1

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

II.

Bányai István és Novák Levente

http://kolloid.unideb.hu

2

Kolloid rendszerek (szerkezet alapján)

Porodin

(pórusos)

Kolloid rendszerek

Inkoherens rendszerek Koherens rendszerek

(gélek)

Diszperziós koll. szolok

(liofób kolloidok)

Makromol. Asszociációs

kolloid oldatok

liofil kolloidok

Retikuláris

(hálós)

Spongoid

(szivacsszerű)

Szilárd kolloidok (xeroszolok):

•Fibrilláris 1 dimenzióban kolloid méretűek

•Lamellás 2 dimenzióban

•Korpuszkuláris 3 dimenzióban

Szol-gél átalakulás

3

Diszperziós kolloidok (szolok) halmazállapot szerint

Gáz közegű

(aeroszolok) Folyékony közegű

(lioszolok)

Szilárd közegű

(xeroszolok)

•L/G : folyadék

aeroszol, pl. köd,

permet

•S/G : szilárd

aeroszol, pl. füst,

kolloid por

•G/L : gázlioszol (tömény

gázdiszperziók=hab)

•L/L : emulzió

•S/L : liofób kolloid szol,

szuszpenzió, pl. aranyszol,

fogpaszta

•G/S : szilárd hab, pl.

polisztirolhab

•L/S : szilárd emulzió, pl.

opál, igazgyöngy

•S/S : szilárd kolloid

szuszpenzió, pl. pigmentált

polimerek, füstüveg

Fogalmak, definíciók

4

• Szolstabilitás: tárgyaltuk (elektrosztatikus stabilizálás: DLVO elmélet, sztérikus stabilizálás)

• Szol: inkoherens diszperziós kolloid rendszer (a kolloid diszkontinuitások között nem alakul ki térháló, vázszerkezet)

• Xeroszol: szilárd/megszilárdult szol, nem aggregált állapotú, tehát nem gél (nincs vázrendszer)

• Gél: koherens kolloid rendszer, vázszerkezete van

• Kenőcs: nagy viszkozitású gél, nyírásra vékonyodik

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

• Paszta : tömény szol (S/L)

5

Szolok vagy kolloid szuszpenziók

Monodiszperz lioszolok előállítása:

Alapvető probléma, mert szinte minden alkalmazás homodiszperz, vagy reprodukálható polidiszperz rendszert igényel.

Diszpergálással nehéz előállítani egyenletes méretet.

Kémiai szintézisel pl.:

•AgI szol (AgNO3+ KI KNO3 + AgI)

•Au (arany) szol (H[AuCl4] + Na3-citrát forralással rubin színű Au szol)

•Kénszol (Na2S2O3 + 2 HCl 2 NaCl + S + SO2 + H2O)

•Vashidroxid szol (FeCl3 vízben Fe(OH)3 hidrolízissel)

A gócképződés, gócnövekedés ismerete nagyon fontos

LaMer-féle diagram (1950): kolloidok előállítása precipitációval

6 Példa: céria (CeO2) nanorészecskék gyártása

LaMer-féle diagram (1950): kolloidok előállítása precipitációval

7

Yugang Sun, Chem. Soc. Rev. 42: 2497—2511 (2013)

Az oldékonyság függése a görbületi sugártól (mérettől)

8

pr: gőznyomás az r sugarú felület felett (N) Lr: pr, cr, vagy μr az r sugarú részecskében

p: telítési gőznyomás a gáztérben (N) L: p, c, vagy μ a közegben

γ: felületi feszültség (N/m)

r: görbületi sugár (m)

VM: moláris térfogat (m3/mol)

ln𝑝𝑟𝑝=2𝛾𝑉𝑚𝑅𝑇𝑟

ln𝐿𝑟𝐿=2𝛾𝑉𝑚𝑅𝑇𝑟

Jégeső keletkezése, elhárítása

9

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 feljebb-

feljebb 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 ezüst-

jodid molekulákból álló részecskéket 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.

A gélek

• Definíció – Olyan koherens kolloid rendszerek, amelyben egy komponens

gélvázat képez, és benne a diszperziós közeg van (fluid)

• Típusai – porodin gélek: különböző méretű és alakú részecskék

tömörebb-lazább váza, benne pórusok – retikuláris gélek: fonalak és rostok (makromolekulák) által

alkotott kémiai és/vagy nem kémiai kötésekkel összekötött váz – spongoid gélek: hártyákból, filmekből kialakult váz

szivacsszerű szerkezet

Analógia a szilárd kolloidokkal(xeroszolok):

•Fibrilláris 1 dimenzióban kolloid méretűek Retikuláris gél

•Lamellás 2 dimenzióban Spongoid gél

•Korpuszkuláris 3 dimenzióban Porodin gél

11

Gélek

12

Gélek

üvegtest

13

Porodin gél (szilika)

• Szilikagél (SiO2x n H2O)

Porodin gél (agyag)

Pl. bentonit: nagyrészt (Na,Ca)0.33(Al,Mg)2Si4O10(OH)2·(H2O)n összetételű (montmorillonit)

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: víz + agyag + barit (a

fajsúlya miatt) + xantán ill. karboxi-

metil-cellulóz (a viszkozitás

növelésére)

súlya 4-5 szörösének megfelelő

tömegű vizet vesz fel

olajfúrás 1

olajfúrás 2

fúrócső csere, béléscsőre, majd kis részletekben tovább,

míg az olajréteget el nem érik, perforálás, szivattyú

elhelyezése

18

Szol-gél technológia és termékei

Kemence

Kerámia szálak

Elpárologtatás

Xerogél

Aerogél

Tömör

kerámiák

Tömör film

Egyforma részecskék

Nedves gél

Hő

Hidrolízis

Polimerizáció

Szol

Xerogél film

Fém-alkoxid

Oldat

19

Aerogél („megfagyott füst”)

Az aerogél a legkisebb sűrűségű szilárd anyag, amit liogélből folyadék- gáz cserével állítanak elő. Extrém kis sűrűsége mellett rendkívüli szigetelőképessége nevezetes. A megfagyott füst becenév a megjelenéséből adódik. Először szilikagél alapon állitották elő, ma már fémoxidokból is (aluminium oxid, króm és cink oxid), sőt szén alapú aerogél is van a 1990-es 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

20

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

21

Ezen felül egy szupekritikus folyadéknak nincsen felületi

feszültsége, mivel nincs folyadék/gáz fázishatár. A folyadék

nyomásának és hőmérsékletének beállításával a fázis

tulajdonságát megváltoztathatjuk a „folyadékszerű” vagy a

„gázszerű” irányba.

22

23

24

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.

25

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 favorizált, 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.

26

A szén aerogélek kovalens kötésekkel összetartott, szénvázú (─C─C─) porózus

rendszerek. A szén aerogélek elıállításának első lépése egy polimer aerogél

rendszer készítése általában rezorcinból (C6H4(OH)2) és formaldehidből (CH2O).

27

Liogélek (oldószer van a térhálóban)

Polimergélek (“intelligens” gélek), körülményektől függően (hőmérséklet, pH, elegy só stb.) reversibilisen változnak

pelenkák

Gyógyszer szállítás (drug delivery)

28

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 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.

29

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

30

31

Különleges polimergélek

PDMS: poli(dimeti-sziloxán) elasztomerek

Poli-aszparaginsav gél: mesterséges izom, hatóanyagleadás

32

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.

Gélmotor, kollagén „kémiai” olvadása só hatására

33

Az 1. ábra az első folyamatosan működő gélgép mûködési elvét mutatja. A sóoldatba merülő kollagén szál kémiai „olvadása” miatt a sóoldatból a kútkerékhez vezető mindkét szálban azonos nagyságú húzóeró ébred. Mivel e két gélszál a kútkerék eltérő 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 eltérő összetételű 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

Hőmérséklet

34

N-izopropil-poliakrilamid gél

Kritikus szételegyedési pont 34 fok

PEM (proton exchange mebrán) energiacella

35

36

Xerogél bevonatok

Rendezett szerkezetű, néhány nanométeres vastagságú oxid

bevonatok közel szobahőmérsékleten

A szol szintézise, bemerítés, oxidbevonat készítése, nátrium boroszilikát

bevonat üvegre alacsony hőmérsékleten!

Szárítás,

tömörítés

37

• Interferencia, optikai szűrők (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 belső bevonására

Xerogél filmbevonatok alkalmazásai, modern opál

http://www.prinzoptics.de/en/home/index.php

http://www.variotrans-glas.de/htdocs_en/home/index.html

38

http://www.molecularexpressions.com/primer/lightan

dcolor/interferenceintro.html