Е.Д. Щукин, А.В. Перцов, Е.А. Амелина - Коллоидная химия (1157045), страница 74
Текст из файла (страница 74)
ке алмаза). Каналы и узлы образуют единую разветвленную систему, по которой может осуществляться перенос дисперсионной среды, в частности, ее стекание под действием силы тяжести. В пенах с кратностью до 100 — 1000 (в зависимости от дисперсности и толщины пленок) основная часть дисперсионной среды содержится в каналах и лишь ее малая доля — в пленках. Содержание жидкости в узлах наиболее велико в очень низкократных пенах (при кратности, приближающейся к трем). Реальные пены, как правило, полидисперсны . Это влечет изме- 1 пение формы ячеек пен. Однако правила Плато (три пленки образуют канал, четыре канала образуют вершину) соблюдаются во всех случаях. Дисперсность пены можно характеризовать ее удельной поверхностью.
Чаще измеряют некоторые средние значения геометрических параметров ячейки, например, среднее число ячеек в единице объема и или средний эквивалентный радиус г, связанный с и соотношением /3пгзп = 1. Толщина пленок Ь, средний эквивалентный радиус ячеек г(или их число в единице объема), средняя кратность пены К, а также высота столба (слоя) пены Н и есть те основные геометрические параметры, которые в первом приближении характеризуют ~ Пропусканием газа через одиночный капилляр может быть получена и монодисперсная пена, которая в последуюгдем при разрыве пленок становится полидлс.
перепой. 348 строение пены. При более полном рассмотрении раетаор следует учитывать изменение первых трех парамет- ~~ воздух ров по высоте пенного столба. Пены и изолированные пенные пленки являются удобным объектом изучения природы относитель- ° Сетка ной устойчивости лиофобных дисперсных систем, механизмов и кинетики их разрушения. Вместе с тем пены широко используют в различных областях со- Сетка временной техники: при тушении пожаров, во флотации, в производстве хлебопекарных и кондитерских изделий (хлеб — пример отвержденной пены), теплоизоляционных материалов (пенобетоны, пенопласты, микропорисгые резины) и т. д.
Получение лен, как правило, осуществляется диспергированием воздуха (реже другого газа) в жидкости, содержащЕй КаКОЕ-ЛИбО ПА — ПЕНООбраЗОВатЕЛЬ. ИНОГда Вае. уГП-З. Схевводят добавки стабилизаторов пены, также являю- хта сеточного аещихся поверхностно-активными веществами, кото- логе"оратора рые усиливают действие пенообразователя. Диспергирование газа может осуществляться пропусканием воздуха через слой жидкости (барботажные пены) или с помощью мешалок в объеме жидкости. Применяют и пеногенераторы разных конструкций, во многих из которых образование пены происходит на сетке (рис. Ч1П-3). При этом, задавая расход воздуха и раствора пенообразователя, можно получать пену необходимой кратности.
Для обеспечения требуемой дисперсности пены на пути пенного потока устанавливается ряд сеток, на которых происходит диспергирование ячеек пены. Такие пеногенераторы могут обеспечить быстрое получение больших количеств пены, необходимых при тушении пожаров, особенно горящих топлив и других органических жидкостей. Пены, в которых происходит отверждение дисперсионной среды (хлеб, пеноматериалы), обычно образуются конденсационным путем, основанным на выделении какого-либо газа, чаще всего СОз в результате химической реакции или биохимического процесса. Р аз р у ш е н и е п е н ы сопровождается изменением во времени параметров, характеризующих строение пены, и связано с протеканием рассмотренных в предыдущей главе процессов утоньшения и прорыва пленок, изотермической перегонки газа от мелких ячеек к более крупным, а также синерезиса — вытекания дисперсионной среды из каналов Гиббса — Плато под действием силы тяжести.
349 ! о Рис. ЧП!-4. Ячейка для изучения ин- Рис.71П-5.Кинетикаизменениятолщинц дивидуальных пленок Ь пленок (при вьпекании жидкости) в координатах !/Ь вЂ” г Толщи н а пенных иле н о к иееизменениевовремениизученывработах Ж. Перрена, К. Майзелса, А.Д. Шелудко, Б.В. Дерягина, Х. Зоннтага и др. Эти исследования обычно проводят на индивидуальных пенных пленках, например микропленках, с помощью изображенной на рис.
ЧП1-4 ячейки, разработанной Шелудко, После заполнения ячейки раствором пенообразователя (до появления капли на нижней стороне ячейки) начинают отсасывать раствор с помощью микронасоса, соединенного с боковым отводом, при этом сверху и снизу в ячейке образуются менисхи (рис. ЧШ-4), которые по мере отсасывания жидкости постепенно сближаются. При соприкосновении менисков в их центре возникает микроскопическая пленка, окруженная широким каналом Гиббса — Плато, давление в котором (см. ЧП.2) понижено по сравнению с атмосферным на величину 2п/гм где га — радиус канала ячейки.
Дальнейший отсос дисперсионной среды ведет к расширению пленки, сужению канава и увеличению кривизны его поверхности, а следовательно, дальнейшему уменьшению давления в нем. Детальные исследования в этом направлении показали (рис. ЧИ1-5), что вытекание:кидкости из пленок в основном подчиняется уравнению Рейнольлса (Ч)1. ! 8). Это означает, что наличие адсорбционных слоев ПАВ на поверхности пленки обеспечивает отаерждение поверхностей вследствие эффекта Марангони — Гиббса. Вместе с тем могут встречаться и отклонения от рей пол ьдовс кого режима угон ьшения пленок. В некоторых случаях эти отклонения связаны с поверхностной и объемной диффузией молекул ПАВ.
В других случаях (особенно для пленок большого размера) может наблюдаться более быстрое утоньшение периферийных частей пленок с сохранением в их центральной части участка более толстой пленки (так называемого «димплаь). Эта центральная часть в последующем может сливаться с каналом Гиббса — Плато. Утоньшен не пленок может заканчиваться их разрывом или же образованием мета- стабильно-равновесного состояния, когда расклинивающее давление в пленке равно по абсолютной величине капиллярному давлению, определяемому кривизной поверхности окружающего пленку мениска. Эту величину можно изменять, отсасывая жидкость из канала Гиббса — Плато.
Возникновение положительного по знаку расклииивающего давления в пенных пленках может быть обусловлено его электростатической составляющей. В области сравнительно толстых пленок (см. ЧП) расклинивающеедавление в пленке определяется молекулярной и электростатической составляющими, следовательно, р. + П„+ П, = О. (Ч)П.2) 350 П, Н/мт 1О' Ш4 !03 Ш' !о 0 20 40 606, нм Рис. Ч1П-6.
Изотермы расклинивающего давления П(Ь) лля пленок, полученных из растворов додепилсульфата натрия (1О ' моль/л) с добавками )4аС1: 1- !О'; 2 — 0,1; У вЂ” 0,4 мель/л Ь, нм 40 30 20 !О 0 сы спьв 0 ! 2 — 18 с)ЧаС1 Рис. Ч(П-8. Зависимость времени жиз- ни г, пленки от концентрации ПАВ Рис. ЧП1-7. Зависимость толщинм первичной (кривая 7) и вторичной (кривая 2) черных пленок от концентрации элек- тролита 35! Этому отвечает наблюдаемое в ряде случаев уменьшение равновесных толщин пленок, если наряду с ПАВ в состав лисперсионной среды вводить электролит, вызывающий уменьшение электростатической составляющей расклинивающего давления.
Зависимость толщины пенных пленок от концентрации электролита в дисперсионной среде, как показали результаты проведенных исследований, описывается теорией ДЛФО. Более того, варьируя капиллярное давление в канале Гиббса — Плато и измеряя толщины пленок, в соответствии с (ЧП1.2) можно получить зависимость расклинивмощего давления оттолщины пленки при постоянной концентрации электролита. На рис. Ч1П-6 приведены полученные с помощью этого метода Х. Христовым, Д. Ексеровой и П.М. Кругляковым участки изотерм расклинивающего давления для «серых» (кривая 7), первичных черных (кривая 2) и ньютоновских черных (кривая 3) пленок; показана сильная сжимаемость (уменьшение толщины с увеличением расклинивающего давления) «серых» пленок, слабая сжимаемость первичных черных пленок и практически полная несжимаемость ньютоновских черных пленок.
В опытах Шехудко с сотр. было установлено, что для первичных черных пленок характерны меньшие значения избьпочного натяжения (см. ЧП.2) Ьп (сотые доли иН/м), чем для вторичных (десятые мН/м); толщина первичной пленки более 7 нм (рис. ЧП1-7). Между этими двумя типами пленок улается наблюдать обратимые переходы при изменении капиллярного давления. Была обнаружена связь между типом возникающей пленки и устойчивостью пены, образованной из раствора того же саста. ва, т. е, ее временем жизни г; устойчивые пены (рис. 3г(П-8) образуются при концентрациях ПАВ выше концентрации см отвечающей возникновению черных пленок.
Изменение д и с перси ости п сны во времени может бытьсвязанокакс протеканием изотермического переноса газа через пленки, так и с разрывом самих пленок. Измерение дисперсности пены и ее изменений во времени обычно проводится подсчетом числа ячеек, контактирующих со стенкой сосуда, в котором находится пена (по микрофотографиям). Изотермический перенос газа от малых ячеек с более высоким давлением воздуха к крупным, в которых давление воздуха ниже, особенно существен для высокадисперсных полидисперсных пен, т. е.
на началъных стадиях нх разрушения, Поскольку толщина пленок в пенах в состоянии, близком к метастабильно-равновесно. му, не изменяется во времени, кинетика раста ячеек пен при изотермическом переносе газа, как бьшо показано де Фризом, описывается соотношением ()СП.37). Разрыв пленок в пенах носит случайный характер, при этом вероятность прорыва пленок и объединения соседних ячеек пропорциональна числу гшенок )сп в данный момент времени: «1п )сп бг г, где и — число ячеек в единице объема пены; г, — среднее время жизни единичной пленки; коэффициент /с 6 — 7, определяется средним числом пленок на одну ячейку.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
