Глава 6.4 пены

Пены – дисперсные системы типа Г/Ж, в которой дисперсная фаза – газ (пар), а дисперсионная среда – жидкость. Пены относятся к концентрированным и высококонцентрированным дисперсным системам. Разбавленные дисперсные системы типа Г/Ж, содержание дисперсной фазы которых менее 0,1%, называют газовыми эмульсиями. В разбавленных системах происходит обратная седиментация – всплытие газовых пузырьков. В концентрированных и высококонцентрированных системах типа Г/Ж, т.е. собственно пенах, пузырьки соприкасаются друг с другом и лишены возможности свободного перемещения.

В отличие от других дисперсных систем, состав которых определяется концентрацией дисперсной фазы, пены характеризуются содержанием дисперсионной среды. Так как масса и объем газовой дисперсной фазы непостоянны и быстро изменяются, то общее объемное содержание дисперсной фазы характеризуется кратностью пены , которая показывает, во сколько раз объем пены V_п превышает объем жидкости V_ж, необходимый для ее формирования

,

где V_П, V_Г, V_Ж – объем пены, газа и жидкой дисперсионной среды соответственно.

Относительная доля газа  в пенах равна

Доля объема, занятого жидкостью, состоавляет 1 -  = 1/

Пены называются влажными (низкократными), если  < 10, для сухих (высокократных) пен значение  превышает 100; если 10    100, то пены называют полусухими.

Пузырьки дисперсной фазы пен могут иметь сферическую и многогранную (полиэдрическую) форму, а также ячеистую структуру пен, которая образуетсяпри переходе сферической формы пузырьков в полиэдрическую.

В пене происходит контакт пузырьков, разделенных слоем жидкости. При осуществлении контакта четырех пузырьков одного размера возникает неустойчивое равновесие, которое нарушается и переходит в устойчивое равновесие трех пузырьков.

Пленки жидкости, находящиеся между пузырьками, образуют треугольники Плато. В каждом ребре многогранника сходятся три жидкие пленки, являющиеся стенками пузырьков. В местах стыков пленок (ребер многогранников) образуются утолщения, называемые каналами. Каналы формируют в поперечном сечении треугольники. Четыре канала сходятся в одной точке, образуя узлы. Жидкие пленки в центре плоскопараллельны. Вблизи каналов они утолщены и становятся вогнутыми. В результате возникает капиллярное давление, вызывающее отток жидкости из пленок в каналы (рис. 6.4.1.1), жидкие пленки утончаются.

В отношении пен, как и других дисперсных систем, различают агрегативную и седиментационную устойчивость.

Основным параметром, характеризующим агрегативную устойчивость пен, является скорость уменьшения в единице объема пены удельной поверхности (v_у.п.) или увеличение размеров пузырьков за счет их укрупнения (v_у.п.). За агрегативную устойчивость (А_у)принимают величину, обратную скорости снижения удельной поверхности v_у.п. или скорости увеличения среднего размера пузырьков v^’ _у.п., а именно

; ,

;

Сопоставление агрегативной устойчивости различных пен v_у.п. проводят при одинаковом значении удельной поверхности или размеров пузырьков.

На практике оценку агрегативной и седиментационной устойчивости пен проводят при помощи коэффициента устойчивости К_у, который выражается уравнением

где _р, V_П – время разрушения и первоначальный объем пены.

Коэффициент устойчивости определяют по времени жизни столба пены определенной высоты, чаще 3 или 5 см, а также по времени ее разрушения в зависимости от приложенного давления. Так, время _р для столба пены высотой 3 см, образованной при использовании альбумина в качестве пенообразователя (0,1 моль/л) при давлении 10⁴ Па, составляет 112 мин.

Пленки, обрамляющие пузырьки и образованные однокомпонентной жидкостью, спонтанно утончаются до определенной критической толщины разрыва (30 нм). Поэтому в однокомпонентной жидкости время жизни пены ничтожно мало; пены разрушаются практически сразу после их образования, т.е. после прекращения механического воздействия. Пенам придают устойчивость ПАВ. В присутствии ПАВ по достижении критической толщины пленки не разрываются, а скачкообразно переходят в более тонкие пленки, толщиной 5 – 10 нм, которые получили название «черные пленки». Эти весьма тонкие пленки не отражают свет и на темном фоне выглядят черными (отсюда название).

Когда концентрация дисперсной фазы незначительна и образуются шарообразные пузырьки газа, способные к взаимному перемещению, говорят о седиментационной неустойчивости пен. Пузырьки получают возможность всплывать, и тем самым нарушается седиментационная устойчивость пен.

Для получения пен, для придания им необходимой устойчивости применяют вещества, именуемые пенообразователями. Они двух типов. Первые дают малоустойчивые пены, время жизни которых исчисляется всего десятками секунд: спирты, низшие члены ряда жирных кислот, ряд других ПАВ, не обладающих моющим действием.

Ко второму типу пенообразователей относятся мыла и синтетические коллоидные ПАВ, ряд природных ВМС: белки, желатин и др. Время жизни пен под действием подобных реагентов составляет минуты и часы.

Устойчивость пены в присутствии пенообразователей определяется кинетическим, структурно-механичес-ким и термодинамическим факторами, действующими отдельно или в совокупности. В случае использования ПАВ эти факторы обусловлены адсорбцией молекул в тонком слое жидкости оболочки пены (см. рис. 6.4.1.2). Кинетический фактор связан с изменением поверхностного натяжения на границе раздела фаз. В результате изменения поверхностного натяжения замедляется отток жидкости из пены и ее утончение, что приводит к увеличению времени жизни пены.

Адсорбционный слой ПАВ изменяет структуру поверхности границы фаз и определяет механическую прочность этой структуры. Кроме того, в тонком слое возникает расклинивающее давление, препятствующее утончению пленки и характеризующее термодинамический фактор устойчивости.

Устойчивость пен зависит от следующих основных факторов:

1. Природы и концентрации пенообразователя.

2. Температуры. Чем выше температура, тем ниже устойчивость, т.к. уменьшается вязкость межпузырьковых слоев и происходит десорбция стабилизатора, т.е. увеличивается растворимость поверхностно-активных веществ (ПАВ) в воде.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие системы называются пенами?

2. Классификация пен. Что такое кратность пен?

3. Как оценить дисперсность пены?

4. В чем заключается седиментационная устойчивость пен?

5. Каковы факторы агрегативной устойчивости пен?