Bányai István és Novák Levente

Átírás

1 Szolok (szilárd lioszolok S/L), xeroszolok (*/S szilárd közegűek), gélek II. Bányai István és Novák Levente 1

2 Kolloid rendszerek (szerkezet alapján) Kolloid rendszerek Inkoherens rendszerek Koherens rendszerek (gélek) Diszperziós koll. szolok (liofób kolloidok) Makromol. Asszociációs Porodin (pórusos) Retikuláris (hálós) Spongoid (szivacsszerű) kolloid oldatok liofil kolloidok Szilárd kolloidok (xeroszolok): Szol-gél átalakulás Fibrilláris 1 dimenzióban kolloid méretűek Lamellás 2 dimenzióban Korpuszkuláris 3 dimenzióban 2

3 Diszperziós kolloidok (szolok) halmazállapot szerint Gáz közegű (aeroszolok) Folyékony közegű (lioszolok) Szilárd közegű (xeroszolok) L/G : folyadék aeroszol, pl. köd, permet S/G : szilárd aeroszol, pl. füst, kolloid por G/L : gázlioszol (tömény gázdiszperziók=hab) L/L : emulzió S/L : liofób kolloid szol, szuszpenzió, pl. aranyszol, fogpaszta G/S : szilárd hab, pl. polisztirolhab L/S : szilárd emulzió, pl. opál, igazgyöngy S/S : szilárd kolloid szuszpenzió, pl. pigmentált polimerek, füstüveg 3

4 Fogalmak, definíciók Szolstabilitás: tárgyaltuk (elektrosztatikus stabilizálás: DLVO elmélet, sztérikus stabilizálás) Szol: inkoherens diszperziós kolloid rendszer (a kolloid diszkontinuitások között nem alakul ki térháló, vázszerkezet) Xeroszol: szilárd/megszilárdult szol, nem aggregált állapotú, tehát nem gél (nincs vázrendszer) Gél: koherens kolloid rendszer, vázszerkezete van Kenőcs: nagy viszkozitású gél, nyírásra vékonyodik Krém: tömény emulzió (L/L), baktérium veszély Paszta : tömény szol (S/L) 4

5 Szolok vagy kolloid szuszpenziók Monodiszperz lioszolok előállítása: Alapvető probléma, mert szinte minden alkalmazás homodiszperz, vagy reprodukálható polidiszperz rendszert igényel. Diszpergálással nehéz előállítani egyenletes méretet. Kémiai szintézisel pl.: AgI szol (AgNO 3 + KI KNO 3 + AgI) Au (arany) szol (H[AuCl 4 ] + Na 3 -citrát forralással rubin színű Au szol) Kénszol (Na 2 S 2 O HCl 2 NaCl + S + SO 2 + H 2 O) Vashidroxid szol (FeCl 3 vízben Fe(OH) 3 hidrolízissel) A gócképződés, gócnövekedés ismerete nagyon fontos 5

6 LaMer-féle diagram (1950): kolloidok előállítása precipitációval Példa: céria (CeO 2 ) nanorészecskék gyártása 6

7 LaMer-féle diagram (1950): kolloidok előállítása precipitációval Yugang Sun, Chem. Soc. Rev. 42: (2013) 7

8 Az oldékonyság függése a görbületi sugártól (mérettől) ln p r p = 2γV m RTr ln L r L = 2γV m RTr p r : gőznyomás az r sugarú felület felett (N) L r : p r, c r, vagy μ r az r sugarú részecskében p: telítési gőznyomás a gáztérben (N) L: p, c, vagy μ a közegben γ: felületi feszültség (N/m) r: görbületi sugár (m) V M : moláris térfogat (m3/mol) 8

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,a molekulák kristályosodás után magukhoz vonzzák a vízrészecskéket, így a vízpárából sok apró jégszem keletkezik, melyek pozitív tartományba érve egyre kisebb méretűre zsugorodnak, vagy teljesen elolvadva eső formájában jutnak a földre. 9

10 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 tömörebb-lazább váza, benne pórusok retikuláris gélek: fonalak és rostok (makromolekulák) által alkotott kémiai és/vagy nem kémiai kötésekkel összekötött váz spongoid gélek: hártyákból, filmekből kialakult váz szivacsszerű szerkezet Analógia a szilárd kolloidokkal(xeroszolok): Fibrilláris 1 dimenzióban kolloid méretűek Retikuláris gél Lamellás 2 dimenzióban Spongoid gél Korpuszkuláris 3 dimenzióban Porodin gél

11 Gélek 11

12 Gélek üvegtest 12

13 13

14 Szilikagél (SiO 2 x n H 2 O) Porodin gél (szilika)

15 Porodin gél (agyag) Pl. bentonit: nagyrészt (Na,Ca) 0.33 (Al,Mg) 2 Si 4 O 10 (OH) 2 (H2O) n összetételű (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 súlya 4-5 szörösének megfelelő tömegű vizet vesz fel Összetétel: víz + agyag + barit (a fajsúlya miatt) + xantán ill. karboximetil-cellulóz (a viszkozitás növelésére)

16 olajfúrás 1

17 olajfúrás 2 fúrócső csere, béléscsőre, majd kis részletekben tovább, míg az olajréteget el nem érik, perforálás, szivattyú elhelyezése

18 Szol-gél technológia és termékei Xerogél film Hő Tömör film Fém-alkoxid Oldat Nedves gél Xerogél Tömör kerámiák Elpárologtatás Hidrolízis Polimerizáció Aerogél Egyforma részecskék Szol Kemence Kerámia szálak 18

19 Aerogél ( megfagyott füst ) Az aerogél a legkisebb sűrűségű szilárd anyag, amit liogélből folyadék- gáz cserével állítanak elő. Extrém kis sűrűsége mellett rendkívüli szigetelőképessége nevezetes. A megfagyott füst becenév a megjelenéséből adódik. Először szilikagél alapon állitották elő, ma már fémoxidokból is (aluminium oxid, króm és cink oxid), sőt szén alapú aerogél is van a 1990-es évektől. Structure of aerogel 19

20 Aerogel A folyadék cseréje gázra! State-of-the-Art Manufacturing Technology Si helyett Al is lehet biokompaibilisek 20

21 Ezen felül egy szupekritikus folyadéknak nincsen felületi feszültsége, mivel nincs folyadék/gáz fázishatár. A folyadék nyomásának és hőmérsékletének beállításával a fázis tulajdonságát megváltoztathatjuk a folyadékszerű vagy a gázszerű irányba. 21

22 22

23 23

24 Szilika aerogélek elıállítása A szervetlen, így a szilika aerogélek előállítása is általában fém-alkoxidokból (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. 1. Az alkoxidok gélesítésének két alapfolyamata van: Hidrolízis: Si(OC2H5)4(al) + H2O Si(OC2H5)3(OH)(al) + C2H5OH (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 A gélesítés első fázisában az Si O Si kötések kialakulásával nanoméretű elemi részecskék jönnek létre. 24

25 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 favorizált, 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. Az alábbi ábrák szilika aerogélek transzmissziós elektronmikroszkópos (TEM), szeres nagyítású felvételei. 25

26 A szén aerogélek kovalens kötésekkel összetartott, szénvázú ( C C ) porózus rendszerek. A szén aerogélek elıállításának első lépése egy polimer aerogél rendszer készítése általában rezorcinból (C6H4(OH)2) és formaldehidből (CH2O). 26

27 Liogélek (oldószer van a térhálóban) Polimergélek ( intelligens gélek), körülményektől függően (hőmérséklet, ph, elegy só stb.) reversibilisen változnak Gyógyszer szállítás (drug delivery) pelenkák 27

28 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, a negativ töltések taszitása miatt a gombolyag kigombolyodik: Hidrogélek a mindennapi szóhasználatban ezek a kocsonyák, aludttej, gyümölcs kocsonya, csiriz,duzzasztott enyv. 28

29 A negativ töltés miatt akár 500 szoros vizet is megköthe (baba pelenka) Ha sót adunk a rendszerhez a a töltés kompenzáció miatt megváltozik az alak és kiszorul a víz. 29

30 Hulladék szilárdítása A szilárd hulladék könnyebben kezelhető Tárolása jobban megoldható A megsemmisítés is könnyebben elérhető 30

31 Különleges polimergélek PDMS: poli(dimeti-sziloxán) elasztomerek 31

32 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. 32

33 Gélmotor, kollagén kémiai olvadása só hatására Az 1. ábra az első folyamatosan működő gélgép mûködési elvét mutatja. A sóoldatba merülő kollagén szál kémiai olvadása miatt a sóoldatból a kútkerékhez vezető mindkét szálban azonos nagyságú húzóeró ébred. Mivel e két gélszál a kútkerék eltérő 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 eltérő összetételű folyadéktartályban a koncentrációk ki nem egyenlítődnek, ugyanis a gép működése során az alkáli-ionok a hígabb oldatba kerülnek át. 33

34 Hőmérséklet N-izopropil-poliakrilamid gél Kritikus szételegyedési pont 34 fok 34

35 PEM (proton exchange mebrán) energiacella 35

36 Xerogél bevonatok A szol szintézise, bemerítés, oxidbevonat készítése, nátrium boroszilikát bevonat üvegre alacsony hőmérsékleten! Rendezett szerkezetű, néhány nanométeres vastagságú oxid bevonatok közel szobahőmérsékleten Szárítás, tömörítés 36

37 Xerogél filmbevonatok alkalmazásai, modern opál Interferencia, optikai szűrők (anti-reflection coatings for the areas of UV, VIS and NIR. Applications: From Architectural Application to UV protection 1992 Prinz Optics (Sol-Gel Dip Coating Process). Nagy és görbült felületek pl. csövek belső bevonására

38 dcolor/interferenceintro.html 38