Aeroszolok, lioszolok, xeroszolok I. Bányai István Kolloid- és Környezetkémiai Tanszék (Király Zoltán diái felhasználásával) http://koll1.chem.uszeged.hu/colloids/staff/zoli/kemiabsc/8a_inkohe rens%20rendszerek_aeroszolok_habok.pdf kolloid.unideb.hu/ 2010.03.10. 8. előadás 1
Kolloid rendszerek (szerkezet alapján) Kolloid rendszerek inkoherens rendszerek koherens rendszerek gélek diszperziós k. szolok (liofób kolloidok) makromol. asszociációs porodin (pórusos) retikuláris hálós Spongoid szivacsszerű kolloid oldatok liofil kolloidok korpuszkuláris fibrillás 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 2 http://www.du.edu/~jcalvert/phys/colloid.htm
Diszperziós kolloidok (szolok) Halmazállapot szerint Gázközegű aeroszolok Folyékonyközegű lioszolok Szilárdközegű xeroszolok L/G folyadék aeroszol: köd, permet S/G szilárd aeroszol: füst, kolloid por G/L gázlioszolok (tömény gázdiszperziók=hab) L/L emulzió S/L liofób kolloid szol, szuszpenzió (aranyszol, fogpaszta) G/S szilárd hab: polisztirol 2010.03.10. 8. előadás 3 hab L/S szilárd emulzió: opál, igazgyöngy S/S szilárd kolloid szuszpenzió: pigmentált polimerek
Kolloid rendszerek előállítása (Lásd az előző előadásokat is) Előállítás: Heterogén rendszerből diszpergálással, diszperziós kolloidok Méretcsökkentés, eloszlatás (kolloidmalmok, az aprítás és aggregáció egyensúlya, a közeg szerepe, ultrahanggal végzett diszpergálás, kavitáció jelensége) A hatékonyság a felületi feszültségtől és a viszkozitástól függ (kisebb a felületi fesz.ültség könnyebb, nagyobb a viszkozitás stabilisabb) Homogén közegből Kondenzálás, diszperziós kolloidok (új fázis, góckeletkezés, gócnövekedés, túltelítettség, halmozódás, rendeződés, külső góchatás, kondenzcsík, mesterséges esőcsinálás, jégelhárítás ezüst-jodid tartalmú aeroszolok, kapilláris kondenzáció) Folyadékból (paraffin kolloid, gázolaj) Gázfázisból (ködök) Kémiai reakciók útján Monodiszperz, diszperziós kolloidok (kén, fémoxid) 2010.03.10. 8. előadás 4
Gázközegű diszperziók: aeroszolok 2010.03.10. 8. előadás 5
Aeroszol (L/G, S/G) Atmoszférikus aeroszolok A kisméretű aeroszolok szórják a fényt, hűlést okoznak Szén nanorészecskék erősítő anyagok autógumi nyomtatófesték műanyagok Termikus szilika 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 Surface Chemistry hydrophobic, reinforcement, thickening & thixotropy, anti-scratch - hydrophilic and hydrophobic fumed silicas 2010.03.10. 8. előadás 6
Fogalmak 2010.03.10. 8. előadás 7
Aeroszolok 2010.03.10. 8. előadás 8
Stabilitás Otpimuma van a tartózkodási időnek, vagy a megtett távolságnak 2010.03.10. 8. előadás 9
G/L diszperziók: habok 2010.03.10. 8. előadás 10
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 11
Habképződés modellje Buborék méret? Buborékolás (pórusos testen) módszere küszöbnyomás, p=2 /r Minél nagyobb nyomással préseljük, annál kisebb a buborék 2010.03.10. 8. előadás 12
Buborékoltatás: híg habok A habok képződése: Laplace nyomás P 2 r p p r p Poliéderes cellák: tömány habok 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. 2010.03.10. 8. előadás 13
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 14
Interferencia Soap Bubbles as Art Eltérő szinek http://www.tcd.ie/physics/foams/duran.php 2010.03.10. 8. előadás 15
Stabilizáció 2010.03.10. 8. előadás 16
Marangoni hatás 2010.03.10. 8. előadás 17
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 18
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. 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 19
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 Antifoam a cseppek belépnek a lamellák közé elvékonyítják 2010.03.10. 8. előadás 20
Adszorpciós destabilizálás 2010.03.10. 8. előadás 21
Élelmiszerek 2010.03.10. 8. előadás 22
Élelmiszer 2 2010.03.10. 8. előadás 23
Különleges habok 2010.03.10. 8. előadás 24
L/L diszperziók: emulziók 2010.03.10. 8. előadás 25
Emulziók, terminológia cseppméret: 0.1-10 mm poliéderes cellák Az emulziókban a diszpergált folyadék részben vagy egyáltalán nem oldódik a közegben. 1 fázis 2 fázis csepp diszpergált belső nem folytonos szérum közeg külső folytonos rész O/W (olaj vízben), O/W (víz olajban ) emulziók és kettős folytonosságú ún. bikontinusz emulziók, valamint összetett emulziók 2010.03.10. 8. előadás 26
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 27
Készítése 2010.03.10. 8. előadás 28
Stabilizálása 2010.03.10. 8. előadás 29
Emulzió jellege 2010.03.10. 8. előadás 30
1 20 HLB Skála Griffin: HLB = 20 * M h / M M h, M a hidrofil rész illetve az egész molekula tömege (M h +M l ) Davies: HLB = 7 + m * H h - n * H l HLB érték additiv: egy keverék HLB értéke az egyedi értékek tömeg súlyozott átlaga m, H h a hidrofil csoportok száma illetve a hidrofilitás értéke, n, H l a lipofil csoportok száma illetve a lipofilitás értéke Példák: 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 31
HLB értékek 2010.03.10. 8. előadás 32
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 3-6 W/O emulgeáló szer nem 7-9 wetting agents 3-6 gyengén Diszpergálhatóság vízben 8-15 O/W emulgeáló szer 6-8 nem stabil tejszerű diszperzió 13-15 mosószer 8-10 stabil tejszerű diszperzió 15-18 szolubilizálószer 10-13 átlátszó diszperzió vagy oldat 13- víztiszta oldat HLB arányos az víz / oktanol oldhatóság aránnyal 2010.03.10. 8. előadás 33
HLB 2010.03.10. 8. előadás 34
Inverzió 2010.03.10. 8. előadás 35
Emulsion Inversion 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 36
Porral stabilizált emulziók 2010.03.10. 8. előadás 37
Multiple phase emulsions drops in drops in drops http://www.rsc.org/delivery/_articlelinking/displayarticleforfree.cfm?doi=b501972a&journalcode=sm gyógyszerszállítás 2010.03.10. 8. előadás 38
Az emulziók megszűnése 2010.03.10. 8. előadás 39