9.3. Пены

Пены  ячеистые дисперсные системы, образованные скоплением пузырьков газа или пара, разделённых тонкими прослойками жидкости. Они относятся к типу Г/Ж. В отличие от газовых эмульсий пены  структурированные связнодисперсные системы. В большинстве случаев пены очень полидисперсны. Размеры газовых пузырей в них колеблются от долей миллиметров до нескольких сантиметров, благодаря чему пены занимают промежуточное положение между микрогетерогенными и макрогетерогенными системами.

Примерами пен являются пожаротушащие пены, пены, образуемые флотореагентами при обогащении руд ценных металлов, а также мыльная пена (или пена, образованная раствором любого другого моющего средства), Флотация грязевых частиц пузырьками пены является одним из важнейших компонентов моющего действия детергентов. Пены используются в ряде косметических средств, например, пена для бритья, пенки для масок, некоторые кремы и др.

Многие пищевые продукты являются пенами, как, например, взбитые сливки, муссы, суфле, кондитерские кремы. При варке варенья на нём образуется пена, стабилизированная растительными белками. Эти белки являются основным объектом питания микроорганизмов, вызывающих гниение, поэтому удаление пенки необходимо для длительного сохранения варенья. Аналогичная пена часто наблюдается при варке мясных бульонов. В этом случае она образована низкомолекулярными растворимыми белками, полипептидами или аминокислотами. Пены образуются и на многих напитках, содержащих поверхностно-активные вещества – на кофе, какао, пиве и т. п.

Применение в качестве пенообразователей полимеризующихся веществ – уретана, стирола и др. - приводит после полимеризации к полному отвердеванию дисперсионной среды. Таким способом получают пенопласты, поролоны, пенорезины, пенобетоны, обладающие высокими прочностными, тепло и звукоизоляционными свойствами. Однако эти системы представляют собой самостоятельный класс дисперсных систем – твёрдые пены, относящиеся к типу Г/Т. Рассматриваемые в данном разделе жидкие пены являются промежуточным продуктом при получении твёрдых пен.

В фармации некоторые лекарственные средства применяются в виде пен, например, противоожоговые и ранозаживляющие средства кислородные коктейли.

Пены получают при интенсивном перемешивании или при барботировании пузырьков газа через жидкость. Важнейшим условием их получения является присутствие стабилизатора, называемого пенообразователем. В отсутствие пенообразователя пены с водной дисперсионной средой или вообще не образуются, или очень быстро разрушаются.

В качестве пенообразователей используются те же поверхностно-активные вещества, которые являются эмульгаторами эмульсий типа М/В, так как дисперсная фаза в пенах – воздух или, реже, другие газы, - принципи­ально гидрофобна. Стабилизация гликозидами (сапонин), таннинами, красителями и высокомолекулярными соединениями, особенно белковой природы, ведёт к образованию высоковязких и прочных пространственных структур в поверхностном слое пузырьков, сильно замедляющих утончение и разрыв пленки. Стабилизаторы этого типа называются по предложению Ребиндера сильными пенообразователями.

Кроме того, устойчивость пен определяется и другими свойствами системы, например, вязкостью жидкости.

Кинетическая устойчивость пен является их важной практической характеристикой. Обычно она определяется временем самопроизвольного разрушения столба пены на половине его высоты.

Ещё одной характеристикой пены является её кратность , выражаемая отношением объёма пены к объёму исходного раствора пенообразователя V_ж:

,

где V_г – суммарный объём пузырьков газа, V_г + V_ж – объём пены.

Для «влажных» пен, состоящих из сферических пузырьков газа, разделённых сравнительно толстыми прослойками,   10, для «сухих» пен с тонкими прослойками  может достигать  1000. В сухих пенах, где коэффициент заполнения пространства пузырьками воздуха превышает 74%, пузырьки деформируются и представляют собой не сферы, а полиэдрические ячейки. Эти ячейки разделяются стенками, состоящими из тонких прослоек жидкости с адсорбированными на них молекулами пенообразователя.

В пределе можно получить достаточно крупные пузырьки с настолько тонкими стенками, что они состоят фактически из двух упорядоченных слоёв молекул поверхностно-активного вещества, между которыми находится мономолекулярный слой воды. Из-за одинакового давления воздуха в соседних пузырьках эти плёнки являются идеально плоскими. Это очень удобно для изучения строения адсорбционных слоёв ПАВ, для экспериментального определения размеров их молекул и т. п. Подобные тонкие слои, называемые «чёрными» плёнками из-за практически полного отсутствия отражения света, могут быть получены и при создании больших мыльных пузырей. В этом случае стенки пузыря при отсутствии движения воздуха являются идеально сферическими. Тонкостенные мыльные пузыри, сохраняющиеся в течение нескольких минут, а иногда и часов, тоже являются удобным объектом для изучения свойств молекул ПАВ.

Часто образование пен является нежелательным, например. В химических аппаратах при перемешивании жидкой реакционной смеси. Аналогично нежелательная пена может возникать при перемешивании или встряхивании лекарственных растворов и т. д. В стиральных машинах из-за интенсивного перемешивания раствор детергента может практически весь превратиться в пену, что не даст проявляться главному механизму моющего действия – солюбилизации грязевых частиц. Кроме того, избыточная пена заполняет всё пространство над раствором, что мешает в работе. Для предотвращения образования ненужной пены применяют специальные вещества – пеногасители. Пеногасителями являются воски, жиры, некоторые масла, эфиры, высшие спирты и др., добавляемые в перемешиваемую жидкость. Уничтожить или хотя бы уменьшить уже образовавшуюся пену можно механическим удалением, термическим («пережигание») или ультразвуковым воздействием.