Пены

Пены

В производстве теплоизоляционных материалов перспективным направлением является производство пеноматериалов, получаемых через заполнение заранее приготовленных пен.

Пены – высококонцентрированные дисперсии газа в жидкости. Размеры пузырей колеблются в широких пределах и определяются различными факторами: видом ПАВ и их концентрацией, температурой и проч.

В соответствии с требованием минимума свободной поверхностной энергии в пене на одном жидком ребре всегда сходятся три плеки, ор зующие между собой равные углы в 120°, а в одной точке могут оходисться лишь 4 ребра. Форма пузырей может колебаться от почти сферической до полигранной, причем чем ниже размер пузырей, тем в большей степени пузыри отличаются от правильной сферы, а механическая прочность пены возрастает.

Методы определения устойчивости пены.

Время жизни пены определяется динамическим и статическим методами.

Динамический - основан на определении высоты столба пены, образованного при постоянной прокачке воздуха через жидкость. При опредленной высоте столба пены скорость пенообразования и разрушения пены уравниваются.

Статический - основан на определении времени существования пены или отдельного пузыря. Обычно испоьзуют понятие время полураспада пены, тогда как время жизни отдельного пузыря используется как сравнительная характеристика в ряду измерений.

Виды ПАВ для пенообразования.

Рекомендуемые материалы

Образование стабильной пены (со временем жизни более нескольких секунд) невозможно без ПАВ - пенообразователей. Различают низкомолекулярные и высокомолекулярные пенообразователи.

Низкомолекулярные ПАВ -  типичные ПАВ: спирты, килсоты, мыла. Однако пенообразующая способность этих ПАВ максимальна при средней длине молекулы ПАВ (около 5-16 атомов С в зависимости от вида). Низкомолекулярные    ПАВ -     слишком     хорошо     растворимы   в воде, высокомолекулярные слишком мало растворимы. Теоретические представления об пенообразующей активности таких веществ мало развиты, поэтому оптимальные концентрации определяются экспериментально.

Высокомолекулярные пенообразователи способны образовывать долгоживущие пены, длительность жизни которых возрастает с концентрацией ПАВ.

Влияние температуры на стабильность пены.

 Рост температуры обычно отрицательно сказывается на времени жизни пены. С ростом температуры снижаются вязкость жидкости, увеличивается скорость испарения жидкости с поверхности пленок, активизируются диффузионные процессы газопереноса.

Механизм разрушения пен.

Разрушение пен представляется сочетанием двух процессов:

1. процесс   истечения   пленочной  жидкости,   истончения   стенок
пузыря до полного разрушения. Это явление определяется не
столько     силами    тяжести,     сколько    разностью    давлений,
возникающих между  объемом  пленки  с  плоскими  стенками
(максимум давления)  и каналом  Плато с  сильно  вогнутыми
стенками     (минимум     давления).     Возникает     направленное
движение   жидкости   из   пленки.    Однако   процесс   откачки
жидкости будет замедляться по мере утончения пленки.

2. Истончение стенок пузыря в результате испарения жидкости с
поверхности пленок.

Причины устойчивости  пен.

Существует несколько причин:

1. Действие эффекта Гиббса

2. Структурно-механическим фактором

3 Наличием у поверхности внтури плеки гидратных или двойных электрических слоев, препятствующих утончению пленки (термодинамический фактор).

Эффект Гиббса. Эффект Марангони-Гиббса - явление «самозалечивания» локльно растянутой пленки, заключающееся в изменении поверхностного натяжения при изменении концентрации ПАВ в растягивающейся или сжимающейся пленке. При этом решающим фактором устойчивости является то, насколько быстро изменяется пов. натяж. при изменении концентрации ПАВ.

При образовании области повышенного поерхностного натяжения в резултате утончения пленки на ее поврехнсоти устанавлвается градиент поверхностного натяжения, следствием которого являестя быстрое движение мономолекулярного слоя, увлекающего с собой значительное калоичество жидкости из ниже лежащего раствора, участвующего в «залечивании» утончающейся пленки. Таким образом поставляется материал для восстановления пленки. Роль поверхностного переноса возрастает при использовании неионогеныых ПАВ, чьи молекулы сильно гидратированы.

Структурно-механичесий фактор.

Если возле внутренней поврехнотси пленки образуется высоковязкий и механичски прочный адсорбционный слой из молекул  пенообразователя, то этот слой не только затрудняет истечени жидкости  из пленки, но и механически препятствует соприкосновению стенок пленки, делая их прочными. Это достигается введением в раствор ПАВ стабилизаторов (до нескольких тысячных процента). Полагается, что стабилизатор располагается в адсорбцоинном слое, связывая, сплетая молекулы ПАВ, повышая механическую прочность пленки. Повышение концентрации малоактивных компонентов в пленочной фазе приводит к утолщению пленки ПАВ, увеличению концентрации ПАВ в объеме жидкости, непосредственно прилегающих к пленке. При этом возникает пространственная структура из молекул ПАВ, растет вязкость. Особенно сильно структурно-механический фактор проявляется при использовании полимерных ПАВ (ПАА, ПВС).

Термодинамический фактор.

При использовании ионогенных ПАВ вдоль поверхности пленки образуется ДЭС сложной структуры. Наличие УВ хвостов в воздухе приводит к «монолитизации» и упрочнению слоя молекул ПАВ, а образовавшиеся ионные атмосферы буду отталкиваться друг от друга при взаимном сближении противоположных стенок пузыря.

Кинетические факторы.

Диффузионное разрушение пен. По законам капиллярности газ, находящийся в более мелких пузырях, испытывает более высокое давление, чем газ в более крупных пузырях. Поэтому в процессе диффузии газ переносится из мелких в крупные пузыри до тех пор, пока весь газ не перейдет в атмосферу - пузырь бесконечно большого радиуса.

Чистые жидкости не способны образовывать устойчивых пен. Для получения пен используют пенообразователи. Пенообразованиели бывают двух родов.

Рекомендуем посмотреть лекцию "12 Проведение духовно-культурной реабилитационной работы во время реабилитационных сборов".

а)    пенообразователи   первого  рода       вещества,   молекулы
которых в объеме раствора и в адсорбцоинном слое находятся в
молекулярно-дисперсном  состоянии.  Пены  из  пенообразователей
первого     рода     быстро     распадаются     по     мере     истечения
междупленочной жидкости.  Пенообразователи      низшие спирты,
ислоты, анлиин, крезолы.

б)    пенообразователи   второго   рода        мыла,   синт.   ПАВ,
образующие в воде коллоидные системы, пены обладают высокой
устойчиваостью, истечение междупленочной жидкости происходит
до определенного предела, после которого истечение прекращается.
В    данном    случае    стабилизация    обусловлениа     факторами:
кинетическим   фактором,   сводящимся   к   замедлению   утончения
пленки,         повышением         структурно-механичсских         свойств адсобрционно-сольватных слоев; термодинамическим фактором - расклинивающим давлением.

Методы разрушения пен.

Различают два метода разрушения пен: химический и нехимический.

Химический метод – основан на использовании веществ, препятствующих стабилизации пен путем вытеснения пенообразователя из пленок пены или растворения структурированного пенообразователя в пленке пены. В качестве пеногасителей используют природные масла, жиры. Органические кислоты, спирты, эфиры.

Нехимические методы – основаны на использовании температуры, механического и звукового воздействия на пены. Мехничское воздействие предполагает использование лопастных и дисковых мешалок в специальных приборах – пеноразрушителей. Термический метод основан на разрушении пены под действием высокой температуры, в результате чего пленки пены разрушаются ввиду испарения дисперсионной среды. Акустический методы основан на воздействии ультразвука с частотой 1-1000 кГц.