Стабилизация нанодисперсных систем.

Большинство нанодисперсных систем обладает избытком поверхностной энергии, и поэтому в них самопроизвольно идут процессы укрупнение частиц, - происходит снижение поверхностной энергии за счет уменьшения удельной поверхности. Чтобы обеспечить их агрегативную устойчивость, применяют стабилизаторы, способствующие увеличению межфазного взаимодействия. В качестве таких стабилизаторов широко применяют ПАВ и ВМС, лиофилизирующие дисперсные системы. Молекулы ПАВ и ВМС, адсорбируясь на поверхности частиц, способствуют уменьшению поверхностного натяжения и образованию сольватного слоя. При стабилизации поверхность частиц приобретает свойства вещества – стабилизатора. Формирование пленки из ВМС происходит значительно медленнее, чем из ПАВ. Очевидно, для такой стабилизации дисперсных систем, как и при стабилизации ионогенными стабилизаторами, необходимо определенное ориентирование молекул ПАВ и ВМС на межфазных поверхностях.

Стабилизация существенно зависит как от силы закрепления молекул стабилизатора на поверхности частиц дисперсной фазы, так и от степени ее заполнения. Увеличение того и другого параметра повышает устойчивость системы. Избыток стабилизатора может привести к формированию второго слоя молекул стабилизатора, ориентированного противоположным образом, что будет снижать устойчивость системы. При слабом закреплении стабилизатора возможна большая подвижность его молекул. При сближении частиц, если время их контакта соизмеримо со временем нахождения молекул стабилизатора на поверхности частиц, возможна агрегация, причем молекулы ПАВ могут даже способствовать агрегации, переходя на внешнюю поверхность агрегата. Молекулы ВМС, как правило, очень сильно закрепляются на поверхности частиц и при достаточном заполнении поверхности ВМС являются надежными стабилизаторами. При недостаточном количестве введенного стабилизатора устойчивость дисперсной системы может даже снизиться. Отдельные ветви одной макромолекулы могут сорбироваться на разных частицах, что способствует их флокуляции.

Особенно сильным стабилизирующим действием обладают ПАВ и ВМС, которые образуют на поверхности частиц двухмерную пленку, обладающую повышенными структурно-механическими свойствами. К таким поверхностно-активным веществам относятся длинноцепочечные ПАВ, большинство высокомолекулярных соединений, особенно полиэлектролиты (полимеры винилового ряда желатин, казеин и др.). Концентрируясь в поверхностном слое частицы, они могут образовать гелеобразную пленку. Одновременно снижение поверхностного натяжения до минимума приводит к тому, что структурно-механический фактор становится универсальным при стабилизации большинства дисперсных систем. При недостаточном снижении межфазного натяжения структурно-механический барьер не предохраняет систему от коагуляции. Частицы слипаются через их поверхностные слои.

Структурно-механический фактор оценивается с помощью реологических параметров межфазных адсорбционных слоев, которые имеют свойства твердообразного тела. Такие слои обладают механической прочностью, упругими свойствами и при сближении частиц мешают их слипанию или слиянию. Высокие прочностные характеристики поверхностных слоев приобретают благодаря переплетению цепей ВМС и длинноцепочечных ПАВ, а иногда и в результате процессов полимеризации и поликонденсации. Представление о структурно-механическом факторе стабилизации было введено П.А. Ребиндером. Он показал, что этот фактор имеет кинетический характер. Часто после разрушения пленка самопроизвольно не восстанавливается, так как не находится в равновесии со средой. В качестве примера веществ-стабилизаторов, образующих на поверхности частиц гелеобразные пленки, можно привести желатин и некоторые другие белки, мыла, водорастворимые эфиры целлюлозы, смолы.

Стабилизацию лифобных дисперсных систем с помощью лиофильных коллоидов (в первую очередь, ВМС) называют защитным действием стабилизаторов (коллоидной защитой). Зигмонди предложил количественно оценивать защитное действие стабилизатора в «золотых силах». «Золотым числом» называется минимальная масса стабилизатора (в миллиграммах), которая предотвращает коагуляцию 10 мл золя золота (изменение окраски от красной до синей) при давлении 1 мл 10% -ного раствора хлорида натрия. Таким образом, чем больше «золотое число», тем меньше защитное действие стабилизатора. Например, желатин имеет очень малое «золотое число» (0,01), что свидетельствует о ее сильном защитном действии. Несколько больше «золотое число» у гуммиарабика (0,5), еще у картофельного крахмала (20). Иногда за стандарт выбирают вместо золя золота золи серебра («серебряное число»), конго рубинового («рубиновое число») и др.

Литература

Основная

1. Зимон А.Д. «Коллоидная химия». Изд 5-ое Агар 2007 344с.

2. Зимон А.Д., Вегера А.В., Павлов А.Н.

«Коллоидно-химические свойства наночастиц»

Труды ХII международной научно-методической 16-й конференции

2006. Выс. 10т.3с.132.

3. Зимон А.Д., Вегера А.В. «Коллоидная химия наносистем»

М.МГУТУ. 2004.с.24.

Специальная

1. Сергеев Г.Б. Нанохимия. М. Изд. МГУ. 2003. 287с.

2. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы. М. Академия. 2003. 312с.

3. Сб. «Наномикросистемная техника». Ред. Мальцев П.Г. М. Техносфера. 2005. 580с.

4. Сб. «Коллоидно-химические основы нанонауки». Ред. Шпак А.П., Ульберг З.Р. Киев. Академпериодика. 2005. 466с.