Szolok (szilárd lioszolok S/L), xeroszolok (*/S szilárd ...kolloid.unideb.hu/wp-content/uploads/kem_bsc/BSC_BI_9_gelek_2017.pdf · Aerogel „megfagyott füst” Az aerogela legkisebb

1

Szolok (szilárd lioszolok S/L), xeroszolok (*/S szilárd közegűek), gélek

II.

Bányai István

http://kolloid.unideb.hu

20 .10 03.10. . előadás8 2

Kolloid rendszerek (szerkezet alapján)

porodin

Kolloid rendszerek

inkoherens rendszerek koherens rendszerekgélek

diszperziós k.szolok (liofób kolloidok)

makromol. asszociációs

kolloid oldatokliofil kolloidok

(pórusos)

retikulárishálós

Spongoidszivacsszerű

korpuszkuláris fibrillás lamellás

Szol-gél átalakulás: xeroszolok http://www.iupac.org/reports/2001/colloid_2001/manual_of_s_and_t/node34.html

http://www.du.edu/~jcalvert/phys/colloid.htm

20 .10 03.10. . előadás8 3

Diszperziós kolloidok (szolok)Halmazállapot szerint

Gázközegűaeroszolok

Folyékonyközegűlioszolok

Szilárdközegűxeroszolok

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: polisztirolhab

L/S szilárd emulzió: opál,igazgyöngy S/S szilárd kolloid szuszpenzió: pigmentált polimerek

Fogalmak, definíciók

4

• Szolstabilitás: tárgyaltuk (DLVO elmélet, szterikus stabilizálás)

• Szol: inkoherens rendszer

• Paszta : tömény szol.Xerosol: megszilárdult szol, nem aggregáltállapotú, tehát nem gél

• Gél: koherens rendszer, de vázszerkezete van

• Krém: tömény emulzió (L/L), baktérium veszély

• Kenőcs: zsír

5

Szolok vagy kolloid szuszpenziók előállítása

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 (AgNO3+ KI),Au (arany) szol (HAuCl4 forralás+ Na-citrát rubin színű szol, Cassius-bíbor)Kénszol (Na2S2O3 and HCl )Vashidroxid szol , FeCl3 hidrolízis

Gócképződés gócnövekedés ismerete nagyon fontos

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

DiszpergálásSzilárd 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:

-idegen anyag-nedves őrlés-tenzid adalékolása (kiemelt idegen anyag!)

Újra összetapadnak

Az oldékonyság függése a görbületi sugártól (mérettől)

8

LaMer-féle diagram (1950): kolloidok előállítása (bottom to top)

9Példa: céria nanorészecskék gyártása

Jégeső keletkezése, elhárítása

10

A tavasztól kora nyárig terjedő időszakot nevezhetjük a jégesők„idényének”. Az évnek ebben a szakában a napsugárzás jelentősenképes felmelegíteni a talajt, a felsőbb légrétegek viszont hűvösek, ennekkövetkeztében a meleg levegő hatalmas erővel áramlik felfelé ésjelentős mennyiségű vízgőzt szállít magával. A vízgőz egyre feljebb-feljebb jutva megfagy, s mivel a feláramlás eleinte a nagyobbjégdarabokat sem engedi lehullani azok egyre „híznak” amagasabb,hidegebb rétegeken „átutazva”! Ahogy nő a magasság, úgycsökken a meleg levegő felhajtóereje is, míg végül a hatalmasra hízottjégdarabok elindulnak a föld felé.

A jégkristály szerkezetéhez nagyon hasonló mikron méretű ezüst-jodid molekulákból álló részecskéket juttatunk a légtérbe, ezekmagukhoz vonzzák a vízrészecskéket, így a vízpárából sok aprójégszem keletkezik az AgI-on, melyek pozitív hőmérsékletűtartományba érve egyre kisebb méretűre zsugorodnak, vagy teljesenelolvadva eső formájában jutnak a földre.

Ezüst kolloid

11

Fémkolloidok

12

http://napidoktor.hu/blog/termeszetesen/igazi-gyogyszer-az-ezustkolloid/

2007.03.20 14.előadás

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

14

Gélek

15

Gélek

Gélek alkalmazása

16

17

2007.03.20 14.előadás

Porodin gél (szilika)• Szilikagél (SiO2x nH2O)

2007.03.20 14.előadás

Porodin gél (agyag)• Pl. bentonit: (Na,Ca)0.33(Al,Mg)2Si4O10(OH)2·(H2O)n

(montmorillonit)

Fúróiszap:1. Ez hozza fel a törmeléket

(viszkozitás)2. Hűti és keni a fejet3. Ellennyomást fejt ki (sűrűség)4. A fal pórusait eltömi nincs

veszteség5. Szilárdítja a kút falat betonozás

előtt

Összetétel: agyag+ barit (súly)+xantancarboxi-metil cellulóz (viszkozitás)

súlyának 4-5 szöröse vizet vesz fel

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

22

Szol gél technológia és termékei

23

Aerogel „megfagyott füst”

Az aerogel a legkisebb sűrűségű szilárd anyag, amit liogélből folyadék- gáz cserével állítanak elő. Extrém kis sűrűsége mellett rendkivüliszigetelőképessége 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=mAJWyRIDDVQhttp://www.youtube.com/watch?v=HoCAxS4vqwQ Structure of aerogel

http://stardust.jpl.nasa.gov/photo/aerogel.html

24

Aerogel

http://www.resonancepub.com/aerogel.htm

http://en.wikipedia.org/wiki/Aerogel

State-of-the-Art Manufacturing Technology

A folyadék cseréje gázra!

Si helyett Al is lehet biokompaibilisek

25

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.

Szilika aerogélek előállítása• 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.

• 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 oldatátjelenti.⌡– 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

30

A szén aerogélek kovalens kötésekkel összetartott, szénvázú (─C─C─) porózus rendszer. A szén aerogélekelıállításának első lépése egy polimer aerogél rendszerkészítése általában rezorcinból ⌠C6H4(OH)2⌡ ésformaldehidből (CH2O).

31

Liogélek (oldószer van a térhálóban)Polimergélek (“intelligens” gélek), körülményektől függően(hőmérséklet, pH, elegy só stb.) reverzíbilisen változnak

Gyógyszer szállítás (drug delivery)

32

Hidrogélek

http://www.gcsescience.com/o69.htm

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 coiledmolecules)van jelen.

Ha eltávolítjuk a sót (Na+ ionokat, hígítással), a negatív töltések taszítása miatta gombolyag kigombolyodik:

Hidrogélek a mindennapi szóhasználatban ezek a kocsonyák, aludttej, gyümölcs kocsonya, csiriz,duzzasztott enyv.

33

Ha sót adunk a rendszerhez a a töltés kompenzáció miatt megváltozik az alak és kiszorul a víz.

A negativ töltés miatt akár 500 szoros vizet is megköthet(baba pelenka)

Hulladék szilárdítása

• A szilárd hulladék könnyebben kezelhető

• Tárolása jobban megoldható

• A megsemmisítés is könnyebben elérhető

34

35

Különleges polimergélek

PDMS: poly(dimethyl-siloxane) elastomers

Poli-aszparaginsav gél: mesterséges izom, hatóanyagleadás

36

A pH-izom olyan polisavmakromolekulákból 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.

Gélmotor, kollagén „kémiai” olvadása só hatására

37

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, aforgatónyomatékok 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 folyadéktartálybana koncentrációk ki nem egyenlítődnek, ugyanis a gép működése során azalkáli-ionok a hígabb oldatba kerülnek át.http://epa.oszk.hu/00700/00775/00006/1999_06_03.html

Hőmérséklet

38

N-izopropil-poliakrilamid gélKritikus szételegyedési pont 34 fok

PEM (proton exchange mebrán)

39

40

Xerogel bevonatok

Rendezett szerkezetű, néhány nanométeres vastagságú oxid bevonatok közel szobahőmérsékleten

A szol szintézise, bemerítés, oxidbevonat készítése, nátrium boroszilikát bevonat üvegre alacsony hőmérsékleten!

Szárítás, tömörítés

Antireflexiós bevonatok

41

42http://www.molecularexpressions.com/primer/lightandcolor/interferenceintro.html