Szolok (szilárd lioszolok S/L), xeroszolok (*/S szilárd közegűek), gélek II. Bányai István http://kolloid.unideb.hu 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. 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 polimerek 2010.03.10. 8. előadás 3
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 Kenőcs: zsír 4
Szolok vagy kolloid szuszpenziók Monodiszperz hidroszolok előállítása: Alapvető probléma, mert szinte minden alkalmazás homodiszperz, vagy reprodukálható polidiszperz rendszert igényel Diszpergálással nehéz (Top to bottom). Csapadékképzés (bottom to top) AgI szol (AgNO 3 + KI), Au (arany) szol (HAuCl 4 forralás+ Na-citrát rubin színű szol, Cassius-bíbor) Kénszol (Na 2 S 2 O 3 and HCl ) Vashidroxid szol, FeCl 3 hidrolízis Gócképződés gócnövekedés ismerete nagyon fontos 5
Diszperziók előállítása 1. Dezintegrálás (diszpergálás, dezaggregálás) Munkavégzés szükséges (több új felület) Nem önként végbemenő folyamat 2. Kondenzálás (nukleáció) Aktiválási energia kell (új felület) Önként végbemenő folyamat
Diszpergálás Szilárd anyagok diszpergálása: őrlés, aprítás (általában 1-10 mm; ásványelőkészítés, szilikátipar) Eszközök: golyósmalom, hengerszék, kolloidmalom, fúvókás malom (legfinomabb szemcseméret) Az őrlési körülmények optimalizálása Szilárd anyagok diszpergálását elősegítő tényezők: Újra összetapadnak -idegen anyag -nedves őrlés -tenzid adalékolása (kiemelt idegen anyag!)
Az oldékonyság függése a görbületi sugártól (mérettől) 8
LaMer-féle diagram (1950): kolloidok előállítása Példa: céria nanorészecskék gyártása 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, ezek magukhoz vonzzák a vízrészecskéket, így a vízpárából sok apró jégszem keletkezik az AgI-on, melyek pozitív hőmérsékletű tartományba érve egyre kisebb méretűre zsugorodnak, vagy teljesen elolvadva eső formájában jutnak a földre. 10
Ezüst kolloid 11
Fémkolloidok http://napidoktor.hu/blog/termeszetesen/igazi-gyogyszer-azezustkolloid/ 12
A gélek Definíció Olyan koherens kolloid rendszerek, amelyben az egyik komponens gélvázat képez, és benne a diszperziós közeg van (fluid) Típusai porodin gélek: különböző méretű 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, filmekből kialakult váz szivacsszerű szerkezet 2007.03.20 14.előadás
Gélek 14
Gélek 15
Gélek alkalmazása 16
17
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 22
Aerogel megfagyott füst Az aerogel a legkisebb sűrűségű szilárd anyag, amit liogélből folyadék- gáz cserével állítanak elő. Extrém kis sűrűsége mellett rendkivüli szigetelőképessége nevezetes. A megfagyott füst becenév a megjelenéséből adódik. Először szilikagél alapon állitották elő, ma már más fémoxidokból is; aluminium oxid, króm és cink oxid, sőt szén alapú aerogél is van a 1990-s évektől. 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 23
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 24
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. 25
Szilika aerogélek előállítása A szervetlen, így a szilika aerogélek előállítása is általában fémalkoxidokból, 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. Az alkoxidok gélesítésének két alapfolyamata van: Hidrolízis: Si(OC2H5)4(al) + H2O = Si(OC2H5)3(OH)(al) + C2H5OH Ahol: 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 26
Az aerogélek tulajdonságai Előállítás körülményei 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. 27
28
29
Szén aerogélek A szén aerogélek kovalens kötésekkel összetartott, szénvázú ( C C ) porózus rendszer. A szén aerogélek elıállításának első lépése egy polimer aerogél rendszer készítése általában rezorcinból C6H4(OH)2 és formaldehidbıl (CH2O). 30
Liogélek (oldószer van a térhálóban) Polimergélek ( intelligens gélek), körülményektől függően (hőmérséklet, ph, elegy só stb.) reverzíbilisen változnak Gyógyszer szállítás (drug delivery) 31
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, hígítással), a negatív töltések taszítása miatt a gombolyag kigombolyodik: Hidrogélek a mindennapi szóhasználatban ezek a kocsonyák, aludttej, gyümölcs kocsonya, csiriz,duzzasztott enyv. http://www.gcsescience.com/o69.htm 32
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. 33
Hulladék szilárdítása A szilárd hulladék könnyebben kezelhető Tárolása jobban megoldható A megsemmisítés is könnyebben elérhető 34
Különleges polimergélek PDMS: poly(dimethyl-siloxane) elastomers 35
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. 36
Gélmotor, kollagén kémiai olvadása só hatására Az 1. ábra az elsô folyamatosan működő gélgép mûködési elvét mutatja. A sóoldatba merülő 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 különbözősége miatt a kútkerék elfordul. Hasonló, csak ellentétes irányú erőhatások ébrednek a vízzel érintkező szálrészben is. A gép addig forog, amíg a két, eredetileg eltérõ összetételû folyadéktartályban a koncentrációk ki nem egyenlítődnek, ugyanis a gép működése során az alkáli-ionok a hígabb oldatba kerülnek át. http://epa.oszk.hu/00700/00775/00006/1999_06_03.html 37
Hőmérséklet N-izopropil-poliakrilamid gél Kritikus szételegyedési pont 34 fok 38
PEM (proton exchange mebrán) 39
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 40
Antireflexiós bevonatok 41
http://www.molecularexpressions.com/primer/ lightandcolor/interferenceintro.html 42