Kolloide Und Nanopartikel

Kolloide und Nanopartikel

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Inhaltsverzeichnis

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1. Kolloide

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1.1 Einleitung b) „Definition“ •

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

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Molekulardisperse (< 10Å), kolloiddisperse (100-1000Å) und grobdisperse (> 10000 Å) Systeme

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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

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Verschiedene Begriffe für spezifische Formen von Kolloiden

Fazit: unscharfer Sammelbegriff, starre Definition unnötig restriktiv -4-

Thomas Graham, Begründer der Kolloidchemie •

* 21.12.1805 in Glasgow

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† 11. 09.1869 in London

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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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Beispiele Makromolekulare Kolloide:

Assoziationsmoleküle:

Klasse

Disperse Phase

Dispersion s-mittel

Gelees, Leim

Gelee

Makromoleküle

Lösungsmittel

Beispiele

Klasse

Disperse Phase

Dispersion s-mittel

Wasser / Seife

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Mizellen

Lösungsmittel

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Biologische

Kolloide: Beispiele

Klasse

Disperse Phase

Dispersionsmittel

Blut

-

Blutkörperchen

Serum

Knochen

-

Apatit

Kollagen

Muskeln, Zellmembranen

-

Protein-strukturen

Dünne Lecithinfilme

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DreiphasenKolloidsysteme (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 Rasterelektronenmikroskop

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1.2 Eigenschaften und Einteilung von Kolloiden b) Faraday-Tyndall-Effekt Links: Echte Lösung Rechts: 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.

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Fällt ein Elektron von so einem Anregungszustand in den Grundzustand zurück, so gibt es die Energie in Form von Lichtstrahlen ab.

•

Es gilt die FarbeDispersitätsgrad-Regel nach W. Ostwald: Das Absorptionsmaximum des Lichtes verschiebt sich mit abnehmender Teilchengröße nach größeren Wellenlängen. -15-

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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Darstellung Thermal 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 statt ⇒Langsame 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 statt ⇒Langsame Bildung der Thermal Blacks ⇒ sehr grobteilige Primärpartikel 240-320nm

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Modifikation •Carbon Black‘s enthalten geringe mengen organische Bestandteile (meist unter 0,1%) en •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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Anwendung •Als Füllstoff in der Reifen-Industrie en •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 Farben von Fullerenlösungen

•Im Festzustand schwarz, gut löslich in polaren Lösemitteln (Hexan, Toluol) •Lösungen ergeben charakteristische Färbungen

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Fulleren

Farbe

C36

goldgelb

C60

intensiv rotviolett

C70

weinrot

C76

hell gelbgrün

C84

olivgrün

Fullerene C60 (Buckminsterfulleren) •Zwölf C5-Ring •Keine Berürung von 2C5-Ringen •Zwanzig C6-Ringe •60 Ecken, 80 Kanten, 32 Flächen •Senkrecht zum Gerüst π-System •Alle C-Atome sp² hybridiesiert •Alle δ-Bindungen besitzen eine gewisse Spannung, am stärksten in C5-Ringen •Radius 3,51Å, Durchmesser 7,02Å -23-

Fullerene Darstellung •Verdampfung in einer Wiederstandsheizung •2 separierte Graphitstäbe in geschlossener Helium/Argon Atmosphäre bei 100-200mbar •Hohe Temperatur über einen elektrischen Lichtbogen ca. 2000°C ⇒Graphit 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 Chromatographie ⇒C60 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 100nm ⇒Sonderfall Nanotubes aus genau 2 Zylindern •Durchmesser einschaliger Nanoröhren 0,4-3nm •Besitzen gute elektrische und Wärmeleitfähigkeit

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Nanotubes Struktur •Chirale Indizes (n,m) •armchair (n=m) •zigzag (m=0) •chiral (n≠m)

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Nanotubes Darstellung •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 Verbundmaterialien ⇒Hohe 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 (SiO Darstellung 2) •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 (1-250µm) •Sind mesoporös (Porendurchmesser 2-50nm) •große Oberfläche 50-400m²/g •Produkt hydrophile Kieselsäure mit Silanolgruppen

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Pyrogene Kieselsäure (SiO Darstellung 2)

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Pyrogene Kieselsäure (SiO hydrophil 2) / 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 (SiO Auswirkungen von Kieselsäure in flüssigen/festen Systemen 2) •Modifizierung der Fließeigenschaften •Variation oder Erzeugung thixotropen Verhaltens •Viskositätserniedrigung bei Scherbelastung (feste Farbe) •Erhöhung von Reißfestigkeit und Härte (Kunststoffbereich)

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