Aeroszolok, lioszolok, xeroszolok I. Bányai István Kolloid- és Környezetkémiai Tanszék (Király Zoltán diái felhasználásával) http://koll1.chem.u-szeged.hu/colloids/staff/ zoli/kemiabsc/8a_inkoherens %20rendszerek_aeroszolok_habok.pdf
kolloid.unideb.hu/ 2010.03.10.
8. előadás
1
Kolloid rendszerek (szerkezet alapján) Kolloid rendszerek
koherens rendszerek gélek
inkoherens rendszerek
makromol. diszperziós k. asszociációs porodin szolok (pórusos) (liofób kolloidok) kolloid oldatok liofil kolloidok
retikuláris hálós
korpuszkuláris
fibrillás
Spongoid szivacsszerű
lamellás
Szol-gél átalakulás: xeroszolok http://www.iupac.org/reports/2001/colloid_2001/manual_of_s_and_t/node34.html
2010.03.10.
8. előadás http://www.du.edu/~jcalvert/phys/colloid.htm
2
Diszperziós kolloidok (szolok) halmazállapot szerint
Gázközegű aeroszolok
Folyékonyközegű lioszolok
L/G folyadék aeroszol: köd, permet
G/L gázlioszolok
S/G szilárd aeroszol: füst, kolloid por
L/L emulzió
2010.03.10.
(tömény gázdiszperziók=hab) S/L liofób kolloid szol, szuszpenzió (aranyszol, fogpaszta) 8. előadás
Szilárdközegű xeroszolok G/S szilárd hab: polisztirol hab L/S szilárd emulzió: opál, igazgyöngy S/S szilárd kolloid szuszpenzió: pigmentált 3 polimerek
Diszperziós kolloidok előállítása 1 kondenzálás Homogén rendszer (amikroszkópos diszperz rendszer)
diszpergálás Kolloid diszperz rendszer
disszolúció
Heterogén durva diszperz rendszer koagulálás
Heterogén rendszerből diszpergálással, diszperziós kolloidok 1. lépés: méretcsökkentés, 2. lépés: eloszlatás aprítás (szolok, S, L v. G) emulgeálás (emulziók, L, L) peptizálás (gélek „visszahozása” a másodlagos minimumból) porlasztás (F,G) A hatékonyság a felületi feszültségtől és a viszkozitástól függ (kisebb a felületi feszültség könnyebb, nagyobb a viszkozitás stabilisabb)
2010.03.10.
8. előadás
4
Diszperziós kolloidok előállítása 2. kondenzálás Homogén rendszer (amikroszkópos diszperz rendszer) disszolúció
diszpergálás Kolloid diszperz rendszer
Heterogén durva diszperz rendszer koagulálás
Kondenzálás: 1. lépés: un. túltelített rendszerből egyensúly felé tartva (gócképződés) 2. lépés: gócnövekedés Fizikai folyamatban kondenzálódás kristályosodás Kémiai folyamatokba csapadékok képződés azonos halmazállapotú új fázis 2015.03.11. 8. előadás gázképződés
5
Gázközegű diszperziók: aeroszolok
2010.03.10.
8. előadás
6
Aeroszol (L/G, S/G) Atmoszférikus aeroszolok
A kisméretű aeroszolok szórják a fényt, hűlést okoznak
Termikus szilika Szén nanorészecskék erősítő anyagok • autógumi nyomtatófesték műanyagok
2010.03.10.
8. előadás
Fumed Silica (silicon dioxide) Aggregates Thermal conductivity: 12 to 16 mW/m·K Light transmission: 20 to 80% at 2 cm Particle density: 140 kg/m³, Bulk Density: 40-100 kg/ m³ , Surface area: 700 m2/ g ,Porosity: > 90% Particle size: 5µ - 5 mm (aggregated) Surface Chemistry hydrophobic, reinforcement, thickening & thixotropy, anti-scratch - hydrophilic 7 and hydrophobic fumed silicas
Fogalmak
2010.03.10.
8. előadás
8
Aeroszolok
2010.03.10.
8. előadás
9
Stabilitás
Otpimuma van a tartózkodási8.időnek, vagy a megtett távolságnak előadás
2010.03.10.
10
G/L diszperziók: habok
2010.03.10.
8. előadás
11
Gázdiszperziók, habok A diszperz rész a gázfázis, a közeg folyadék (pl szódaviz) Ha a diszpergált gáz kolloid méretű akkor gázlioszol Tömény gázdiszperziók a habok
Tömény lioszol. A folyadék a közeg, amely vékony hártyává torzul, a gáz térfogat sokkal nagyobb http://www.tcd.ie/Physics/Foams/index.php 2010.03.10.
8. előadás
12
Habképződés modellje
Buborékolás (pórusos testen) módszere küszöbnyomás, p=2γ/r Minél nagyobb nyomással préseljük, annál kisebb a buborék 2010.03.10.
8. előadás
13
A habok képződése: Laplace nyomás
2γ ΔP = r
Buborékoltatás: híg habok pr
p
Poliéderes cellák: tömány habok
2010.03.10.
p
Két buborék lebeg a folyadék levegő határfelületen. A nyomás a B helyen kisebb mint az A vagy A` helyen (folyadék irányból)
A nyilak mutatják a folyadékáramlást, a Laplace-nyomás miatt a csomópontokba gyűlik. A hártya elvékonyodik, elszakad. Glicerin hozzáadására nő a viszkozitás az áramlás sebessége lecsökken, így hosszabb ideig stabilis a hab. 8. előadás
14
Hab szerkezete • Habképző szükséges anélkül nem stabilisak ! • Habszerkezet:
Gömb alakú buborékok <70-75%
A habszerkezet ha „nedves” a hab. 400X nagyítás
Száraz hab szerkezete 400X nagyítás
poliéderes cella
/www.ctmw.com/articles/Rita/2.htm
2010.03.10.
8. előadás
15
Interferencia: habok színe Soap Bubbles as Art
Eltérő szinek 2010.03.10.
http://www.tcd.ie/Physics/Foams/duran.php 8. előadás
16
Stabilizáció
2010.03.10.
8. előadás
17
Marangoni hatás
2010.03.10.
8. előadás
18
Marangoni-hatás When a surfactant-stabilized film undergoes sudden expansion, then immediately the expanded portion of the film must have a lower degree of surfactant adsorption than unexpanded portions because the surface area has increased (see Figure 3.24). This causes an increased local surface tension which provides increased resistance to further expansions. If unchecked, further thinning would eventually lead to film rupture. However, the local rise in surface tension produces an immediate contraction of the surface. Since the surface is coupled by viscous forces to the underlying liquid layers, the contraction of the surface induces liquid flow from the low-tension region to the high-tension region. The transport of bulk liquid due to surface tension gradients is termed the Marangoni effect; it re-thickens the thin films and provides a resisting force to film thinning
2010.03.10.
8. előadás
19
Hab stabilitás, gátlás, törés A folyadék habok stabilitását 3 fő folyamat szabja meg: Oldószer kiáramlás Durvulás: a gáz diffundál a buborékok között a nyomás különbség miatt, egyes buborékok nőnek mások eltűnnek. Az eredmény nő az átlag méret. Film szakadás: ha a film túl vékony akkor gyenge és elszakad. pl,. Rövid láncú savak illetve alkoholokból gyenge film képződik. Közepesen stabil, habok képződnek szappan, szintetikus mosószerek fehérjék, szaponinek stb alkalmazásával. •Habzásgátló– a habképződés ellen adjuk, kicserélik a habképzőt, vagy szolubilizálják azt micellában, segitik a buborékok coalescenciáját. Simethicone szájon át alkalmazott habzásgátló polydimethylsiloxane és silica gel Infacol, Mylicon stb. Felnőtt, csecsemő. •Habtörés – mechanikai hatás, lökés hullám, nyomó hullám, ultrahang, centrifuga, melegítés, elektromos szikra stb. •Habtörő anyagok – a meglévő habhoz adjuk kis cseppek alakjában amely bemegy a lamellák közé elvékonyítja és megtöri. http://www.tcd.ie/Physics/Foams/drainage.php 2010.03.10.
8. előadás
20
Habzásgátlók Levegő, Laplace-nyomás L
(a) habzásgátló csepp. (b) A felületre ér (c ) szakad a fal.
Habzásgátló jelenlétében az egyik felszín elveszti a töltését, megszűnik az elektrosztatikus taszítás 2010.03.10.
•”Antifoam” – a cseppek belépnek a lamellák közé elvékonyítják
8. előadás
21
Adszorpciós destabilizálás
2010.03.10.
8. előadás
22
Élelmiszerek
2010.03.10.
8. előadás
23
Élelmiszer 2
2010.03.10.
8. előadás
24
Különleges habok
2010.03.10.
8. előadás
25
L/L diszperziók: emulziók
2010.03.10.
8. előadás
26
Emulziók, terminológia Az emulziókban a diszpergált folyadék részben vagy egyáltalán nem oldódik a közegben. 1 fázis
2 fázis
csepp
szérum
diszpergált
közeg
belső
külső
nem folytonos
folytonos rész
cseppméret: 0.1-10 mm
poliéderes cellák 2010.03.10.
O/W (olaj vízben), W/O (víz olajban ) emulziók és kettős folytonosságú ún. bikontinusz emulziók, valamint összetett emulziók 8. előadás
27
Emulzió típusai: o/w vagy w/o • A típus meghatározása: 1. Többnyire az O/W emulzió krémesebb és a W/O zsírosabb tapintású 2. Az emulzió a közegével könnyen hígítható 3. Az emulzió a közegben oldódó festékkel színezhető 4. O/W-nak általában sokkal nagyobb az elektromos vezetőképessége mint a W/O emulziónak
Nem feltétlenül az a közeg amelyik nagyobb térfogatú! 74 tf% felett vagy fázis inverzió vagy a cseppek alakja változik gömbről poliéderre. 2010.03.10.
8. előadás
28
Készítése
2010.03.10.
8. előadás
29
Stabilizálása
2010.03.10.
8. előadás
30
Emulzió jellege
2010.03.10.
8. előadás
31
HLB Skála
1 Griffin: HLB = 20 * Mh / M
20
Mh, M a hidrofil rész illetve az egész molekula tömege (Mh+Ml)
Davies: HLB = 7 + m * Hh - n * Hl HLB érték additiv: egy keverék HLB értéke az egyedi értékek tömeg súlyozott átlaga
Példák:
m, Hh a hidrofil csoportok száma illetve a hidrofilitás értéke, n, Hl a lipofil csoportok száma illetve a lipofilitás értéke
50 % Span 60 (HLB = 4.7) és 50 % Tween 60 (HLB = 14.9)? 4.7 x 0.5 + 14.9 x 0.5 = 9.8
Milyen arányban kell alkalmazni a Span 80 (HLB = 4.3) és Tween 80 (HLB = 15.0) tenzideket , hogy a “kivánt” HLB 12.0 legyen? (4.3*(1-x) + 15*x = 12; 28% & 72%) Griffin WC: "Classification of Surface-Active Agents by 'HLB,'" Journal of the Society of Cosmetic Chemists 1 (1949): 311 Griffin WC: "Calculation of HLB Values of Non-Ionic Surfactants," Journal of the Society of Cosmetic Chemists 5 (1954): 259 Davies JT: "A quantitative kinetic theory of emulsion type, I. Physical chemistry of the emulsifying agent," Gas/Liquid and Liquid/ Liquid Interface. Proceedings of the International Congress of Surface Activity (1957): 426-438
http://www.snowdriftfarm.com/what_is_hlb.html hasznos tanacsok! 2010.03.10.
8. előadás
32
HLB értékek
2010.03.10.
8. előadás
33
HLB Számos emulgeálószer amfifil jellegét ki lehet fejezni a HLB empirikus skála értékkel (főleg a nemionos tenzidekre alkalmas) HLB=7+ hidrofil csoportok – lipofil csoportok Alkalmazás
Diszpergálhatóság vízben
3-6 W/O emulgeáló szer
nem
7-9 wetting agents
3-6 gyengén
8-15 O/W emulgeáló szer diszperzió
6-8 nem stabil tejszerű
13-15 mosószer
8-10 stabil tejszerű diszperzió
15-18 szolubilizálószer oldat
10-13 átlátszó diszperzió vagy 13- víztiszta oldat
HLB arányos az víz / oktanol oldhatóság aránnyal 2010.03.10.
8. előadás
34
HLB
2010.03.10.
8. előadás
35
Inverzió
2010.03.10.
8. előadás
36
Emulzió inverzió Ahogyan az olajfázis koncentrációja nő (A) a cseppek közel kerülnek, átfordulnak (B).
A vaj készítése
A tej egy híg (4%), nem túl stabilis olaj a vízben emulzió • Fölöződés, keletkezik egy 30-40 %-os, o/w emulzió. • hidegen való „köpüléssel”, 13 – 18 C, invertálják W/O emulziót készítenek 85%-os zsírtartalommal, az „író” elkülönül. Élelmiszerek, növényvédőszerek, kozmetikumok,impregnálószerek, fúróolaj stb. 2010.03.10. 8. előadás
37
Porral stabilizált emulziók
2010.03.10.
8. előadás
38
Többfázisú emulziók– drops in drops in drops
http://www.rsc.org/delivery/_ArticleLinking/DisplayArticleForFree.cfm?doi=b501972a&JournalCode=SM
gyógyszerszállítás 2010.03.10.
8. előadás
39
Az emulziók megszűnése
2010.03.10.
8. előadás
40
