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 http://dragon.unideb.hu/~kolloid/ 2010.03.10. 8. előadás 1
Kolloid rendszerek (szerkezet alapján) Kolloid rendszerek inkoherens rendszerek koherens rendszerek gélek diszperziós k. szolok (liofób kolloidok) makromol. kolloid oldatok liofil kolloidok asszociációs porodin (pórusos) retikuláris hálós korpuszkuláris fibrillás lamellás Spongoid szivacsszerű 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 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
Kolloid rendszerek előállítása (Lásd az előző előadásokat is) Elıállítás: Heterogén rendszerbıl 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 fel.fesz. Könnyebb, nagyobb a viszkozitás satbilisabb) Homogén közegbıl 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
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/mk 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 5
Fogalomak 2010.03.10. 8. előadás 6
Aeroszolok 2010.03.10. 8. előadás 7
Stabilitás 2010.03.10. 8. előadás 8 Otpimuma van a tartózkodási idınek, vagy a megtett távolságnak
Gázdiszperziók, habok A diszperz rész a gázfázis, a közeg folyadék (pl szódaviz) Ha a diszpergált gáz kolloid mérető akkor gázlioszol Tömény gázdiszperziók a habok Tömény lioszol. A folyadék a közeg, amely vékony hártyává torzul, a gáz tf. sokkal nagyobb http://www.tcd.ie/physics/foams/index.php 2010.03.10. 8. előadás 9
Habképzıdés Buborék méret? Buborékolás (pórusos testen) módszere küszöbnyomás, p=2γ/r Minél nagyobb nyomással préseljük, annál kisebb a buborék 2010.03.10. 8. előadás 10
bubble aeration A habok képzıdése P= 2γ r p p r p Két buborék lebeg a folyadék levegı határfelületen. A nyomás a B helyen kisebb mint az A vagy A` helyen (folyadék irányból) Polyhedral cells A nyilak mutatják a folyadékáramlást, a Laplace-nyomás miatt a csomópontokba győlik. A hártya elvékonyodik, elszakad. Glicerin hozzáadására nı a viszkozitás az áramlás sebessége lecsökken, így hosszabb ideig stabilis a hab. 2010.03.10. 8. előadás 11
Hab Habképzı 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 12
Interferencia Soap Bubbles as Art Eltérı szinek http://www.tcd.ie/physics/foams/duran.php 2010.03.10. 8. előadás 13
Stabilizáció 2010.03.10. 8. előadás 14
Marangoni hatás 2010.03.10. 8. előadás 15
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 16
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 17
Habzásgátlók Levegı, Laplace-nyomás L (a) habzásgátló csepp. (b) A felületre ér (c ) szakad a fal. Habzásgátló jelenlétében az egyik felszín elveszti a töltését, megszőnik az elektrosztatikus taszítás Antifoam a cseppek belépnek a lamellák közé elvékonyítják 2010.03.10. 8. előadás 18
Adszorpció destabilizálás 2010.03.10. 8. előadás 19
Élelmiszerek 2010.03.10. 8. előadás 20
Élelmiszer 2 2010.03.10. 8. előadás 21
Különleges habok 2010.03.10. 8. előadás 22
Emulziók, terminológia cseppméret: 0.1-10 µm poliéderes cellák Az emulziókban a diszpergált folyadék részben vagy egyáltalán nem oldódik a közegben. 1 fázis 2 fázis csepp diszpergált belsı nem folytonos szérum közeg külsı folytonos rész O/W (olaj vízben), O/W (víz olajban ) emulziók és kettıs folytonosságú ún. bikontinusz emulziók, valamint összetett emulziók 2010.03.10. 8. előadás 23
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 színezhetı 4. O/W-nak általában sokkal nagyobb az elektromos vezetıképessége 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 24
Készítése 2010.03.10. 8. előadás 25
Stabilizálása 2010.03.10. 8. előadás 26
Emulzió jellege 2010.03.10. 8. előadás 27
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 liofil csoportok száma illetve a liofilitás 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 28
HLB értékek 2010.03.10. 8. előadás 29
HLB Számos emulgeálószer amfifil jellegét ki lehet fejezni a HLB empirikus skála értékkel (fıleg 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 tejszerő diszperzió 13-15 mosószer 8-10 stabil tejszerő 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 30
HLB 2010.03.10. 8. előadás 31
Inverzió 2010.03.10. 8. előadás 32
Emulsion Inversion Ahogyan az olajfázis koncentrációja nı (A) a cseppek közel kerülnek, átfordulnak (B). A vaj készítése A tej egy híg (4%), nem túl stabilis olaj a vízben emulzió Fölözıdés, 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 33
Porral stabilizált emulziók 2010.03.10. 8. előadás 34
Multiple phase emulsions drops in drops in drops http://www.rsc.org/delivery/_articlelinking/displayarticleforfree.cfm?doi=b501972a&journalcode=sm gyóygszerszállítás 2010.03.10. 8. előadás 35
Az emulziók megszőnése A felületaktív anyag alakja megszabja a micella alakját 2010.03.10. 8. előadás 36