Szolok (szilárd lioszolok S/L), xeroszolok (*/S szilárd közegőek), gélek II. Bányai István http://dragon.unideb.hu/~kolloid/ 1
Kolloid rendszerek (szerkezet alapján) Kolloid rendszerek inkoherens rendszerek koherens rendszerek gélek diszperziós k. szolok (liofób kolloidok) Szol-gél átalakulás: xeroszolok makromol. kolloid oldatok liofil kolloidok asszociációs porodin (pórusos) retikuláris hálós korpuszkuláris fibrillás lamellás Spongoid szivacsszerű 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 Gázközegő aeroszolok Folyékonyközegő lioszolok Szilárdközegő 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
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 Kenıcs: zsír 4
Szolok vagy kolloid szuszpenziók Monodiszperz hidroszolok elıállítása: Alapvetı probléma, mert szinte minden alkalmazás homodiszperz, vagy reprodukálható polidiszperz rendszert igényel. Diszpergálással nehéz. AgI szol (AgNO 3 + KI), Au (arany) szol (HAuCl forralás+ Na-citrát rubin színő szol) Kénszol (Na 2 S 2 O and HCl ) Vashidroxid szol, FeCl hidrolízis. Gócképzıdés gócnövekedés ismerete nagyon fontos 5
Az oldékonyság függése a görbületi sugártól (mérettıl) 6
LaMer-féle diagram (1950): kolloidok elıállítása Példa: céria nanorészecskék gyártása 7
Jégesı 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 molekulákat 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. 8
A gélek Definíció Olyan koherens kolloid rendszerek, amelyben egy komponens gélvázat képez, és benne a diszperziós közeg van (fluid) Típusai porodin gélek: különbözı mérető 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, filmekbıl kialakult váz szivacsszerő szerkezet 2007.03.20 14.előadás
Gélek 10
Gélek 11
12
Szilikagél (SiO 2 x nh 2 O) Porodin gél (szilika) 2007.03.20 14.előadás
Porodin gél (agyag) Pl. bentonit: (Na,Ca) 0.33 (Al,Mg) 2 Si 4 O 10 (OH) 2 (H2O) n (montmorillonit) súlyának 4-5 szöröse vizet vesz fel 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 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 17
Aerogel megfagyott füst Az aerogel a legkisebb sőrőségő szilárd anyag, amit liogélbıl folyadék- gáz cserével állítanak elı. Extrém kis sőrősége mellett rendkivüli szigetelıképessége nevezetes. A megfagyott füst becenév a megjelenésébıl adódik. Elıször szilikagél alapon állitották elı, ma már más fémoxidok is aluminium oxid, króm és cink oxid, sıt szén alapú aerogél is van a 1990-s évektıl. 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 18
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 19
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. 20
21
22
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. 23
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. Az alábbi ábrák szilika aerogélek transzmissziós elektronmikroszkópos (TEM), 20000 30000-szeres nagyítású felvételei. 24
A szén aerogélek kovalens kötésekkel összetartott, szénvázú ( C C ) porózus rendszer. A szén aerogélek elıállításának első lépése egy polimer aerogél rendszer készítése általában rezorcinolból C6H4(OH)2 és formaldehidbıl (CH2O). 25
Liogélek (oldószer van a térhálóban) Polimergélek ( intelligens gélek), körülményektıl függıen (hımérséklet, ph, elegy só stb.) reversibilisen változnak Gyógyszer szállítás (drug delivery) pelenkák 26
Hidrogélek )itt Hidrofil csoportokat tartamazó térhálósodó polimerek gyakran karboxil csoportokat tartalmaznak Legközönségesebb hidrogél nátrium poliakrilátból (poly (sodium propenoate)) állitható elı. Az ismétlıdı 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. http://www.gcsescience.com/o69.htm 27
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. 28
Különleges polimergélek PDMS: poly(dimethyl-siloxane) elastomers 29
Poli-aszparaginsav gél: hatóanyagleadás 30
Gélmotor, kollagén kémiai olvadása só hatására Az 1. ábra az elsô folyamatosan mőködı gélgép mûködési elvét mutatja. A sóoldatba merülı 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 különbözısége miatt a kútkerék elfordul. Hasonló, csak ellentétes irányú erıhatások ébrednek a vízzel érintkezı szálrészben is. A gép addig forog, amíg a két, eredetileg eltérõ összetételû folyadéktartályban a koncentrációk ki nem egyenlítıdnek, ugyanis a gép mőködése során az alkáli-ionok a hígabb oldatba kerülnek át. 31
Hımérséklet N-izopropil-poliakrilamid gél 32
PEM (proton exchange mebrán) 33
Xerogel bevonatok A szol szintézise, bemerítés, oxidbevonat készítése, nátrium boroszilikát bevonat üvegre alacsony hőmérsékleten! Rendezett szerkezetű, néhány nanométeres vastagságú oxid bevonatok közel szobahőmérsékleten Szárítás, tömörítés 34
xerogel filmbevonatok alkalmazásai, modern opál Interferencia, optikai szőrık (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 belsı bevonására http://www.prinzoptics.de/en/home/index.php http://www.variotrans-glas.de/htdocs_en/home/index.html 35
http://www.molecularexpressions.com/primer/lightan dcolor/interferenceintro.html 36