ДИСПЕРСНІ ТА НАНОДИСПЕРСНІ МАТЕРІАЛИ

ДИСПЕРСНІ ТА НАНОДИСПЕРСНІ МАТЕРІАЛИ

проф. Михайло Іоєлович

Дисперсними матеріалами або системами називають роздроблені тверді, рідкі або газоподібні речовини (дисперсна фаза), розподілені у суцільному дисперсійному середовищі. Системи, що складаються з частинок твердої фази, розподілені рідини, називають суспензіями; прикладом суспензії може бути завись накипу у воді. Системи, що складаються з частинок твердої фази, розподілені в газі - це тверді аерозолі та порошки. Краплі рідини, розподілені в іншій рідині, це емульсії; а розподілені в газоподібній фазі це рідкі аерозолі, наприклад, тумани. Дисперсні системи з газовою дисперсною фазою та рідким або твердим дисперсійним середовищем це рідкі піни (наприклад, мильна піна) та тверді піни (наприклад, пінопласт), відповідно.

Дисперсність це термін, який означає ступінь роздробленості (подрібненості) матеріалу чи речовини. Чим менший розмір частинок, тим більша дисперсність. Ступінь дисперсності сферичних частинок (D) є величиною обернено пропорційною радіусу (R) частинок:

Для систем, що містять сферичні частинки з різними розмірами, користуються середнім ступенем дисперсності:

де Rс - Середньо числовий радіус частинок.

Ступінь дисперсності частинок еліптичної або нерегулярної форми розраховують за допомогою рівняння:

де R1 та R2 мінімальний та максимальний радіуси частинок.

Ступінь дисперсності паличкоподібних частинок або волокон:

де L – поперечний розмір частинок або волокон.

Залежно від ступеня дисперсності (подрібненості) різні матеріали класифікують на:

(1) Грубодисперсні, D≤ Exp5, розміри частинок ≥ 10 мкм;

(2) Мікродисперсні, від Exp5 до Exp7, розміри частинок від 0.1 до 10 мкм;

(3) Нанодисперсні розміри частинок D≥ Exp7, розміри частинок ≤ 100 нм.

Ступінь дисперсності є дуже важливою характеристикою, що визначає величину питомої поверхні та фізико-хімічні властивості дисперсних систем.

Між питомою поверхнею (S) та ступенем дисперсності (D) є прямо пропорційна залежність:

де k-коефіцієнт.

Чим менший розмір частинок, що вище ступінь дисперсності і більше величина питомої поверхні частинок. Так, при зниженні розміру частинок з мікро до нано, ступінь дисперсності та питома поверхня зростають у тисячі разів.

Мікродисперсні системи в даний час широко поширені в промисловості та у побуті. До них відносять дисперсії волокон; полімерні та паперові композиції; наповнювачі та пігменти; каталізатори та адсорбенти; миючі речовини; фарби та лаки; косметичні та медичні порошки, креми, пасти та спреї; молоко та молочні продукти; та багато інших матеріалів, речовин і продуктів.

В останні роки все більша увага приділяється розробкам та використанню нанодисперсних матеріалів. Це пов'язано з їх унікальними властивостями, такими як велика питома поверхня (100-500 кв. м/гр), висока сорбційна, каталітична та реакційна здатність; висока стабільність до фазового розшаровування тощо. Зниження розмірів частинок однієї і тієї ж речовини до нано дозволяє перетворювати цю речовину в суперсорбент, суперкаталізатор, здійснювати його швидке перетворення в інший продукт, або створювати стійкі дисперсні системи. Нанодисперговані тверді речовини швидше розчиняються, а їх плавлення відбувається при більш низькій температурі.

Розглянемо різницю між мікро і нано системами кількох прикладах неорганічних і органічних речовин.Мікропорошок крейди з розмірами частинок 5-10 мкм одержують механічним розмолом шматків крейди. При змішуванні отриманого мікропорошку з водою виготовляють суспензії, які при зберіганні швидко розшаровуються на дві фази - нижню (крейдова фаза) і верхню (водна фаза). Внаслідок цього мікропорошок крейди непридатний як наповнювач і білий пігмент для водно-емульсійних фарб. Зовсім іншими властивостями мають суспензії наночастинок крейди, одержувані в результаті реакції між насиченим розчином оксиду кальцію та вуглекислим газом. Внаслідок нано-розмірів частинок крейди такі суспензії є колоїдними розчинами, стійкими до фазового розшаровування, і тому вони широко використовуються для виготовлення високоякісних водно-емульсійних фарб.

Звичайний мікропорошок двоокису кремнію має низьку питому поверхню близько 1 кв. м/гр і не має властивостей адсорбенту. Після перетворення двоокису кремнію на нанопорошок типу «Аеросил» його питома поверхня зростає до 200-400 кв. м / гр, в результаті чого такий порошок може використовуватися як осушувач або загусник рідких систем (наприклад, фарб або лаків).

Унікальні властивості мають і органічні нанодисперсні речовини, наприклад наноцелюлоза. Розрізняють кілька видів наноцелюлози: бактеріальну наноцелюлозу (БНЦ), нано - целюлозу фібрильовану (НФЦ), кристалічні наночастки (КНЧ) і аморфні наночастки (АНЧ).

БНЦ є природним видом наноцелюлози, яка синтезується деякими видами бактерій, наприклад Gluconacetobacterxylinus. Отримана БНЦ складається з просторової сітки нановолокон, заповненої водою, має вигляд гідрогелю, що містить до 99% води.

НФЦ отримують розмолом водної дисперсії вихідної целюлози у спеціальних млинах,наприклад, в гомогенізаторах високого тиску типу Gaulin, Microfluidizer і т.п. Для полегшення диспергування проводять хімічну або ензиматичну передобробку целюлозних волокон. В результаті утворюється розбавлена суспензія нано-фібрил, яка після випаровування надлишку води перетворюється на гідрогель.

КНЧ отримують після гідролізу аморфних областей целюлозних волокон 60% сірчаною кислотою при помірній температурі (40-45 про З) з подальшим диспергуванням у водному середовищі за допомогою ультразвукового або механічного диспергатора. Отримані кристалічні наночастки мають паличкоподібну форму довжиною 100-300 нм та шириною 10-30 нм.

Для отримання наночастинок аморфної целюлози вихідну целюлозу розчиняють у 65-66% сірчаної кислоти при кімнатній регенерують водою у вигляді аморфних пластівців, які розбивають до сферичних наночастинок діаметром близько 100 нм за допомогою ультразвукового або механічного дезінтегрування.

Перетворення целюлозних волокон у нано-форму докорінно змінює їх властивості та розширює сфери застосування. Якщо мікроволокна природної целюлози, що мають діаметр 10-30 мкм, поглинають 50-100 % води, то бактеріальна наноцелюлоза або нано-фібрильована целюлоза з нанофібрилл діаметром 20-50 нм утворюють гідрогелі, здатні утримувати 000-2. Введення НФЦ у паперові або полімерні композиції дозволяє значно підвищити механічні властивості паперу та полімерних композитів. Якщо звичайний папір має невисоку міцність і непрозорий, то нано-папір, що отримується із суспензії НФЦ, є міцним і прозорим, і нагадує целофанову плівку.

Водні дисперсії мікрокристалічної целюлози швидко розшаровуються внаслідок осадження мікрочастинок, тоді як дисперсії кристалічних або аморфнихнаночастинок целюлози стійкі до фазового розшарування.

Якщо мікрокристалічна целюлоза є досить стійкою до ферментативного гідролізу, то наноцелюлози здатні швидко руйнуватися під дією целюлолітичних ферментів з утворенням глюкози.

Гідрогелі БНЦ можуть використовуватися в косметиці як зволожуючі маски. Дисперсії НФЦ мають підвищену в'язкість і можуть використовуватися як загусники. Крім того, нано-фібрили мають властивості армуючого наповнювача, що підвищує механічні характеристики композитів.

Дисперсії кристалічних або аморфних целюлози наночастинок можуть використовуватися для виготовлення прозорих захисних покриттів для спеціальних видів паперу. Крім того, добавки КНЧ у косметичні креми та зубні пасти покращують текстуру та посилюють очищаючий ефект.

Аморфні наночастинки целюлози здатні іммобілізувати та стабілізувати лікарські та біоактивні речовини, тобто. служити як ефективний і біосумісний наноносій.

Таким чином, перехід целюлози в нано-форму дозволяє значно розширити сферу її застосування.

Література

Фролов Ю.Г. Курс колоїдної хімії. Хімія, М., 1982.
Ioelovich M. Cellulose як nanostructured polymer: a short review, Bioresources.2008, 3 (4), 1403-1418.
Ioelovich M. Cellulose - Nanostructured Natural Polymer. Lambert Academic Publishing, Saarbrücken, 2014 року.
Ioelovich M., Leykin A. Формування наноструктури microcrystalline cellulose. Cellul. Chem. Technol. 2006,40 (5), 313-317.

5. Ioelovich M. Peculiarities of cellulose nanoparticles. TAPPI. 2014,13 (5), 45-52.

6. Ioelovich M. Nanoparticles of amorphous cellulose and їх properties. Amer. J. Nanosci. Nanotech. 2013, 1,41-45.