Přednáška 8 Nanomateriály na bázi jílů

 Jílové minerály a jejich nanostruktura  Nanokompozity založené na jílových minerálech – základní dělení

 Přírodní materiály  Některé rozměry v nanoměřítku  Zpracování přírodních NM ◦ Primárně pro komerční účely ◦ Plniva pro polymery, plasty, kompozity ◦ Nanočástice pro kosmetiku

 Nejčastější přírodní materiál – m i nerály v půdách ◦ Živce (60 %) ◦ Pyroxen a amfibol (17 %) ◦ Křemen (12 %) ◦ Slída (4 %) ◦ Tzv. primární minerály  Minerální podíl pevné fáze půdy ◦ Polydisperzní systém ◦ Disperze (nad 1 mikron) ◦ Koloidní disperze (1 µm – 1 nm) ◦ Molekulární disperze (pod 1 nm)

 Druhotné minerály  Vznik zvětráváním primárních minerálů ◦ Ve svrchní vrstvě půdy ◦ Změna chemického a mineralogického složení  Podstatná složka sedimentů a půd ◦ Jíly, jílovce, jílové břidlice ◦ Jíl  Materiál s obsahem jílových minerálů  Materiál s částicemi < 2 µm ◦ Časté směsi dvou a více jílových minerálů

 Minerál ◦ Anorganická přírodnina ◦ Specifické chemické složení ◦ Charakteristická atomární stavba  Nejčastěji krystalická ◦ Jako nerost  Prvek nebo sloučenina, která je za normálních podmínek krystalická a vznikla jako produkt geologických procesů

 Jílový minerál ◦ Součást jílů ◦ Dávají jílům charakteristické technologické vlastnosti  Plasticita  Sorpční vlastnosti ◦ Silikáty s vrstevnatou strukturou ◦ Oxidy a hydroxidy železa, hliníku, manganu ◦ Oxid křemičitý ◦ Uhličitany ◦ Zeolity

Jílové minerály  Extrémně jemnozrné fylosilikáty (aluminosilikáty s vrstevnatou strukturou)  Částice pod 2 µm

Vlastnosti  Schopnost sorpce a iontové výměny ◦ Přerušené nenasycené vazby na povrchu (hrany částic) – Adsorpce ◦ Elektrostaticky – vnitřní povrch částic – mezivrstevní prostory (absorpce) ◦ Smektitové a vermikulitové struktury

Vlastnosti  Schopnost vázat vodu ◦ Volná voda ◦ Hydratační obaly vyměnitelných kationtů ◦ Bobtnání  Chování při zahřívání ◦ Dehydratace ◦ Dehydroxylace ◦ Destrukce struktury (500 – 800°C) ◦ Novotvořené fáze (nad 900°C)

Vlastnosti  Reakce s organickými látkami ◦ Smektity, vermikulity ◦ Organo-jílové komplexy ◦ Čištění a odbarvování olejů, krakování uhlovodíků

Využití jílových minerálů  Průmysl – keramický, stavební, slévárenství, papírenský, farmaceutický, kosmetický, potravinářství  Využití – molekulová síta, sorbenty, filtry, katalyzátory, plniva, suspenze, izolace  Unikátní vlastnosti  Hojný výskyt => nízká cena

Silikáty – struktura  Křemičitany ◦ Si, Al, O, H ◦ Ca, Mg, Fe, K, Zn ad. ◦ Tetraedry

Silikáty – dělení  Podle struktury ◦ Nesosilikáty ◦ Sorosilikáty ◦ Cyklosilikáty ◦ Inosilikáty ◦ Fylosilikáty ◦ Tektosilikáty

 Phillos – list  Vrstevnatá struktura  Sítě ◦ Tetraedrické ◦ Oktaedrické

 Tetraedrická síť ◦ Centrální atom - Si ◦ Izomorfní substituce  Al, Mg, Fe ◦ Sdílení vrcholů ◦ Apikální atom O ◦ [Si 2 O 5 ] 2-

 Oktaedrická síť ◦ Sdílení vrcholů a poloviny hran ◦ Centrální pozice obsazovány  Stejnými kationty  Různými kationty  Volné ◦ Dělení do skupin  Trioktaedrické – všechny pozice obsazené  Dioktaedrické – 1 vakance  Monooktaedrické – 2 vakance ◦ Anionty  O, OH, F, Cl

Struktura  2 základní jednotky ◦ Vrstvy  Tvořené sítěmi  Různé kombinace  Spojení sítí  2 tetraedrické  Tetraedrická a oktaedrická ◦ Mezivrství

 2 základní typy vrstev ◦ 1:1 – tetraedrická + oktaedrická ◦ 2:1 – tetraedrická + oktaedrická + tetraedrická ◦ Spojení pomocí apikálních kyslíků tetraedrické vrstvy náhradou 2 ze 3 OH - skupin oktaedrické sítě ◦ Zvláštní postavení – chlority – 2:1:1

 Identifikace podle strukturních a krystalochemických vlastností ◦ Typ vrstev ◦ Obsah mezivrství ◦ Náboj vrstvy ◦ Chemické složení  Mezivrstevní prostor ◦ Kationty kovů ◦ Voda

 Vrstevný náboj (permanentní) ◦ Izomorfní substituce ◦ Elektroneutralita  Trioktaedrické – jen Mg 2+  Dioktaedrické – jen Al 3+ nebo Fe 3+ ◦ Náhrada kationty s nižším nábojem  Variabilní náboj ◦ Poruchy ve vazbách na hranách krystalů ◦ Méně než 1% celkového náboje  Náboj kompenzuje mezivrství

SkupinaTyp vrstev Mezivrstevní materiál (náboj) Minerály Serpentinu - kaolinu 1:1Bez materiálu, voda (~0) Kaolinit, dickit, halloysit, amesit, serpentinit Mastku - pyrofylitu2:1Bez materiálu (~0)Mastek, pyrofylit, Slíd2:1Nehydratované jednomocné kationy (~0,6 – 1) Biotit, flogopit, muskovit, illit Křehkých slíd2:1Nehydratované jednomocné kationy (~1,8 – 2) anandit Smektitů2:1Hydratované vyměnitelné kationy (~0,2 – 0,6) Saponit, hektorit, montmorillonit, beidelit Vermikulitů2:1Hydratované vyměnitelné kationy (~0,6 – 0,9) vermikulit Chloritů2:1Hydroxidová síť (variabilní) Klinochlor, donbasit, cookeit

 Bílý nebo světle zbarvený (nažloutlý, hnědý, červený, modrý)  Dokonalá štěpnost  Zvětrávání nebo hydrotermální alterace živců a dalších aluminosilikátů v kyselém prostředí  1:1  Jedna dioktaedrická a jedna tetraedrická síť  Typické krystaly ◦ 0,5 – 1 µm disky ◦ 100 nm tloušťka

 Hydrofilní  Při styku s vodou částice agregují  Vrstvy drženy pohromadě vodíkovými vazbami  Tloušťka vrstvy: 0,7 nm  Triklinická základní buňka  Kaolin ◦ Majoritní podíl kaolinitu ◦ Slídy, vermikulity, smektity

 Samostatná ložiska (kaolin)  Běžná složka jílů, jílovců, hlín a půd  Ložiska: ◦ Karlovarsko ◦ Okolí Plzně  Průmyslové využití ◦ V závislosti na čistotě a vlastnostech ◦ Plavení ◦ Výroba porcelánu, šamotu a další keramiky; výroba cementu; plnivo do papíru, plastů, pryží, barev, lepidel; farmacie, kosmetika, chemický průmysl

 Výskyt v menší míře  Jemné segmenty s vysokým leskem  Vysoká čistota, nízký obsah Fe a Ti  1:1  Vysoce neuspořádaný materiál  Mezivrství – voda – vodíkové můstky  Ležáky u Mostu

 Halloysit nanotrubičky ◦ Podobné uhlíkatým nanotrubičkám ◦ Vznik i v přírodních podmínkách ◦ Extrakce a separace patentově chráněna

 Smektity  2:1 fylosilikáty  Bílý, narůžovělý, nažloutlý, nazelenalý nebo nahnědlý  Výskyt ◦ Jemnozrné agregáty ◦ Kusový materiál ◦ Zrnitý materiál ◦ Drobivý materiál  Kusový MMT ◦ Bobtnání ◦ Matný lesk

 Běžná složka jílovitých hornin a půd  Bentonit  Mezivrství ◦ Vyměnitelné hydratované kationy (Ca, Mg, Na, K)  Izomorfní substituce ◦ Téměř výhradně oktaedrické pozice

 Vznik ◦ Zvětráváním čedičových tufů a sopečných popelů a skel ◦ Zvětráváním serpentinů ◦ Hydrotermální přeměna hornin  Využití ◦ Výplach vrtů ◦ Těsnění vrtů ◦ Keramický průmysl ◦ Ropný, gumárenský průmysl ◦ Kosmetický průmysl ◦ Slévárenství ◦ Čištění olejů, tuků, pitné vody, odpadních vod, plynů ◦ Plnivo při výrobě barev, tužek, mazadel

 Vermiculare – červík  Charakteristický tvar krystalů po zahřátí  Vzhledově podobný slídě  Šupinkové agregáty hnědobronzové barvy  Výrazný perleťový lesk  2:1 fylosilikát

 Struktura ◦ Vrstvy 2:1  Dioktaedrické i trioktaedrické formy ◦ Mezivrství  Hydratované kationy  Vrstvy vody – H-můtsky – snadná dehydratace  Mg 2+, Ca 2+ a Na +  Častá výměna za K + nebo Ba 2+  Přírodní nejčastěji Mg-vermikulit

 Hlavní vlastnosti ◦ Schopnost kationtové výměny  Anorganické kationy  Organické kationy ◦ Termální expanze  Vzdalování šupinek (olupování)  Mnohonásobné zvětšení objemu  Lehké a silně porézní materiály  Průmyslově prudkým zahřátím na 800 – 1000°C  Široké využití

 Využití vermikulitů ◦ Expandované  Zvukově izolační materiál  Tepelně izolační materiál  Protipožární izolace  Střešní krytiny  Omítky  Mazadlo  Protinámrazové materiály  Lehčené betony

 Využití vermikulitů ◦ Expandované  Nízká objemová hmotnost, silná porozita, bobtnavost – sorbenty  Zachovává velmi stabilní pH  Plnivo  Linoleum  Plasty  Barvy  Papír  Asfalt  Gumárenské produkty

 Využití vermikulitů ◦ Expandované  Výroba filtrů  Filtry do potravinářských produktů  Nosič chemikálií  Nosič katalyzátorů  Katalyzátory  Zachovává velmi stabilní pH ◦ Neexpandovaný  Čištění vody (sorpce Pb, Zn, Cd)

 Využití ◦ Zemědělství  Především expandovaný  Podestýlky hospodářských zvířat  Zlepšení sorpční vlastnosti půd  Nosič insekticidů

 Interkalace ◦ Anorganickými látkami ◦ Organickými látkami  Pilarizace  Nosiče nanočástic

Pro dnešek vše