INSTRUKCJA Do ćwiczenia nr 5

Transkrypt

1 MITR Wydział Chemiczny Poliechnika Łódzka INSTRUKCJA Do ćwiczenia nr 5 Semesr leni 2009/2010 Pomiar rozkładu średnic i poencjału zea hydrofilowych nanocząsek polimerowych Wersja insrukcji: WPROWADZENIE Hydrofilowe nanocząski polimerowe (w ym nanosfery i nanożele) sanowią ineresujący obiek badań; cząski akie, podobnie jak ich nieco większe mikronowe odpowiedniki, są już produkowane na skalę przemysłową i sosowane jako składniki różnych wyrobów, na przykład kosmeyków i pas do zębów, farb i lakierów oraz płynów sosowanych przy wierceniach poszukiwawczych oraz wydobyciu ropy nafowej. Zwykle wykorzysuje się ich cenne właściwości reologiczne, przy jednoczesnej odporności na degradację i wpływ środowiska zewnęrznego. Ineresującą grupą akich maeriałów są nanocząski zawierające grupy funkcyjne zdolne do reakcji na bodźce (emperaura, ph, siła jonowa, ec.), na przykład grupy o charakerze kwasowym lub zasadowym. W ramach ego ćwiczenia zapoznamy się w właściwościami nanocząsek ypu Carbopol 934, zbudowanych z łańcuchów poli(kwasu akrylowego), połączonych ze sobą w sieć za pomocą wiązań kowalencyjnych. Na podsawie ich budowy chemicznej można się spodziewać, że nanocząski Carbopolu będą wykazywać właściwości zależne od ph ooczenia. Poniżej warości pka dla grup karboksylowych poli(kwasu akrylowego) cząski są pozbawione ładunku, naomias powyżej ej warości wskuek dysocjacji na łańcuchach pojawia się ładunek ujemny. Siły kulombowskiego odpychania między jednoimiennymi ładunkami powodują, że segmeny łańcuchów dążą do znalezienia się jak najdalej od siebie, a cząska dąży do przyjęcia jak największych rozmiarów, oczywiście ograniczonych poprzez obecność wiązań sieciujących. W ramach ego ćwiczenia zbadamy rzema meodami wpływ ph na średnicę cząsek Carbopolu, oraz na ich ładunek powierzchniowy. Sosowane meody badawcze o wiskozymeria, dynamiczne rozpraszanie świała laserowego oraz pomiar poencjału zea. Lepkość rozworu nanocząsek lub dużych cząseczek (akich jak łańcuchy polimerów) zależy od wielkości cząsek. W pomiarach lepkości za pomocą wiskozymeru kapilarnego, akiego jak używany w naszym ćwiczeniu wiskozymer Ubbelohde a, można w przybliżeniu przyjąć, że lepkość cieczy jes proporcjonalna do czasu jej przepływu przez kapilarę. Zaem śledząc 1

2 zależność czasu przepływu rozworów nanocząsek przez kapilarę wiskozymeru od ph można przynamniej jakościowo ocenić zmiany ich wymiarów. Bardziej precyzyjną, choć skomplikowaną i wymagającą drogiej aparaury, meodą badania średnic nanocząsek w cieczach jes dynamiczne rozpraszanie świała laserowego. Za pomocą ej meody możemy uzyskać informację nie ylko o średniej warości rozmiaru nanocząsek w próbce, ale również o rozkładzie ych rozmiarów, a precyzyjnie o rozkładzie średnic hydrodynamicznych. Zmiany ph i siły jonowej mogą powodować nie ylko zmiany wymiarów hydrofilowych nanocząsek polimerowych, ale również zmianę ich ładunku, a w konsekwencji zmiany sabilności dyspersji akich cząsek. Do badania ych zjawisk używa się apararury do pomiaru poencjału zea. Wielkość ego poencjału pozwala wnioskować o sabilności dyspersji. CEL ĆWICZENIA Zapoznanie sudenów z 1. podsawowymi cechami hydrofilowych nanocząsek polimerowych, 2. różnymi meodami pomiaru średnic i rozkładu średnic nanocząsek, 3. meodą badania ładunku powierzchniowego nanocząsek PRZEBIEG ĆWICZENIA Maeriały, sprzę i aparaura 1. Carbopol 934 (nanocząski z usieciowanych łańcuchów poli(kwasu akrylowego)), rozwór wodny o sężeniu 1 g/l i nauralnym ph, 100 ml 2. NaCl, cz.d.a. 3. Woda desylowana, ok. 1 l 4. Rozwory buforowe o różnych ph 5. Naczynka szklane z zakrękami i pojemności 20 ml, 10 sz. 6. Pipey szklane z podziałką, 10 ml i 20 ml, gruszki lub łoczki do pipe 7. Pipea auomayczna na 1-5 ml z końcówkami 8. Srzykawki jednorazowe 5 ml 9. Nasadki filracyjne o średnicy porów 5 m, 10 sz. 10. Plasikowe pipey Paseura, 5 sz. 11. Pisak do szkła. 12. Wiskozymer Ubbelohde a z układem do ermosaowania i auomaycznej rejesracji czasów wypływu 13. Urządzenie do pomiarów poencjału zea i rozkładu średnic nanocząsek meodą dynamicznego rozpraszania świała laserowego 14. Kuwey do pomiarów dynamicznego rozpraszania świała i do pomiarów poencjału zea. 2

3 Wykonanie ćwiczenia 1. Usal z prowadzącym wybór rozworów buforowych. 2. Dla każdego wybranego ph przygouj opisane naczynko szklane o pojemności 20 ml oznaczone odpowiednią warością ph. Dla najwyższego wybranego ph przygouj dwa naczynka. 3. Do wszyskich naczynek odmierz po 10 ml odpowiednich buforów 4. Zamieszaj 1 % rozwór Carbopolu i do każdego naczynka odmierz po 10 ml ego rozworu. Zakręć naczynka i zamieszaj zawarość. 5. Odważ na wadze echnicznej 0,585 g NaCl, dodaj do jednego z naczynek o najwyższym ph i zamieszaj. Oznacz odpowiednio o naczynko. 6. Zapoznaj się z budową i działaniem wiskozymeru Ubbelohde a. Uruchom ermosa i usaw go na 25,0 C. Napełnij wiskozymer wodą. Po usaleniu się emperaury zmierz rzykronie czas wypływu wody z kapilary. 7. Napełniaj kolejno naczynie wiskozymeru 15 ml cieczy z naczynek z rozworami Carbopolu o różnych ph (a przy najwyższym bez soli i z solą). Po wyrównaniu emperaury, dla każdej próbki zmierz rzykronie czas wypływu cieczy z kapilary. Pomiędzy pomiarami wiskozymer powinien być przepłukany wodą. 8. Po zakończeniu pomiarów wiskozymerycznych przepłucz wiskozymer kilkakronie wodą, a nasępnie napełnij wodą. 9. Wykorzysując pozosałe naczynkach porcje cieczy, wykonaj kolejno pomiary rozkładu wielkości nanocząsek meodą dynamicznego rozpraszania świała w emperaurze 25 C, w oparciu o wskazówki prowadzącego. Przed napełnieniem kuwey pomiarowej nabierz ciecz do srzykawki o pojemności 5 ml, zamocuj na srzykawce nasadkę filracyjną o średnicy porów 5 mm i przefilruj porzebną ilość cieczy bezpośrednio do kuwey odrzucając kilka pierwszych kropel do zlewek. Po zakończeniu pomiaru ciecz z kuwey przelej z powroem do odpowiedniego naczynka. 10. Dla wskazanych przez prowadzącego próbek przeprowadź pomiar poencjału zea. Przed pomiarami usal z prowadzącym sposób rozcieńczania i filrowania próbek. Po zakończeniu pomiarów sarannie przepłucz kuweę pomiarową kilkoma porcjami wody desylowanej. 11. Przegraj lub prześlij na swoje kono pliki z wynikami. OPRACOWANIE SPRAWOZDANIA Sprawozdanie powinno zawierać określenie celu ćwiczenia i zwięzły opis wykonania uwzględniający ewenualne odsępswa od insrukcji Opracowanie wyników Podaj wzór srukuralny poli(kwasu akrylowego) oraz podsawowe paramery Carbopolu 934 (podaj źródło informacji). 3

4 Zesaw w Tabeli wyniki analizy wiskozymerycznej. Oblicz średnie czasy wypływu cieczy z kapilary dla rozpuszczalnika ( 0 ) i dla każdej próbki ( i ). Dla każdej badanej próbki oblicz warości lepkości względnej (relaive viscosiy, r ), właściwej (specific viscosiy, sp ), i zredukowanej (reduced viscosiy, red ), według wzorów: i r 0 sp i 0 0 i r sp red c Wykonaj wykres zależności lepkości zredukowanej od ph (nie uwzględniając próbki z solą). Znajdź w lieraurze i zaznacz na wykresie warość pka dla poli(kwasu akrylowego). Spróbuj zinerpreować uzyskane wyniki. Czy warość lepkości zredukowanej Carbopolu dla najwyższego badanego ph zależy od obecności soli? Jeśli ak, jaki może być ego powód? Zamieść jako załącznik do sprawozdania wyniki badania rozkładu średnic hydrodynamicznych cząseczek Carbopolu. Zesaw w abeli uzyskane warości średnie. Wykonaj wykres zależności ych średnich od od ph (nie uwzględniając próbki z solą). Skomenuj uzyskane wyniki. Czy wyniki ych pomiarów są jakościowo zgodne z wynikami wiskozymerycznymi? Jak wpływa obecność soli na warość przecięnej średnicy hydrodynamicznej? Zesaw w abeli i przedsaw na wykresie warości poencjału zea dla próbek Carbopolu w różnych ph. Zaproponuj inerpreację uzyskanej zależności. Czy znak poencjału jes zgodny z Twoim oczekiwaniem? W jakim zakresie ph nanocząski Carbopolu są bardziej sabilne, a w jakim zakresie mogą mieć endencję do separacji faz? Sprawozdanie powinno zawierać obserwacje i wnioski. LITERATURA Podsawy wiskozymerii i dynamicznego rozpraszania świała: Przygocki, W. (1990); Meody fizyczne badań polimerów, PWN, Warszawa. Alernaywnie inne monografie o fizykochemii lub meodach badań polimerów. Poencjał zea - wprowadzenie Prezenacja przygoowana przez firmę Malvern w języku angielskim do orzymania od prowadzącego po przesłaniu adresu 4

5 hp://en.wikipedia.org/wiki/zea_poenial Aparaura do pomiarów rozkładów średnic nanocząsek meodą dynamicznego rozpraszania świała i do pomiarów poencjału Zea: Srony inerneowe: hp:// i zakładki na ej sronie. 5

6 ZAŁĄCZNIK Pomiary poencjału zea za pomocą elekroforezy z wykorzysaniem zjawiska Dopplera (laser Doppler elecrophoresis, LDE) 1) Pomiary poencjału zea jako narzędzie do badania właściwości cząsek oraz makro- i biocząseczek Pomiary poencjału zea są sosowane najczęściej do oceny sabilności układów koloidalnych. Poencjał zea nie jes ym samym co poencjał powierzchniowy cząski. Jes jednak paramerem co najmniej równie ważnym, gdyż o on decyduje o wzajemnych oddziaływaniach między cząskami. 2) Co o jes poencjał zea? Większość cząsek zdyspergowanych w środowisku wodnym posiada pewien ładunek powierzchniowy, co jes spowodowane albo dysocjacją grup funkcyjnych na powierzchni albo adsorpcją jonów. Ten ładunek powierzchniowy zmienia rozkład przesrzenny jonów w najbliższym ooczeniu cząski. Bezpośrednio przy powierzchni cząski powsaje warswa jonów przeciwnego znaku (warswa Serna), ale zmiana rozkładu jonów sięga dalej w głąb rozworu. Jeśli cząska porusza się w rozworze, część jonów przeciwnego znaku porusza się wraz z nią. Poencjał zea (inaczej poencjał elekrokineyczny) o poencjał mierzony na granicy warswy cieczy poruszającej się wraz z ą cząską. Ta granica pomiędzy warswami poruszającymi się wraz z cząską a nieporuszającymi się jes 6

7 określana jako płaszczyzna poślizgu (slipping plane). Ładunek, a zaem i poencjał na ej granicy jes bardzo czuły na rodzaj i sężenie jonów obecnych w rozworze. Poencjał zea jes jednym z głównych czynników mających wpływ na oddziaływania między cząskami w cieczy. Cząski o ym samym znaku poencjału zea odpychają się wzajemnie. Jeśli warość bezwzględna ego poencjału przekracza 30 mv, siły odpychania są na yle duże, że dyspersja (rozwór) cząsek jes sabilna. Mniejsza (co do warości bezwzględnej) warość poencjału może oznaczać układ niesabilny, skłonny do agregacji lub/i wyrącania. 3) Wyznaczanie poencjału zea meodą LDE Pomiar poencjału zea nasępuje poprzez przyłożenie pola elekrycznego do elekrod zanurzonych w badanej cieczy. Cząski o niezerowym poencjale zea zaczynają migrować do elekrody o przeciwnym znaku z szybkością proporcjonalną do wielkości poencjału zea. Próbka jes jednocześnie prześwielana świałem lasera. Zmiana częsoliwości lub przesunięcie fazowe świała wywołana efekem Dopplera jes przeliczana na ruchliwość cząski, a z ej z kolei wylicza się warość poencjału zea korzysając z eorii Smoluchowskiego lub/i Huckela. 7