל שיעור גזירה. פרוטוקול סנכרון זה מאפשר למשתמש לשחזר את האבולוציה microstructural של המדגם להחלטה פעמי של 100 מילישניות. מגבלה חשובה של שיטה זו היא כי כרגע אין דרך לשנות עמדת גלאי במהלך רכישה. לכן, רק עמדו גלאי בודד ניתן לרכוש עבור פרוטוקול ניסוי נתון. זה יהיה שיפור על ידי שינויי תוכנה קרובים הוא rheometerפרוטוקולים מלאים כמו גם בפעילות במכשירי SANS.

התוצאות שמספקות המכשיר החדש הזה להיפתח לדרך חדשה לחקור חומרים קולואידים פעילים חשמלי כפי שהם עוברים דפורמציה. בניגוד קיים rheo-חשמל, rheo-SANS, גיאומטריות דיאלקטרי-SANS, גיאומטרית RheoSANS דיאלקטרי המתוארת כאן היא מסוגלת מדידת סימולטנית דיאלקטרי-SANS תחת שדות גזירה מיושם באופן שרירותי. יש טכניקה זו רלוונטית לא רק לתאי זרימת אלקטרוכימיים אך התפתחות אלקטרודות תא דלק והתקנים אלקטרוניים אחרים שבם חומרים מעובד ממדינת הפתרונים ובכפוף גזירה מקרוסקופית. 22, 23, 24 הכלי גם רלוונטי לחקר חומרים אשר ניתן ומונעים תכונות מכאניות באמצעות שדה חשמלי מיושם. כל היישומים הללו ניתן ללמוד באופן פוטנציאלי מכוח flexiblעיצוב דואר של מכשיר זה ואת המתודולוגיה ובסינכרון הביצוע של כל פרוטוקול בדיקה.

העבודה נמשכת לשפר את הפרוטוקולים לביצוע ניסוי RheoSANS דיאלקטרי ויצירת מתודולוגיות בדיקות חדשות עבור מגוון רחב יותר של חומרים. בנוסף, בקרת אטמוספרי השתפר תופעל עם השיפור של העיצוב בתנור והחלפה הקרובה של חומר החלון בסביבה בתנור. זה יכלול עיצוב מלכודת ממס השתפר שיגרום ניסויים משכו זמן על נוזלי נדיפים ריאליים. תנור עתידי עיצובי גישת בטחת המטוס המשיק של גזירה אשר הודגם במכשירי RheoSANS הפעלה, אך היא לא כרגע יכולת שנבחנה ואושר של מכשיר RheoSANS דיאלקטרי.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

החוקרים אין לחשוף.

Acknowledgements

המחברים מבקשים להודות מרכז NIST עבור מספר הסכם שיתוף פעולה ניוטרון מחקר CNS # 70NANB12H239 מענק למימון חלקי במהלך פרק זמן זה, כמו גם את המועצה הלאומית למחקר על התמיכה. ציוד מסחרי מסוים, מכשירים, או חומרים מזוהים במאמר זה כדי לציין את הליך ניסיוני כראוי. זיהוי כזה אינו מיועד לרמוז המלצה או תמיכה על ידי המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה, והוא לא נועד לרמוז כי חומרים או ציוד זיהה הם בהכרח הזמין הטוב ביותר לצורך.

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