Embed Size (px)
Citation preview
Liofil kolloidok stabilitása
Bányai IstvánDE Fizikai Kémiai Tanszék
8. előadás 1
Liofil kolloidok stabilitása(termodinamikailag stabilisak)
Amint kitűnt a makromolekulás oldatoknál az elektromoskettősréteg kölcsönhatás mellett, a szolvatációnak is jelentősszerepe van. Mindkettő gyengíthető.
Tipikus példák a fehérjék:
Izostabilis fehérje, az izoelektromos pH-nál is stabilis (nemcsapódik ki, pl. zselatin), bár itt a ζ=0, de a hidratáció elég erős,hogy oldatban tartsa. A kisózásukra, a vízelvonáshoz sokkal többsó kell, (más oldószerrel is lehet pl. aceton, alkohol).
Izolabilis fehérjéknél a szolvatáció kisebb, kevésbé liofil azizoelektromos pH-nál kicsapódik (kazein).
3
Kolloid rendszerek(szerkezet alapján)
porodin(pórusos)
inkoherens rendszerekönálló részecskék
koherens (kohézív) rendszerekDiszperziós, makromolekulás, asszociációskolloidokból kialakuló
diszperziós k.szolok
makromol. asszociációs
kolloid oldatok
Retikuláris(hálós)
Spongoid(szivacsszerű)
korpuszkuláris fibrillás lamellásizodimenziós szálas hajtogatott
hártya, lemezes
diszperziós makromolekulás asszociációsliofób liofil liofil
(IUPAC ajánlás)
szerkezetű, gélek, halmazok és pórusos testek
Liofil kolloidok stabilitása: kazein
A sajt és joghurt gyártásakor a kiindulási állapotban a pH 6-7 között van (tej).
Savanyításra koagulál, mert a laktóz (tejcukor) fermentációja tejsavat erdeményez (dairy technological developments: bakteriális ).Az izoelektromos pont pH-ja: 4,6.
http://www.foodsci.uoguelph.ca/dairyedu/home.html
Kazein „micella” a tejben
Az α kazein a leg-”hidrofóbabb” fehérjék egyike izolabilis.A κ kazein lánca szénhidrátokból (galaktóz-glükóz=laktóz) áll
A kazein micella részletei, „művészibb ábrázolásban”
A tej
A zsírcseppek szerkezete: emulgeálás
A tej
Liofób kolloidok stabilitása, érdekesség: agyagok (montmorillonit)
A montmorillonit Ca2+ ionokkal stabilizált részecskék delaminációja vizes diszperzióban egyedi szilikát rétegekre alkáli ellenionok esetében kis (kb. 0.2 M)sókoncentrációnál. (Az alkáli földfémek helyett)
Az éleken pH-val változó töltés, a lapokon állandó töltés az izomorf helyettesítésből.
G. Lagaly, S. Ziesmer / Advances in Colloid and Interface Science 100 –102 (2003) 105–128 119
High salt conc
Kártyavár szerkezet, pozitív élek és negatív lapok összeállnak
Ha gyengén megrázzuk gélszerű, de ha erősen rázzuk folyik. Katasztrofális lavina hatás ingovány, mocsár. Fúró iszap, kezdetben befolyik az üregekbe majd eltömi.
Az agyagok nélkülözhetetlenek a papír, ragasztó, kenőcs, kozmetikumok, gumi, és szintetikus anyagok gyártásában. víztisztítás
10 million tons of bentonitesare used per year
20 .10 03.10. . előadás8 12
Diszperziós kolloidok I.Aeroszolok, lioszolok, xeroszolok
Bányai István Kolloid- és Környezetkémiai Tanszék(Király Zoltán diái felhasználásával)
http://koll1.chem.u-szeged.hu/colloids/staff/zoli/kemiabsc/8a_inkohe
rens%20rendszerek_aeroszolok_habok.pdf
kolloid.unideb.hu/
20 .10 03.10. . előadás8 13
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: polisztirol hab
L/S szilárd emulzió: opál, igazgyöngy
S/S szilárd kolloid szuszpenzió: pigmentáltpolimerek
20 .10 03.10. . előadás8 14
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: xeroszolokhttp://www.iupac.org/reports/2001/colloid_2001/manual_of_s_and_t/node34.html
http://www.du.edu/~jcalvert/phys/colloid.htm
Diszperziós kolloidok előállítása 1kondenzálás diszpergálás
Homogén rendszer Kolloid Heterogén(amikroszkópos diszperz durva diszperzdiszperz rendszer) rendszer rendszer
disszolúció koagulálás
Heterogén rendszerből diszpergálással, diszperziós kolloidok1. 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 (határ)felületi feszültségtől és a viszkozitástól függ (kisebb a (határ)felületi feszültség könnyebb, nagyobb a viszkozitás stabilisabb)
8. előadás 15
Diszperziós kolloidok előállítása 2.kondenzálás diszpergálás
Homogén rendszer Kolloid Heterogén(amikroszkópos diszperz durva diszperzdiszperz rendszer) rendszer rendszer
disszolúció koagulálás
Kondenzálás: 1. lépés: un. túltelített rendszerből egyensúly felé tartva (gócképződés)2. lépés: gócnövekedés
Fizikai folyamatbankondenzálódáskristályosodás
Kémiai folyamatokbacsapadékok képződésazonos halmazállapotú új fázisgázképződés8. előadás 16
Gázközegű diszperziók: aeroszolok
20 .10 03.10. . előadás8 17
8. előadás 18
Aeroszol (L/G, S/G)
A kisméretű aeroszolok szórják a fényt, hűlést okoznak
Szén nanorészecskékerősítő anyagok• autóguminyomtatófestékműanyagok
Fumed Silica (SiO2 aggregátum)Hővezetés: 12 to 16 mW/m·KFényáteresztés: 20 to 80% at 2 cmSűrűség: 40-100 kg/ m³ , Felület: 700 m2/gPorozitás: > 90%Részecske méret: 5μ - 5 mmKémia: erősítő, sűrítő & tixotróp, karcolás gátló – hidrofi - hidrofobizálható
Atmoszférikus aeroszolok
Termikus szilika (por)
20 .10 03.10. . előadás8 19
Fogalmak
20 .10 03.10. . előadás8 20
Aeroszolok
20 .10 03.10. . előadás8 21Optimuma van a tartózkodási időnek, vagy a megtett távolságnak
Stabilitás
G/L diszperziók
Habok
20 .10 03.10. . előadás8 22
20 .10 03.10. . előadás8 23
Gázdiszperziók, habok
http://www.tcd.ie/Physics/Foams/index.php
Nagyon tömény lioszol. A folyadék a közeg, amely vékony hártyává torzul, a gáz térfogat sokkal nagyobb:buborékok
A diszperz rész a gázfázis, a közeg folyadék (pl szódaviz)Ha a diszpergált gáz kolloid méretű akkor gázlioszolTömény gázdiszperziók a habok
20 .10 03.10. . előadás8 24
Habképződés modellje (K=3)
Buborékolás (pórusos testen) módszere küszöbnyomás, p=2γ/r
Minél nagyobb nyomással préseljük, annál kisebb a buborék
Buborék méret?
20 .10 03.10. . előadás8 25
A habok képződése: Laplace nyomás
Két buborék lebeg a folyadék levegő határfelületen. A nyomás a B helyen kisebb (nagyobb) mint az A vagy A` helyen (folyadék (gáz) irányból)
prp p
2Prγ
∆ =Buborékoltatás: híg habok
A nyilak mutatják a folyadékáramlást, a Laplace-nyomás miatt a csomópontokba gyűlik pB < pA. A hártya elvékonyodik, elszakad.Glicerin hozzáadására nő a viszkozitás az áramlás sebessége lecsökken, így hosszabb ideig stabilis a hab.
Poliéderes cellák: tömányhabok
20 .10 03.10. . előadás8 26
Hab szerkezete• Habképző
szükséges anélkül nem stabilisak !
• Habszerkezet:
A habszerkezet ha „nedves” a hab. 400X nagyítás
Száraz hab szerkezete400X nagyítás
/www.ctmw.com/articles/Rita/2.htm
Gömb alakúbuborékok <70-75%
poliéderescella
8. előadás 27
Interferencia: habok színe
Soap Bubbles as Art
http://www.tcd.ie/Physics/Foams/duran.phpEltérő szinek
20 .10 03.10. . előadás8 28
20 .10 03.10. . előadás8 29
Stabilizáció
20 .10 03.10. . előadás8 30
Marangoni hatás
Marangoni-hatás
8. előadás 31
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 Marangonieffect; it re-thickens the thin films and provides a resisting force to film thinning
8. előadás 32
Hab stabilitás, gátlás, törés
•Habzásgátló– a habképződés ellen adjuk, kicserélik a habképzőt, vagy szolubilizálják azt micellában, segitik a buborékok koaleszcenciáját. Simethicone szájon át alkalmazott habzásgátló polydimethylsiloxane és silica gelInfacol, 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
A folyadék habok stabilitását 3 fő folyamat szabja meg:Oldószer kiáramlás : gravitációDurvulás: 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.
http://www.tcd.ie/Physics/Foams/drainage.php
20 .10 03.10. . előadás8 33
Habzásgátlók
Habzásgátló jelenlétében az egyikfelszín elveszti a töltését, megszűnikaz elektrosztatikus taszítás
•”Antifoam” – a cseppek belépnek a lamellák közé elvékonyítják
(a) habzásgátló csepp. (b) A felületre ér (c ) szakad a fal.
L
Levegő, Laplace-nyomás
20 .10 03.10. . előadás8 34
Adszorpciós destabilizálás
20 .10 03.10. . előadás8 35
Élelmiszerek
20 .10 03.10. . előadás8 36
Élelmiszer 2
20 .10 03.10. . előadás8 37
Különleges habok
L/L diszperziók
emulziók
20 .10 03.10. . előadás8 38
20 .10 03.10. . előadás8 39
Emulziók, terminológia
Az emulziókban a diszpergált folyadék részben vagy egyáltalán nem oldódik a közegben.
cseppméret: 0.1-10 µm
1 fázis 2 fázis
csepp szérum
diszpergált közeg
belső külső
nem folytonos folytonos rész
O/W (olaj vízben), O/W (víz olajban ) emulziók és kettős folytonosságú ún. bikontinusz emulziók, valamint összetett emulziók poliéderes
cellák
20 .10 03.10. . előadás8 40
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.
20 .10 03.10. . előadás8 41
Készítése
20 .10 03.10. . előadás8 42
A stabilizálás termodinamikája
20 .10 03.10. . előadás8 43
Emulzió jellege
20 .10 03.10. . előadás8 44
Emulgeátorok: HLB Skála1 20
Példák:
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!
Griffin: HLB = 20 * Mh / M Mh, M a hidrofil rész illetve az egész molekula tömege (Mh+Ml)
Davies: HLB = 7 + m * Hh - n * Hlm, Hh a hidrofil csoportok száma illetve a hidrofilitás értéke, n, Hl a lipofil csoportok száma illetve a lipofilitás értéke
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%)
HLB érték additiv: egy keverék HLB értéke az egyedi értékek tömeg súlyozott átlaga
20 .10 03.10. . előadás8 45
HLB értékek
20 .10 03.10. . előadás8 46
HLBSzámos emulgeálószer amfifil jellegét ki lehet fejezni a HLB empirikus skála értékkel (főleg a nemionos tenzidekre alkalmas)
Alkalmazás Diszpergálhatóság vízben (gyors döntés)
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 (hidrofóbicitás)
HLB=7+ hidrofil csoportok – lipofil csoportok
8. előadás 47
Inverzió
20 .10 03.10. . előadás8 48
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.
20 .10 03.10. . előadás8 49
Porral stabilizált emulziók
20 .10 03.10. . előadás8 50
Többfázisú emulziók– drops in drops in drops
http://www.rsc.org/delivery/_ArticleLinking/DisplayArticleForFree.cfm?doi=b501972a&JournalCode=SM
gyógyszerszállítás
8. előadás 51
Az emulziók megszűn(tet)ése
