Лабораторна робота № 2 одержання піни та дослідження її стійкості

Мета. Одержати піну. Дослідити кінетику руйнування піни. Визначити параметри піни та встановити її будову.

1. Піни – важливий клас колоїдних систем

До колоїдних систем відносяться також емульсії, піни і аерозолі. Вони воло-діють рядом характерних особливостей; вивчення цих особливостей має великий практичний і теоретичний інтерес і розширює нашу уяву про колоїдні системи.

Піна – це дисперсна система, яка складається з комірок, заповнених газом (повітрям, азотом, вуглекислим газом), які відділені одна від одної плівками дуже малої товщини. Плівки в піні можуть бути рідкими або твердими. Піни за своєю природою подібні до концентрованих емульсій, але дисперсною фазою в них є газ, а не рідина.

Типові піни є відносно дуже грубі висококонцентровані дисперсії газу в рідині. Пухирці повітря в таких системах мають розмір від декількох міліметрів до декількох сантиметрів. Завдяки надлишку газової фази і взаємному стискуванні пухирці піни мають не сферичну форму а являють собою поліедричні комірок, стінки яких складаються із дуже тоненьких плівок рідкої дисперсійного середовища. Плівки піни часто проявляють інтерферен-цію; це засвідчує про те, що їх товщина співмірна з довжиною світлових хвиль.

В результаті того, що піна складається із таких поліедричних комірок, вона має сотоподібну структуру. Великий розмір окремих газових пухирців в тісному розташуванні їх в піні унеможливлює броунівський рух. Крім цього в результаті особливої структури стійкі піни володіють деякою жорсткістю або механічною міцністю. Взагалі, за будовою звичайні піни дуже нагадують висококонцентровані емульсії.

Від типових пін, що є висококонцентрованими дисперсіями газу в рідині, слід відрізняти низькоконцентровані системи Г – Р, в яких газові пухирці знахо-дяться на відносно великих відстанях один від другого. Прикладом такої систе-ми може бути газована вода, пиво чи шипуче вино, що містять пухирці вугле-кислого газу. Завдяки великій різниці в густинах рідкої і газової фази такі системи володіють дуже малою седиментаційною стійкістю і існують нетривалий час.

2. Методи одержання пін та їх будова

Як і всі дисперсні системи, піни можна отримувати методами диспер-гування (інтенсивним перемішуванням, або барботуванням газів в рідину) та конденсації. Піни в чистих рідинах вкрай нестійкі і можуть існувати тільки в умовах, коли швидкість утворення пухирців рівна швидкості їх руйнування, тобто в динамічному режимі. Вспінювання ідеально чистих рідин відбувається барботуванням при швидкості газу 0,7 – 1,3 м/с. Зниження швидкості газу практично миттєво викликає зникнення піни в таких рідинах. Тому для отримання пін, що існують в статичних умовах, слід вводити додатки спеціальних речовин – піноутворювачів. В залежності від типу піноутворювача піни зберігаються (живуть) від декількох секунд до декількох годинн. Відмінність піноутворювачів проявляється не тільки в стійкості пін, але і у впливі їх концентрації на стійкість. Конденсаційний метод базується на зміні фазового стану розчину (при підвищенні температури розчину або зменшенні зовнішного тиску), що призводить до перенасичення її газом. Стабілізації пін досягають за допомогою поверхнево-активних речовин (ПАР).

Першою стадією піноутворення є утворення газової емульсії в розчині ПАР. На міжфазовій межі пухирців (рис. 1, а) утворюється адсорбційний шар ПАР, подібний до шару, що утворюється на межі розділу розчин – газ. При флокуляції пухирців на їх поверхні розчину формується плівковий каркас піни, що характеризується, тим що прошарки рідини між адсорбційними шарами ПАР на пухирцях піни взаємозвязані, завдяки чому утворюється єдина структура.

Структура піни визначається співвідношенням об’ємів газової і рідкої фаз, і в залежності від цього співвідношення піни можуть мати сферичну форму комірки (куляста піна), поліедричну або перехідну.

Кульова піна утворюється, якщо об’єм рідкої фази V_р перевищує об’єм газової фази V_г більш як у 1020 разів. Плівки пухирців такої піни мають відносно велику товщину. Чим менше співвідношення V_р/V_г тим менша товщина плівки. По мірі старіння піни плівки стають тоншими і куляста піна перетворюється в поліедричну.

а б

Рис. 1. Елемент сферичної піни із трьох пухирців (а) та елементарна чарунка поліедричної піни (б)

Структура поліедричних пін описується геометричними правилами Пла-то. Три пухирці, стінки яких дотикаються під кутом 120^о, утворюють механічно стійку систему. При їх з’єднанні плівки, що їх розділюють, утворюють тригран-ний стовпчик рідини, який називається каналом ПлатоГіббса, і який відіграє важливу роль в механізмі тоншання плівок. Велика кривизна поверхні в області контакту трьох пухирців веде до значного перепаду тисків між газовою і рід-кою фазами, в результаті рідина витискується із плівки в канал ПлатоГіббса. Оскільки стінки всіх пухирців повинні бути однаковими, то в одній точці (вуз-лі) сходяться чотири канали ПлатоГіббса, утворюючи між собою кути 109^о28.

Використовуючи геометричні правила Плато, можна передбачити найбільш імовірну форму чарунки піни. Вона є пентагональним додекаедром (рис. 1, б) – фігура якого обмежена 12 п’ятикутними гранями. Характерно, що поверхня пінних плівок в цьому випадку не має кривизни. Стан такої плівки близький до рівноважного, і тому вона найбільш стійка.