ДИСПЕРСНИ И НАНОДИСПЕРСНИ МАТЕРИАЛИ

ДИСПЕРСНИ И НАНОДИСПЕРСНИ МАТЕРИАЛИ

проф. Михаил Йоелович

Дисперсните материали или системи са натрошени твърди, течни или газообразни вещества (дисперсна фаза), разпределени в непрекъсната дисперсионна среда. Системи, състоящи се от частици от твърда фаза, разпределени в течност, се наричат суспензии; пример за суспензия би бил суспендираният във вода котлен камък. Системи, състоящи се от частици от твърда фаза, разпределени в газ, са твърди аерозоли и прахове. Капчици от течност, диспергирани в друга течност, са емулсии; а разпределените в газообразната фаза са течни аерозоли, като мъгла. Дисперсните системи с газообразна дисперсна фаза и течна или твърда дисперсионна среда са съответно течни пени (например сапунена пяна) и твърди пени (например пенопласт).

Дисперсността е термин, който обозначава степента на фрагментация (пулверизация) на материал или вещество. Колкото по-малък е размерът на частиците, толкова по-голяма е дисперсията. Степента на дисперсия на сферичните частици (D) е стойност, обратно пропорционална на радиуса (R) на частиците:

За системи, съдържащи сферични частици с различни размери, се използва средна степен на дисперсия:

където Rc е средночисленият радиус на частиците.

Степента на дисперсия на частици с елипсовидна или неправилна форма се изчислява с помощта на уравнението:

където R1 и R2 са минималният и максималния радиус на частиците.

Степента на дисперсия на пръчковидни частици или влакна:

където L е напречният размер на частиците или влакната.

В зависимост от степента на разпръскване (пулверизиране) различните материали се класифицират на:

(1) Груб, D≤ Exp5, размер на частиците ≥ 10 µm;

(2) Microfine, D от Exp5 до Exp7, размери на частиците от 0,1 до 10 µm;

(3) Наноразмерни частици, D≥ Exp7, размери на частиците ≤ 100 nm.

Степента на дисперсност е много важна характеристика, която определя специфичната повърхност и физикохимичните свойства на дисперсните системи.

Между специфичната повърхност (S) и степента на дисперсия (D) има правопропорционална връзка:

където k е коефициент.

Колкото по-малък е размерът на частиците, толкова по-висока е степента на дисперсия и по-голяма е специфичната повърхност на частиците. Така че, когато размерът на частиците се намали от микро до нано, степента на дисперсия и специфичната повърхност се увеличават хиляди пъти.

Микродисперсните системи в момента се използват широко в индустрията и в ежедневието. Те включват дисперсии на влакна; полимерни и хартиени състави; пълнители и пигменти; катализатори и адсорбенти; почистващи препарати; бои и лакове; Козметични и медицински пудри, кремове, пасти и спрейове; мляко и млечни продукти; и много други материали, вещества и продукти.

През последните години се обръща все повече внимание на разработването и използването на нанодисперсни материали. Това се дължи на техните уникални свойства, като голяма специфична повърхност (100-500 кв. м / г), висок сорбционен, каталитичен и реактивен капацитет; висока устойчивост на фазово разделяне и др. Намаляването на размера на частиците на едно и също вещество до нано ви позволява да превърнете това вещество в суперсорбент, суперкатализатор, да извършите бързото му превръщане в друг продукт или да създадете стабилни дисперсни системи. Нанодиспергираните твърди вещества се разтварят по-бързо и се топят при по-ниска температура.

Нека разгледаме разликата между микро и нано системите, използвайки няколко примера за неорганични и органични вещества.Микропрах от тебешир с размер на частиците 5-10 микрона се получава чрез механично смилане на парчета тебешир. При смесване на получения микропрах с вода се получават суспензии, които при съхранение бързо се разделят на две фази - долна (тебеширена фаза) и горна (водна фаза). В резултат микропрахът от креда е неподходящ като пълнител и бял пигмент за бои на водна основа. Суспензии от тебеширени наночастици, получени в резултат на реакцията между наситен разтвор на калциев оксид и въглероден диоксид, имат напълно различни свойства. Благодарение на наноразмерните частици креда, такива суспензии са колоидни разтвори, устойчиви на разделяне на фазите, поради което се използват широко за производството на висококачествени бои на водна основа.

Конвенционалният микропрах от силициев диоксид има ниска специфична повърхност от порядъка на 1 кв. m /gr и не притежава свойствата на адсорбент. След превръщането на силициевия диоксид в нанопрах от типа "Аеросил", неговата специфична повърхност нараства до 200-400 кв. m/g, в резултат на което такъв прах може да се използва като десикант или сгъстител за течни системи (например бои или лакове).

Нанодисперсните органични вещества, като наноцелулозата, също имат уникални свойства. Има няколко вида наноцелулоза: бактериална наноцелулоза (BNC), нанофибрилирана целулоза (NFC), кристални наночастици (CNP) и аморфни наночастици (ANP).

BNC е естествен вид наноцелулоза, синтезирана от определени видове бактерии, като Gluconacetobacterxylinus. Полученият BNC се състои от пространствена мрежа от нановлакна, пълни с вода и има формата на хидрогел, съдържащ до 99% вода.

NFC се получава чрез смилане на водна дисперсия на оригиналната целулоза в специални мелници,например в хомогенизатори с високо налягане като "Gaulin", "Microfluidizer" и др. За да се улесни диспергирането, се извършва химическа или ензимна предварителна обработка на целулозни влакна. В резултат на това се образува разредена суспензия от нанофибрили, която след изпаряване на излишната вода се превръща в хидрогел.

CNP се получава след хидролиза на аморфни области от целулозни влакна с 60% сярна киселина при умерена температура (40-45 o C), последвано от диспергиране във водна среда с помощта на ултразвуков или механичен диспергатор. Получените кристални наночастици са пръчковидни, дълги 100-300 nm и широки 10-30 nm.

За да се получат аморфни целулозни наночастици, оригиналната целулоза се разтваря в 65-66% сярна киселина при стайна температура, регенерира се с вода под формата на аморфни люспи, които се раздробяват на сферични наночастици с диаметър около 100 nm чрез ултразвукова или механична дезинтеграция.

Превръщането на целулозните влакна в наноформа коренно променя свойствата им и разширява приложенията им. Ако естествените целулозни микрофибри с диаметър 10–30 μm абсорбират 50–100% вода, тогава бактериалната наноцелулоза или нанофибрилираната целулоза с диаметър на нанофибрилите 20–50 nm образуват хидрогелове, способни да задържат 1000–2000% вода. Въвеждането на NPC в хартиени или полимерни състави може значително да подобри механичните свойства на хартиените и полимерните композити. Ако обикновената хартия има ниска якост и е непрозрачна, тогава нанохартията, получена от NPC суспензия, е здрава и прозрачна и прилича на целофаново фолио.

Водните дисперсии на микрокристална целулоза бързо се разслояват поради утаяването на микрочастиците, докато дисперсиите на кристална или аморфнацелулозните наночастици са устойчиви на фазово разделяне.

Докато микрокристалната целулоза е доста устойчива на ензимна хидролиза, наноцелулозите могат бързо да се разградят от целулолитичните ензими до образуване на глюкоза.

BNC хидрогеловете могат да се използват в козметиката като овлажняващи маски. NFC дисперсиите имат повишен вискозитет и могат да се използват като сгъстители. В допълнение, нанофибрилите имат свойствата на подсилващ пълнител, който подобрява механичните характеристики на композитите.

Дисперсии от кристални или аморфни целулозни наночастици могат да се използват за производство на прозрачни защитни покрития за специални хартии. Освен това добавките на ELF към козметични кремове и пасти за зъби подобряват текстурата и засилват почистващия ефект.

Наночастиците от аморфна целулоза са способни да имобилизират и стабилизират лекарствени и биоактивни вещества, т.е. служат като ефективен и биосъвместим наноносител.

По този начин преходът на целулозата към наноформа може значително да разшири обхвата на нейното приложение.

Литература

Фролов Ю.Г. Курс по колоидна химия. Химия, М., 1982.
Ioelovich M. Целулозата като наноструктуриран полимер: кратък преглед, Bioresources, 2008, 3 (4), 1403-1418.
Ioelovich M. Целулоза - наноструктуриран естествен полимер. Lambert Academic Publishing, Саарбрюкен, 2014 г.
Ioelovich M., Leykin A. Образуване на наноструктура на микрокристална целулоза. cellul. Chem. техн. 2006.40(5), 313-317.

5. Ioelovich M. Особености на целулозните наночастици. ТАПИ. 2014.13(5), 45-52.

6. Ioelovich M. Наночастици от аморфна целулоза и техните свойства. амер. J. Nanosci. Нанотехнология. 2013, 1,41-45.