Aeroszolok, lioszolok, xeroszolok I. Bányai István Kolloid- és Környezetkémiai Tanszék (Király Zoltán diái felhasználásával) http://koll1.chem.u-szeged.hu/colloids/staff/ zoli/kemiabsc/8a_inkoherens %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. kolloid oldatok liofil kolloidok asszociációs porodin (pórusos) retikuláris hálós Spongoid szivacsszerű 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. http://www.du.edu/~jcalvert/phys/colloid.htm 8. előadás 2
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 hab L/S szilárd emulzió: opál, igazgyöngy S/S szilárd kolloid szuszpenzió: pigmentált 2010.03.10. 8. előadás 3 polimerek
Diszperziós kolloidok előállítása 1 kondenzálás diszpergálás Homogén rendszer Kolloid Heterogén (amikroszkópos diszperz durva diszperz diszperz rendszer) rendszer rendszer disszolúció koagulálás Heterogén rendszerből diszpergálással, diszperziós kolloidok 1. lépés: méretcsökkentés, 2. lépés: eloszlatás aprítás (szolok, S, L v. G) emulgeálás (emulziók, L, L) peptizálás (gélek visszahozása a másodlagos minimumból) porlasztás (F,G) A hatékonyság a felületi feszültségtől és a viszkozitástól függ (kisebb a felületi feszültség könnyebb, nagyobb a viszkozitás stabilisabb) 2010.03.10. 8. előadás 4
Diszperziós kolloidok előállítása 2. kondenzálás diszpergálás Homogén rendszer Kolloid Heterogén (amikroszkópos diszperz durva diszperz diszperz rendszer) rendszer rendszer disszolúció koagulálás Kondenzálás: 1. lépés: un. túltelített rendszerből egyensúly felé tartva (gócképződés) 2. lépés: gócnövekedés Fizikai folyamatban kondenzálódás kristályosodás Kémiai folyamatokba csapadékok képződés azonos halmazállapotú új fázis 2015.03.11. gázképződés 8. előadás 5
Gázközegű diszperziók: aeroszolok 2010.03.10. 8. előadás 6
Aeroszol (L/G, S/G) Atmoszférikus aeroszolok A kisméretű aeroszolok szórják a fényt, hűlést okoznak Termikus szilika Fumed Silica (silicon dioxide) Aggregates Thermal conductivity: 12 to 16 mw/m K Szén Light transmission: 20 to 80% at 2 cm nanorészecskék Particle density: 140 kg/m³, Bulk Density: erősítő anyagok autógumi 40-100 kg/ m³, Surface area: 700 m2/ nyomtatófesték g,porosity: > 90% műanyagok Particle size: 5µ - 5 mm (aggregated) Surface Chemistry hydrophobic, reinforcement, thickening & thixotropy, anti-scratch - hydrophilic 2010.03.10. 8. előadás and hydrophobic fumed silicas 7
Fogalmak 2010.03.10. 8. előadás 8
Aeroszolok 2010.03.10. 8. előadás 9
Stabilitás Otpimuma van a tartózkodási időnek, vagy a megtett távolságnak 2010.03.10. 8. előadás 10
G/L diszperziók: habok 2010.03.10. 8. előadás 11
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 12
Habképződés modellje Buborékolás (pórusos testen) módszere küszöbnyomás, p=2γ/r Minél nagyobb nyomással préseljük, annál kisebb a buborék 2010.03.10. 8. előadás 13
Buborékoltatás: híg habok A habok képződése: Laplace nyomás Δ P = 2γ 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 14
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 15
Interferencia: habok színe Soap Bubbles as Art Eltérő szinek http://www.tcd.ie/physics/foams/duran.php 2010.03.10. 8. előadás 16
Stabilizáció 2010.03.10. 8. előadás 17
Marangoni hatás 2010.03.10. 8. előadás 18
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 19
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 alkalmazásával. 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 20
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 21
Adszorpciós destabilizálás 2010.03.10. 8. előadás 22
Élelmiszerek 2010.03.10. 8. előadás 23
Élelmiszer 2 2010.03.10. 8. előadás 24
Különleges habok 2010.03.10. 8. előadás 25
L/L diszperziók: emulziók 2010.03.10. 8. előadás 26
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 szérum diszpergált közeg belső külső nem folytonos folytonos rész O/W (olaj vízben), W/O (víz olajban ) emulziók és kettős folytonosságú ún. bikontinusz emulziók, valamint összetett emulziók 2010.03.10. 8. előadás 27
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 28
Készítése 2010.03.10. 8. előadás 29
Stabilizálása 2010.03.10. 8. előadás 30
Emulzió jellege 2010.03.10. 8. előadás 31
1 20 HLB Skála Griffin: HLB = 20 * M h / M Davies: HLB = 7 + m * H h - n * H l M h, M a hidrofil rész illetve az egész molekula tömege (M h +M 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 32
HLB értékek 2010.03.10. 8. előadás 33
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 Diszpergálhatóság vízben 3-6 W/O emulgeáló szer nem 7-9 wetting agents 3-6 gyengén 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 34
HLB 2010.03.10. 8. előadás 35
Inverzió 2010.03.10. 8. előadás 36
Emulzió inverzió 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 37
Porral stabilizált emulziók 2010.03.10. 8. előadás 38
Többfázisú emulziók drops in drops in drops http://www.rsc.org/delivery/_articlelinking/displayarticleforfree.cfm?doi=b501972a&journalcode=sm gyógyszerszállítás 2010.03.10. 8. előadás 39
Az emulziók megszűnése 2010.03.10. 8. előadás 40