Где – средний радиус пузырьков в пене

Строение пен

Яндекс.Директ

Все объявления

Peugeot 508 от официал. дилера! Сенсация: Предложим выгоднее, если не сможем – вернем разницу! Звоните!

Адрес и телефон envy‑peugeot.ru

Газовые пузырьки в пенах разделены тончайшими пленками, образующими в своей совокупности пленочный каркас, который и служит основой пен. Такой пленочный каркас образуется, если объем газа составляет 80-90% общего объема. Пузырьки плотно прилегают друг к другу и их разделяет только тонкая пленка раствора пенообразователя. Пузырьки деформируются и приобретают форму пентаэдров. Обычно пузырьки располагаются в объеме пены таким образом, что три пленки между ними соединяются как это показано на рис. 2.70.

В каждом ребре многранника сходятся три пленки, углы между которыми равны 120о. Места стыка пленок (ребра многогранника) характеризуются утолщениями, образующими в поперечном сечении треугольник. Эти утолщения называют каналами Плато-Гиббса, в честь известных ученых - бельгийского ученого Ж. Плато и американского - Дж. Гиббса, внесших большой вклад в изучение пен. Четыре канала Плато-Гиббса сходятся в одной точке, образуя по всей пене одинаковые углы 109о 28’. Площадь поперечного сечения треугольного канала Плато-Гиббса определяется как

где – средний радиус пузырьков в пене.

Рис. 2.70. Схема фрагмента высокократной пены

Если объем газовой фазы невелик и пленки между пузырьками толстые, то такая пена неустойчива и очень быстро разрушается. В зависимости от формы пузырьков пены делятся на сферические и многогранные. Сферические пены отличаются высоким содержанием жидкости и поэтому неустойчивы, их относят к метастабильным. В таких системах пузырьки коалесцируют - сливаются при соприкосновении.

Свойства пен[править]

Пены по своей природе близки к концентрированным эмульсиям, но дисперсной фазой в них является газ, а не жидкость. Пены получают из растворов поверхностно-активных веществ. Для повышения их устойчивости в растворы ПАВ добавляют высокомолекулярные вещества, повышающие вязкость растворов. В качестве характеристик пены используется комплекс свойств, всесторонне характеризующих пену.

Пенообразующая способность раствора – количество пены, выражаемое её объемом (см³) или высотой столба (м), которое образуется из заданного постоянного объема пенообразующего раствора при соблюдении некоторых стандартных условий пенообразования в течение постоянного времени.

Кратность пены, которая представляет собой отношение объема пены к объему раствора, пошедшего на ее образование.

Стабильность (устойчивость) пены - ее способность сохранять общий объем, дисперсность и препятствовать вытеканию жидкости (синерезису). Часто в качестве меры стабильности используют время существования («жизни») выделенного элемента пены (отдельного пузырька или пленки) или определенного объема пены.

Дисперсность пены, которая может быть охарактеризована средним размером пузырьков, распределением их по размерам или поверхностью раздела «раствор-газ» в единице объема пены.

Пенообразование и разрушение пен[править]

Пены, в отличие от других дисперсных систем, состав которых определяется концентрацией дисперсной фазы, характеризуются содержанием дисперсионной среды.

Пены являются крайне неустойчивыми дисперсными системами, так как плотность жидкости в сотни и даже тысячи раз превышает плотность газа, из которого формируются пузырьки пены. Пены считаются грубодисперсными системами: в момент пенообразования невооруженным глазом видны пузырьки пены. Масса и объем газовой дисперсной фазы непостоянны и быстро изменяются, размеры пузырьков сильно разнятся, поэтому пены можно считать полидисперсными системами. Пены являются типичными лиофобными дисперсными системами.

Пены как дисперсные системы имеют свои особенности, которые определяются свойствами дисперсной фазы, дисперсионной среды и границы раздела фаз между ними такими как: изменение энергии Гиббса, межфазное поверхностное натяжение, форма пузырьков (сферическая, полиэдрическая).

Пены термодинамически неустойчивы, так как в них протекают процессы, ведущие к изменению строения и разрушению пен. К таким процессам относят:

утоньшение пленок и их последующий разрыв; в результате увеличивается средний размер ячеек при разрыве пленок в объеме пены или уменьшается высота столба (слоя) пены, если разрываются пленки, отделяющие поверхностные ячейки пены от внеш. газовой среды; дисперсность пены падает.

Диффузионный перенос газа из малых ячеек в более крупные (в полидисперсной пене) или из поверхностных ячеек во внеш. среду; это приводит к исчезновению поверхностных ячеек и уменьшению высоты столба (слоя) пены.

Отекание дисперсионной среды под действием силы тяжести(синерезис) в высокостабильных пенах, приводящее к возникновению гидростатически равновесного состояния, в к-ром кратность слоя пены тем больше, чем выше он расположен; в низкократных пенах синерезис ведет к возникновению под пеной слоя жидкости.

Структура пен [править]

Двухмерная пена

Для пен, особенно высокократных, характерна ячеистая пленочно-каналовая структура, в которой заполненные газом ячейки разделены тонкими пленками. Три пленки, расположенные под углом 120°, сливаются в канал, четыре канала с углом между ними около 109° образуют узел. Наиболее типичной формой ячейки в монодисперсной пене является пентагональный додекаэдр (двенадцатигранник с пятиугольными гранями), часто с 1-3 дополнительными гранями; среднее число пленок, окружающих ячейку, обычно близко к 14. В низкократной пене форма ячеек близка к сферической и размер пленок мал.

Твёрдые пены[править]

Алюминиевая твёрдая пена

Системы с твердой дисперсионной средой и газовой дисперсной фазой — Г/Т часто называют твердыми пенами. Твердые пены, так же как и жидкие пены, вследствие большого размера пузырьков газовой фазы обычно относят к микрогетерогенным или даже грубодисперсным системам.

Примером природной твердой пены может служить пемза — пористая, губчато-ноздреватая очень лёгкая горная порода вулканического происхождения, применяемая как абразив для полировки и шлифования, а также в строительном деле для изготовления пемзобетона. Из искусственных твердых пен можно указать пеностекла и пенобетоны, широко применяемые в качестве строительных и изоляционных материалов. Достоинствами этих материалов являются малая плотность, малая теплопроводность и довольно большая прочность, обусловленная их ячеистой структурой и прочностью дисперсионной среды. Сюда же надо отнести искусственные губчатые материалы, изготовленные на основе полимеров (микропористая резина, различные пенопласты).

Применение [править]

Пена в пожаротушении (на борту авианосца)

В ряде случаев практического применения пен важны такие их свойства, как вязкость, теплопроводность, электропроводность, оптические свойства и т. д. Пены находят широкое применение во многих отраслях промышленности и в быту:

В быту: пенные моющие средства для ванн, чистки ковров и мебели.

В пожаротушении: особенно при возгорании ёмкостей с легко воспламеняющимися жидкостями, при тушении пожаров в закрытых помещениях - в подвалах, на судах и в самолетах.

В строительстве: устройство кровли, гидроизоляция и утепление фундаментов, звукоизоляция стен.

В горнорудной промышленности: использование пенной флотации для обогащения полезных ископаемых; предотвращение промерзания полигонов для добычи полезных ископаемых открытым способом в условиях Крайнего Севера; изготовление взрывоустойчивых и изолирующих перемычек в шахтах и рудниках.

В отделке текстильных материалов.

В кулинарии: кондитерские пены, муссы, торты, бисквиты и др.

В сфере развлечений: пенные вечеринки, дискотеки, шоу.

Пены с твердыми тонкими стенками (аэрогели, пенопласты) широко используются для изготовления тепло- и звукоизолирующих материалов, спасательных средств, упаковки и др.

КРАТНОСТЬ ПЕНЫ – величина, равная отношению объёмов пены и раствора, пошедшего на образование пены. В зависимости от величины значения кратности пены, получаемой из пенообразователя (ПО), огнетушащую Б МП подразделяют на пену низкой кратности (не более 20), пену средней кратности (от 21 до 200) и пену высокой кратности (более 200). Выбор кратности пены при тушении пожара связан с химическим составом ПО, его огнетушащей эффективностью, а также условиями тушения (тип пожарного ствола, объект тушения). Несмотря на то что пена низкой кратности («тяжёлая пена») в 2-3 раза менее эффективна (по сравнению с пеной средней кратности того же ПО) при тушении ГЖ подачей пены сверху в очаг пожара, дальность струи пены низкой кратности из пожарного ствола с эжектирующим устройством типа СВПЭ в 2-2,5 раза больше по сравнению с пеной средней кратности из генератора пены. Огнетушащая эффективность пены низкой кратности из плёнкообразующих фторсодержащих ПО близка к огнетушащей эффективности пены средней кратности из углеводородных ПО. Только применение пены низкой кратности позволяет использовать подслойный способ для тушения пожара углеводородного топлива в резервуаре.

Пена средней кратности (60-100) из углеводородных ПО используется в основном для тушения нефтепродуктов и других ГЖ в резервуарах. Пену средней кратности также можно использовать не только для поверхностного, но и для объёмного тушения пожаров транспортных средств, в подвалах, кабельных каналах, в небольших по объёму помещениях, на чердаках, и т. п. Пена средней кратности повышенной устойчивости применяется при прокладке пенной аварийной посадочной полосы на аэродроме. Пена высокой кратности применяется для объемного тушения.

Устойчивость пен

Устойчивость пен зависит от природы и концентрации пенообразователя. Со временем пленки между пузырьками пены становятся тоньше вследствие стекания жидкости, пузырьки лопаются, пена разрушается и, наконец, вместо пены остается одна жидкая фаза — раствор пенообразователя в воде или другой жидкости.

Устойчивость пен можно характеризовать временем существования пены, т. е. временем, прошедшим с момента образования пены до момента полного ее разрушения. Другой способ оценки устойчивости пены заключается в пропускании с заданной скоростью через вспениваемую жидкость пузырьков воздуха и определения равновесной высоты образующегося при этом столба пены. Постоянная высота столба пены устанавливается в тот момент, когда скорость разрушения пены равна скорости пенообразования и, очевидно, может служить мерой устойчивости пены. Устойчивость пены удобно изучать также по времени жизни отдельного газового пузырька на поверхности жидкости, граничащей с воздухом. С этой целью пузырек воздуха выдавливают в жидкость с помощью капилляра с загнутым концом. Пузырек всплывает и, достигнув поверхности, задерживается там на некоторое время, прежде чем лопнет. Это время жизни пузырька обычно пропорционально времени существования столба пены в целом.

Существенно, что во время пребывания пузырька воздуха на поверхности жидкости пленка, покрывающая пузырек, становится все тоньше, о чем иногда можно судить по изменению интерференционных цветов пленки. Когда пленка достигает толщины меньше 0,01 мкм, интерференция становится уже почти незаметной, пленка темнеет, так как почти не отражает света, и затем через некоторое время разрушается. Однако в особых условиях, когда исключены испарение жидкой среды, сотрясения и другие внешние воздействия, пены могут существовать неограниченно долго. Например, Дьюару удалось обеспечить существование мыльного пузыря в течение трех лет.

Мыльная пленка, достигшая наименьшей толщины, состоит из двух монослоев молекул пенообразователя, разделенных полимолекулярным слоем воды.

Сравнительно малое время существования пены и тот факт, что разрушению ее пузырька всегда предшествует стекание жидкости в пленке пены, приводит к выводу, что устойчивость пены в обычных условиях носит кинетический характер, а роль пенообразователя сводится в значительной степени к замедлению стекания жидкости.

Максимальная продолжительность существования пены приходится на средние члены гомологических рядов. Низшие члены обоих рядов, очевидно, слишком мало поверхностно-активны для того, чтобы образовывать устойчивые пены; высшие же члены ряда обладают недостаточной для этого растворимостью.

Мыла дают гораздо более устойчивые пены, чем спирты и кислоты, очевидно благодаря наличию в их молекулах ионогенной группы. Так же, как для спиртов и кислот, максимальная устойчивость пены отвечает мылам со средней длиной углеводородного радикала и их растворам средней концентрации.

Иначе ведут себя высокомолекулярные пенообразователи. Время существования пен в этом случае очень велико и может составлять в обычных условиях сотни и даже тысячи секунд. При этом время существования пен всегда тем больше, чем выше концентрация высокомолекулярного пенообразователя.

Теория пенообразования была разработана отечественными учеными в конце 70-х годов XX века. Наиболее известны труды таких ученых, как П.А. Ребиндер, А.М. Яхимович, И.К. Кончица, В.К. Тихомиров. В фармацевтическую практику пены внедрил Г. С. Башура. За рубежом в области изучения теории пенообразования известны работы E. Manegod, E. Matzke, S. Nestler, G.J. Hartley и др. В основе пенообразования лежат сложные физико-химические процессы, изучение которых позволяет более полно реализовать многообещающие возможности использования свойств пен во многих отраслях народного хозяйства, а также в практическом здравоохранении и косметологии.

Пена из «чистой» жидкости термодинамически неустойчива. Для проявления ценообразования раствор должен содержать хотя бы 1 компонент, обладающий поверхностно-активными свойствами. Пенообразующая способность поверхностно-активных веществ (ПАВ) зависит от строения их молекул, при этом анион-активные ПАВ обладают большей пенообразующей способностью по сравнению с катион-активными и неионогенными.

Пенообразующая способность растворов ПАВ выражается объемом пены (мл) или высотой ее столба (мм), которая образуется из постоянного объема раствора. Объем пены в первом приближении напрямую связан с концентрацией ПАВ. С увеличением концентрации ПАВ растет вспениваемость раствора, так как в области критической концентрации мицеллообразования (ККМ) происходит завершение формирования адсорбционного слоя, который приобретает максимальную механическую прочность. При дальнейшем увеличении концентрации ПАВ (выше ККМ) пенообразующая способность снижается.

Размер пузырьков газа в пенах — около 1—3 нм; пена имеет ячеистую структуру. Ячейки пены представляют собой сферическую решетку или многогранную (полиэдрическую) структуру. Форма ячейки пены зависит от соотношения объемов газовой и жидкой среды. Если объем газовой фазы превышает объем жидкости в 10—20 раз, ячейки пены принимают сферическую форму, а в том случае, если это соотношение составляет несколько десятков и даже сотен, ячейки разделены очень тонкими пленками и имеют форму многогранника. Жидкость в местах соединения ячеек пены находится под гидростатическим давлением Pj, пониженным по сравнению с Ро (давление в плоских участках) на величину капиллярного давления.

Помимо природы и концентрации пенообразователя на устойчивость пены влияют температура, вязкость дисперсионной среды, введение в жидкую фазу электролитов и pH среды. К сожалению, точных данных о влиянии этих факторов на устойчивость пен очень мало. Повышение температуры обычно неблагоприятно сказывается на устойчивости пены. Действие повышения температуры можно объяснить десорбцией пенообразователя с межфазной поверхности и понижением вязкости дисперсионной среды, что способствует более быстрому стенанию жидкости в пленке. Повышение температуры, очевидно, вызывает более быстрое разрушение пены и вследствие того, что ускоряется испарение дисперсионной среды и пленка обезвоживается. Введение в жидкую фазу не разрушающих пену электролитов уменьшает устойчивость пен, образованных низкомолекулярными пенообразователями. Повышение вязкости среды всегда превышает устойчивость пен.

Весьма интересны исследования над «черными» пленками. Если наблюдать отдельную свободную пленку (или пузырек), образованную из достаточно концентрированного раствора мыла (например, олеата натрия), то легко заметить, что пленка постепенно становится все более тонкой, меняя цвета интерференции. После достижения толщины в 1000 А пленка становится белой. При дальнейшем утоньшении пленки количество отраженного света уменьшается, пленка становится серой, а отдельные ее участки приобретают неодинаковую толщину.

Существенно, что неодинаковое утоньшение пленки, образованной из концентрированных мыльных растворов, происходит ступенеобразно. В наиболее тонких участках пленка приобретает совершенно черный цвет.

Веллс провел ряд измерений толщины мыльных пленок с помощью интерферометрических и колориметрических методов и нашел, что толщина черной пленки в несколько раз меньше толщины наиболее тонкой части обычной пленки, что согласуется с опытами Перрена. Минимальная толщина черной пленки составляла 42—45 А, что соответствует примерно удвоенной длине молекулы олеата натрия [1].

Шелудко и Эксерова (1961 г.) и Дюйвис (1962 г.) провели точные исследования толщины черной пленки, полученной из растворов поверхностно-активных веществ, и подтвердили результаты предыдущих исследований. Было найдено, что тончайшая пленка, полученная из раствора олеата натрия, имела толщину 40 А, в то время как толщина пленки, полученной из растворов смачивателей ОП-7 и ОП-20, составляла 85 и 100 А соответственно. Толщина этих пленок примерно в два раза больше длины молекулы поверхностно-активного вещества. Следует заметить, что такая малая толщина получается только при достаточной концентрации электролита в растворе. Если содержание электролита слишком мало, то образуются более толстые пленки, причем их равновесная толщина уменьшается постепенно с увеличением содержания электролита в полном соответствии с теорией ДЛФО.

Выше было сказано, что при хранении пены отдельные ее пузырьки лопаются и в результате этого пена полностью разрушается. Однако, как показывает опыт, при хранении пены может происходить не только разрушение пузырьков, но и изменение их размеров. При этом размеры мелких пузырьков всегда уменьшаются, а крупных — увеличиваются. Причина этого явления заключается в том, что по законам капиллярности газ, находящийся в мелких пузырьках пены, испытывает большее давление, чем газ, заполняющий крупные пузырьки. Давление стремится выравняться путем диффузии газа через жидкую пленку, что приводит к уменьшению размеров мелких пузырьков и увеличению размеров больших пузырьков (Де Фриз, 1957 г.). Это явление напоминает изотермическую перегонку, когда более крупные капельки жидкости растут за счет более мелких вследствие того, что в последних жидкость обладает большим давлением пара. Подобное старение пены играет особенно большую роль, когда пленка пены весьма устойчива и разрушение пены обычным образом не происходит (например, для пен, полученных из каучукового латекса).

Старение пены сопровождается также и уменьшением общего ее объема. Причина этого вполне понятна, если учесть, что газовую фазу над пеной надо рассматривать как один бесконечно большой пузырек, в который путем диффузии газ будет переходить из отдельных пузырьков пены. Де Фриз установил, что в стареющей пене квадрат радиуса малых пузырьков линейно уменьшается со временем. Такой вывод полностью отвечает теории, развитой на основе указанных выше представлений.

Поиск по сайту: