Kolloide Und Nanopartikel

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Kolloide und Nanopartikel

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Inhaltsverzeichnis

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1. Kolloide

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1.1 Einleitung

a) „Definition“

• Aus dem Griechischen kolla (=Leim) und eidos (=Form, Aussehen) : „leimartig“

• Molekulardisperse (< 10Å), kolloiddisperse (100-1000Å) und grobdisperse

(> 10000 Å) Systeme

• Kolloidales System : disperse Phase, die gleichmäßig in einem Dispersionsmittel verteilt ist

• Sowohl die disperse Phase als auch das Dispersionsmedium können ein Feststoff, eine Flüssigkeit oder ein Gas sein

• Verschiedene Begriffe für spezifische Formen von Kolloiden

Fazit: unscharfer Sammelbegriff, starre Definition unnötig restriktiv

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Thomas Graham, Begründer der Kolloidchemie

• * 21.12.1805 in Glasgow

• † 11. 09.1869 in London

• britischer Chemiker und Physiker

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b) Einteilung kolloidaler Systeme

Einteilung in:

• Disperse Systeme

• Makromolekulare Kolloide

• Assoziationsmoleküle

• Biologische Kolloide

• Dreiphasen-Kolloidsysteme (multiple Kolloide)

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Disperse Systeme:

Beispiele Klasse Disperse Phase Dispersionsmittel

Nebel, Dunst, Tabakrauch

Flüssigee Aerosole Flüssigkeit Gas

Rauch Festes Aerosol Feststoff Gas

Milch, Butter, Mayonnaise, Salben

Emulsionen Flüssigkeit Flüssigkeit

Anorg. Kolloide (Gold, Farben,AgI)

Sols oder kolloidale Dispersionen

Feststoff Flüssigkeit

Silicagel, Zeolithe, poröses Glas

Xerogele Phase kontinuierlich Phase kontinuierlich

Schäume Schaum Gas Flüssigkeit

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Makromolekulare Kolloide:

Assoziationsmoleküle:

Beispiele Klasse Disperse Phase

Dispersions-mittel

Gelees, Leim

Gelee Makro-moleküle

Lösungs-mittel

Beispiele Klasse Disperse Phase

Dispersions-mittel

Wasser / Seife

- Mizellen Lösungs-mittel

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Biologische Kolloide:

Beispiele Klasse Disperse Phase Dispersionsmittel

Blut - Blutkörperchen Serum

Knochen - Apatit Kollagen

Muskeln, Zell-membranen

- Protein-strukturen Dünne Lecithinfilme

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Dreiphasen-Kolloidsysteme (multiple Kolloide):

Beispiele Klasse Disperse Phase Dispersionsmittel

Erdölhaltiges Gestein Poröses Gestein Öl Wasser

Mineralflotation Mineral Wasser Luftblasen oder Öltröpfchen

Doppelemulsionen Öl Wäßrige Phase Wasser

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c) Größenordnung von Kolloiden

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Kolloide unter dem Rasterelektronen-

mikroskop

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1.2 Eigenschaften und Einteilung von Kolloiden

a) Faraday-Tyndall-Effekt

Links: Echte LösungRechts: kolloide Lösung bzw. Sol

Das Licht wird nur bei der kolloiddispersen Lösung gestreut! (Lorenz-Mie-Streuung)

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Lycurgus-Kelch aus dem Britischen Museum (4. Jhr. Nach Christus): Links in Auflicht,rechts in Durchlicht aufgenommen.Auch Heute noch Anwendung als Goldrubinglas.

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b) Farbigkeit

• Farbigkeit entsteht durch Anhebung der Elektronen kernnaher Schalen auf Schalen höherer Energie. Dafür wird ein ganz bestimmter Energiebetrag benötigt.

• Fällt ein Elektron von so einem Anregungs-zustand in den Grundzustand zurück, so gibt es die Energie in Form von Lichtstrahlen ab.

• Es gilt die Farbe-Dispersitätsgrad-Regel nach W. Ostwald: Das Absorptionsmaximum des Lichtes verschiebt sich mit abnehmender Teilchengröße nach größeren Wellenlängen.

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Sol-Gel-Prozess

Lamp Black-Verfahren

•Ältestes Verfahren

•Reaktionsprodukte sind relativ schwer und grobteilig

•Primärpartikel von 60-200nm•→

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Darstellung•Flüssige oder geschmolzene Rohstoffe sind in einer gusseisernen Schale

•Darüber eine feuerfeste, ausgemauerte Abzugshaube

•Luftzufuhr über Spalt zwischen Wanne und Abzugshaube

•Steuerung der Luftzufuhr über den Unterdruck in der Abzugshaube, womit die Eigenschaften des Carbon Black gesteuert werden

•Wasserkühlung der Carbon Black haltigen Abgase und Abfiltration der Rußpartikel

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DarstellungThermal Black-Verfahren

•Läuft über thermische Spaltung (da Energieerzeugung und Spaltung nicht gleichzeitig, sondern im Wechsel ablaufen)

•diskontinuierliches Verfahren

•Rohstoffe: Gas, höhere Kohlenwasserstoffe oder Öle

•Anlage mit zwei gleichen Reaktoren, welche im Tandembetrieb arbeiten

•Ein Reaktor wird mit einem Erdgas/Luft-Gemisch beheizt, während der andere mit reinem Erdgas zur thermischen Spaltung beschickt wird

•Carbon Black Bildung findet anaerob und bei sinkender Temperatur stattLangsame Bildung der Thermal Blacks

sehr grobteilige Primärpartikel 240-320nm

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Darstellung

•Anlage mit zwei gleichen Reaktoren, welche im Tandembetrieb arbeiten

•Ein Reaktor wird mit einem Erdgas/Luft-Gemisch beheizt, während der andere mit reinem Erdgas zur thermischen Spaltung beschickt wird

•Carbon Black Bildung findet anaerob und bei sinkender Temperatur stattLangsame Bildung der Thermal Blacks

sehr grobteilige Primärpartikel 240-320nm

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Modifikationen

•Carbon Black‘s enthalten geringe mengen organische Bestandteile (meist unter 0,1%)•Polycyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAH‘s)•Wasserstoff•Funktionelle Gruppen mit Sauerstoff•Schwefel (elementar oder gebunden)

•Ablösung organischer Bestandteile durch Behandlung in siedendem Toluol

•Erhöhung der Sauerstofffunktionen durch oxidative Nachbehandlung

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Anwendungen

•Als Füllstoff in der Reifen-Industrie

•Als Schwarzpigment in Farben und Lacken

•Zum Einfärben von Polymärkunststoffen

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Fullerene und Nanotubes

Fullerene

•Graphitischer Kohlenstoff

•Kugel- oder ellipsoidförmige Struktur

•Sind elektrische Nichtleiter

•Dichte um 1,5g/cm³

•Im Festzustand schwarz, gut löslich in polaren Lösemitteln (Hexan, Toluol)

•Lösungen ergeben charakteristische Färbungen

Fulleren Farbe

C36 goldgelb

C60 intensiv rotviolett

C70 weinrot

C76 hell gelbgrün

C84 olivgrün

Farben von Fullerenlösungen

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Fullerene

C60 (Buckminsterfulleren)

•Zwölf C5-Ring

•Keine Berürung von 2C5-Ringen

•Zwanzig C6-Ringe

•60 Ecken, 80 Kanten, 32 Flächen

•Senkrecht zum Gerüst -System

•Alle C-Atome sp² hybridiesiert

•Alle -Bindungen besitzen eine gewisse Spannung, am stärksten in C5-Ringen

•Radius 3,51Å, Durchmesser 7,02Å

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FullereneDarstellung

•Verdampfung in einer Wiederstandsheizung

•2 separierte Graphitstäbe in geschlossener Helium/Argon Atmosphäre bei 100-200mbar

•Hohe Temperatur über einen elektrischen Lichtbogen ca. 2000°CGraphit verdampft und unter denn dann wieder kondensierenden Partikeln sind die Fullerene

•Herauslösen der Fullerene aus dem Ruß durch siedendes Benzol oder Toluol

•Auftrennung der der verschiedenen Fullerene durch ChromatographieC60 und C70 sind die Hauptbestandteile ca. 14% andere Fullerene Verhältnis C60 zu C70: 5:1

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Fullerene

Darstellung

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Nanotubes (Nanoröhren)

•Zylinder mit Durchmesser einiger nm

•Länge bis 20nm

•Von Fullerenhälften verschlossen

•Mehrzylindrische Nanoröhren möglich Durchmesser bis 100nmSonderfall Nanotubes aus genau 2 Zylindern

•Durchmesser einschaliger Nanoröhren 0,4-3nm

•Besitzen gute elektrische und Wärmeleitfähigkeit

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NanotubesStruktur

•Chirale Indizes (n,m)•armchair (n=m)•zigzag (m=0)•chiral (nm)

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NanotubesDarstellung

•Ähnlich der Fullerene

•Bildung von Nanoröhren wird an Fe, Co oder Ni-Partikeln begünstigt

•Herstellung noch zu teuer und zu unreine Produkte für die Massenfertigung 50-100€/g

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Nanotubes

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Nanotubes

Modifikation

•Auftrennung der Nanoröhren-Bündel mittels Ultraschallbehandlung in einem Tensidbad

•Reaktivität am höchsten an den C5-Ringen der Fulleren-Kappen und an Defektstellen der Röhrenwand

•Durch Bad in konz. HNO3 und H2SO4

Öffnung der Kappen und Bildung von Löchern in den Wänden (oxidativer Abbau)

=> Freisetzung von CO2

=> Bildung Sauerstoff haltiger Gruppen

=> elektrische Leitfähigkeit bleibt meist erhalten

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Nanotubes

Folgen der Modifikation

•Verringerung der Van-der-Waals Wechselwirkung

=> Bündel lassen sich leichter auftrennen

•Erhöhung der Löslichkeit der Nanoröhren in Wasser oder organ. Lösemitteln

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Nanotubes

Anwendungen

•Nanofiltration

•Kontrollierte Einschleusung und Freisetzung von Medikamenten

•Gerichtetes Zellwachstum auf Oberflächen

•Mechanisch verstärkte VerbundmaterialienHohe mechanische Zugfestigkeit (10 mal größer als Stahl des gleichen Durchmessers)

• Spitze für Rastersondenmikroskopie•Flexibel => schonende Abbildung bei Kontakt mit der Oberfläche•Lang => Abtasten tiefer Oberflächenprofile

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Pyrogene Kieselsäure (SiO2)

Darstellung

•Rohstoffe: Tetrachlosilan, Wasserstoff und Sauerstoff

•Hydrolyse bei über 1000°C

•Einleitung von Chlorsilan in Wasserstoff-Sauerstoff Flamme

•Erst hochviskose Primärpartikel von 5-30nm•Oberfläche ist noch glatt

•Verschmelzung von Primärteilchen in der Flamme zu Aggregaten (100-1000nm)

•Beim abkühlen Bildung von flockigen Agglomeraten aus den Aggregaten (1-250m)•Sind mesoporös (Porendurchmesser 2-50nm)•große Oberfläche 50-400m²/g

•Produkt hydrophile Kieselsäure mit Silanolgruppen

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Pyrogene Kieselsäure (SiO2)

Darstellung

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Pyrogene Kieselsäure (SiO2)

hydrophil / hydrophobe Kieselsäure

•Silanolgruppen reaktionsfähige Zentren•Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen

•Durch Umsetzung der Silanolgruppen mit Organosiliciumverbindungen hydrophobe Eigenschaften

•Durch Hydrophobierung Reduktion der Feuchtigkeitsaufnahme

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Pyrogene Kieselsäure (SiO2)

Auswirkungen von Kieselsäure in flüssigen/festen Systemen

•Modifizierung der Fließeigenschaften

•Variation oder Erzeugung thixotropen Verhaltens

•Viskositätserniedrigung bei Scherbelastung (feste Farbe)

•Erhöhung von Reißfestigkeit und Härte (Kunststoffbereich)