Szolok (szilárd lioszolok S/L), xeroszolok (*/S szilárd közegűek), gélek II.
Bányai István
http://kolloid.unideb.hu 1
Kolloid rendszerek (szerkezet alapján) Kolloid rendszerek
inkoherens rendszerek
diszperziós k. szolok (liofób kolloidok)
makromol.
asszociációs
2010.03.10.
porodin (pórusos)
kolloid oldatok liofil kolloidok
Szol-gél átalakulás: xeroszolok
koherens rendszerek gélek
retikuláris hálós
korpuszkuláris lamellás
Spongoid szivacsszerű
fibrillás
http://www.iupac.org/reports/2001/colloid_2001/manual_of_s_and_t/node34.html
8. előadás http://www.du.edu/~jcalvert/phys/colloid.htm
2
Diszperziós kolloidok (szolok) Halmazállapot szerint Gázközegű aeroszolok
L/G folyadék aeroszol: köd, permet S/G szilárd aeroszol: füst, kolloid por 2010.03.10.
Folyékonyközegű lioszolok G/L gázlioszolok (tömény gázdiszperziók=hab) L/L emulzió 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 polimerek 3
Fogalmak, definíciók • Szolstabilitás: tárgyaltuk (DLVO elmélet, szterikus stabilizálás) • Szol: inkoherens rendszer • Paszta : tömény szol. Xerosol: megszilárdult szol, nem aggregált állapotú, tehát nem gél • Gél: koherens rendszer, de vázszerkezete van • Krém: tömény emulzió (L/L), baktérium veszély • Kenőcs: zsír
4
Szolok vagy kolloid szuszpenziók Monodiszperz hidroszolok előállítása: Alapvető probléma, mert szinte minden alkalmazás homodiszperz, vagy reprodukálható polidiszperz rendszert igényel Diszpergálással nehéz (Top to bottom). Csapadékképzés (bottom to top) AgI szol (AgNO3+ KI), Au (arany) szol (HAuCl4 forralás+ Na-citrát rubin színű szol, Cassius-bíbor) Kénszol (Na2S2O3 and HCl ) Vashidroxid szol , FeCl3 hidrolízis Gócképződés gócnövekedés ismerete nagyon fontos
5
Diszperziók előállítása 1. Dezintegrálás (diszpergálás, dezaggregálás) Munkavégzés szükséges (több új felület) 2. Kondenzálás (nukleáció) Aktiválási energia kell (új felület)
Diszpergálás Szilárd anyagok diszpergálása: őrlés, aprítás
(általában 1-10 mm; ásványelőkészítés, szilikátipar) Eszközök: golyósmalom, hengerszék, kolloidmalom, fúvókás malom (legfinomabb szemcseméret) Az őrlési körülmények optimalizálása Szilárd anyagok diszpergálását elősegítő tényezők: -idegen anyag -nedves őrlés -tenzid adalékolása (Rehbinder-hatás)
Újra összetapadnak
Az oldékonyság függése a görbületi sugártól (mérettől)
8
LaMer-féle diagram (1950): kolloidok előállítása
Példa: céria nanorészecskék gyártása
9
Jégeső keletkezése, elhárítása A tavasztól kora nyárig terjedő időszakot nevezhetjük a jégesők „idényének”. Az évnek ebben a szakában a napsugárzás jelentősen képes felmelegíteni a talajt, a felsőbb légrétegek viszont hűvösek, ennek következtében a meleg levegő hatalmas erővel áramlik felfelé és jelentős mennyiségű vízgőzt szállít magával. A vízgőz egyre feljebbfeljebb jutva megfagy, s mivel a feláramlás eleinte a nagyobb jégdarabokat sem engedi lehullani azok egyre „híznak” a magasabb,hidegebb rétegeken „átutazva”! Ahogy nő a magasság, úgy csökken a meleg levegő felhajtóereje is, míg végül a hatalmasra hízott jégdarabok elindulnak a föld felé.
A jégkristály szerkezetéhez nagyon hasonló mikron méretű ezüstjodid molekulákból álló részecskéket juttatunk a légtérbe, ezek magukhoz vonzzák a vízrészecskéket, így a vízpárából sok apró jégszem keletkezik az AgI-on, melyek pozitív hőmérsékletű tartományba érve egyre kisebb méretűre zsugorodnak, vagy teljesen 10 elolvadva eső formájában jutnak a földre.
Ezüst kolloid
11
Fémkolloidok
http://napidoktor.hu/blog/termeszetesen/igazi-gyogyszer-azezustkolloid/
12
A gélek • Definíció
– Olyan koherens kolloid rendszerek, amelyben egy komponens gélvázat képez, és benne a diszperziós közeg van (fluid)
• Típusai
– porodin gélek: különböző méretű és alakú részecskék (particles !) tömörebb lazább váza, benne pórusok – retikuláris gélek: fonalak és rostok (makromolekulák) által alkotott kémiai és nem kémiai kötésekkel összekötött váz – spongoid gélek: hártyákból, filmekből kialakult váz szivacsszerű szerkezet
2007.03.20
14.előadás
Gélek
14
Gélek
15
16
Porodin gél (szilika) • Szilikagél (SiO2x nH2O)
2007.03.20
14.előadás
Porodin gél (agyag) • Pl. bentonit: (Na,Ca)0.33(Al,Mg)2Si4O10(OH)2·(H2O)n (montmorillonit) Fúróiszap: 1. Ez hozza fel a törmeléket (viszkozitás) 2. Hűti és keni a fejet 3. Ellennyomást fejt ki (sűrűség) 4. A fal pórusait eltömi nincs veszteség 5. Szilárdítja a kút falat betonozás előtt
súlyának 4-5 szöröse vizet vesz fel Összetétel: agyag+ barit (súly)+xantan carboxi-metil cellulóz (viszkozitás) 2007.03.20
14.előadás
olajfúrás 1
2007.03.20
14.előadás
olajfúrás 2
fúrócső csere, béléscsőre, majd kis részletekben tovább, míg a olajréteget el nem érik, perforálás, szivattyú elhelyezés 2007.03.20 14.előadás
Szol gél technológia és termékei
21
Aerogel „megfagyott füst” Az aerogel a legkisebb sűrűségű szilárd anyag, amit liogélből folyadék- gáz cserével állítanak elő. Extrém kis sűrűsége mellett rendkivüli szigetelőképessége nevezetes. A megfagyott füst becenév a megjelenéséből adódik. Először szilikagél alapon állitották elő, ma már más fémoxidokból is; aluminium oxid, króm és cink oxid, sőt szén alapú aerogél is van a 1990-s évektől.
http://www.youtube.com/watch?v=mAJWyRIDDVQ http://www.youtube.com/watch?v=HoCAxS4vqwQ
Structure of aerogel
http://stardust.jpl.nasa.gov/photo/aerogel.html
22
Aerogel
A folyadék cseréje gázra!
State-of-the-Art Manufacturing Technology
http://www.resonancepub.com/aerogel.htm http://en.wikipedia.org/wiki/Aerogel
Si helyett Al is lehet biokompaibilisek
23
In addition, there is no surface tension in a supercritical fluid, as there is no liquid/gas phase boundary. By changing the pressure and temperature of the fluid, the properties can be “tuned” to be more liquid- or more gas-like.
24
Szilika aerogélek előállítása • A szervetlen, így a szilika aerogélek előállítása is általában fémalkoxidokból, ⌠Me(OR)x⌡, indul ki. A színtézis első lépése oldószer (rendszerint kis szénatomszámú alkohol) tartalmú gél készítése. Ezekben a gélekben a háromdimenziós térháló üregeit nem levegő, hanem oldószer tölti ki.
•
Az alkoxidok gélesítésének két alapfolyamata van: – Hidrolízis: Si(OC2H5)4(al) + H2O Si(OC2H5)3(OH)(al) + C2H5OH Ahol:⌠A Si(OC2H5)4(al) tetraetoxi-szilán alkoholos oldatát jelenti.⌡ – Kondenzáció: ≡Si–OH(al) + HO–Si≡(al) ≡Si–O–Si≡(al) + H2O ≡Si–OR(al) + HO–Si≡(al) ≡Si–O–Si≡(al) + ROH 25
Az aerogélek tulajdonságai • Előállítás körülményei
– Az, hogy az elemi részecskék milyen nagyobb méretű szerkezetet építenek fel, alapvetően a pH-tól függ. – Savas közegben a két alapfolyamat közül a hidrolízis a favorit, a kondenzációs folyamatok lassúak. Ennek következtében sok és kis méretű részecske keletkezik, kis pórusokkal, elágazó láncszerkezetet alkotva. – Bázikus közegben a kondenzációs reakciók felgyorsulnak, nagyobb részecskék keletkeznek, nagyobb pórusok. Az elemi részecskék által felépített szerkezet aggregátumok véletlenszerűen összekapcsolódott halmaza, jóval tömörebb, mint a savas közegben kialakuló struktúra.
26
27
28
Szén aerogélek A szén aerogélek kovalens kötésekkel összetartott, szénvázú (─C─C─) porózus rendszer. A szén aerogélek elıállításának első lépése egy polimer aerogél rendszer készítése általában rezorcinból ⌠C6H4(OH)2⌡ és formaldehidbıl (CH2O).
29
Liogélek (oldószer van a térhálóban) Polimergélek (“intelligens” gélek), körülményektől függően (hőmérséklet, pH, elegy só stb.) reverzíbilisen változnak
Gyógyszer szállítás (drug delivery)
30
Hidrogélek Hidrofil csoportokat tartamazó térhálósodó polimerek gyakran karboxil csoportokat tartalmaznak Legközönségesebb hidrogél nátrium poliakrilátból (poly (sodium propenoate)) állitható elő. Az ismétlődő egység:
A polimer lánc általában statisztikus gombolyagként ( randomly coiled molecules) van jelen. Ha eltávolítjuk a sót (Na+ ionokat, hígítással), a negatív töltések taszítása miatt a gombolyag kigombolyodik: Hidrogélek a mindennapi szóhasználatban ezek a kocsonyák, aludttej, gyümölcs kocsonya, csiriz,duzzasztott enyv. http://www.gcsescience.com/o69.htm
31
A negativ töltés miatt akár 500 szoros vizet is megköthet (baba pelenka)
Ha sót adunk a rendszerhez a a töltés kompenzáció miatt megváltozik az alak és kiszorul a víz.
32
Hulladék szilárdítása • A szilárd hulladék könnyebben kezelhető • Tárolása jobban megoldható • A megsemmisítés is könnyebben elérhető
33
Különleges polimergélek
PDMS: poly(dimethyl-siloxane) elastomers
34
Poli-aszparaginsav gél: mesterséges izom, hatóanyagleadás
A pH-izom olyan polisav makromolekulákból áll, amelyek disszociációjának mértéke a környezet pH-jától függ. Savas közegben a gél gyakorlatilag nem tartalmaz ionokat. Ha a közeg pH ját növeljük, azaz lúgosítjuk, akkor a disszociáció következtében a polimer molekulákon töltések jelennek meg. Ezeknek taszító hatására, valamint az ellenionok ozmózis nyomására a gél térfogata jelentős mértékben megnő. Ha a töltéseket a pH csökkentésével megszüntetjük, akkor az eredeti méret áll vissza.
35
Gélmotor, kollagén „kémiai” olvadása só hatására
Az 1. ábra az elsô folyamatosan működő gélgép mûködési elvét mutatja. A sóoldatba merülő kollagén szál kémiai olvadása miatt a sóoldatból a kútkerékhez vezetô mindkét szálban azonos nagyságú húzóeró ébred. Mivel e két gélszál a kútkerék eltérõ sugarú hengerére tekeredik, a forgatónyomatékok különbözősége miatt a kútkerék elfordul. Hasonló, csak ellentétes irányú erőhatások ébrednek a vízzel érintkező szálrészben is. A gép addig forog, amíg a két, eredetileg eltérõ összetételû folyadéktartályban a koncentrációk ki nem egyenlítődnek, ugyanis a gép működése során az alkáli-ionok a hígabb oldatba kerülnek át. http://epa.oszk.hu/00700/00775/00006/1999_06_03.html
36
Hőmérséklet
N-izopropil-poliakrilamid gél Kritikus szételegyedési pont 34 fok
37
PEM (proton exchange mebrán)
38
Xerogel bevonatok A szol szintézise, bemerítés, oxidbevonat készítése, nátrium boroszilikát bevonat üvegre alacsony hőmérsékleten!
Szárítás, tömörítés
Rendezett szerkezetű, néhány nanométeres vastagságú oxid bevonatok közel szobahőmérsékleten 39
Antireflexiós bevonatok
40
http://www.molecularexpressions.com/primer/ lightandcolor/interferenceintro.html
41
