Строение пен и способы их разрушения
Первоисточник: В.К. Тихомиров. Пены. Теория и практика их получения и разрушения. М.: Химия. – 1975. – с. 11-15.
1.2 СТРОЕНИЕ ПЕН Пена представляет собой дисперсную систему, состоящую из ячеек — пузырьков газа (пара), разделенных пленками жидкости (или твердого вещества). Обычно газ (пар) рассматривается как дисперсная фаза, а жидкость (или твердое вещество) — как непрерывная дисперсионная среда. Пены, в которых дисперсионной средой является твердое вещество, образуются при отверждении растворов или расплавов, насыщенных каким-либо газом. Разделяющие пузырьки газа жидкие или твердые пленки образуют в совокупности пленочный каркас, являющийся основой пены. Далее будем рассматривать в основном пены с жидкой дисперсионной средой, поскольку они представляют наибольший интерес для описания протекающих в них процессов и более широко используются на практике. Исследование отвержденных пен началось лишь относительно недавно в связи с развитием химии и технологии пластических масс. Особенности их свойств и области практического использования будут рассмотрены в соответствующих разделах. Структура пен определяется соотношением объемов газовой и жидкой фаз и в зависимости от этого соотношения ячейки пены могут иметь сферическую или многогранную (полиэдрическую) форму. Переходная форма ячеек от сферической к многогранной названа Манегольдом ячеистой благодаря сходству со строением пчелиных сот. Ячейки пены принимают сферическую форму в том случае, если объем газовой фазы превышает объем жидкости не более чем в 10—20 раз. В таких пенах пленки пузырьков имеют относительно большую толщину. Чем меньше отношение объемов газовой и жидкой фаз, тем толщина пленки больше. Ячейки пен, у которых это отношение составляет несколько десятков и даже сотен, разделены очень тонкими жидкими пленками; их ячейки представляют собой многогранники. В процессе старения шарообразная форма пузырьков пены превращается в многогранную вследствие утончения пленок. Изменение формы пузырьков пены от шарообразной к многогранной легко наблюдать в бюретке, содержащей вспененную жидкость. Состояние пены с многогранными ячейками близко к равновесному, поэтому такие пены обладают большей устойчивостью, чем пены с шарообразными ячейками. По данным Плато многогранная структура пен описывается двумя геометрическими правилами. 1. В каждом ребре многогранника сходятся три пленки, углы между которыми равны и составляют 120°. Места стыков пленок (ребра многогранников) характеризуются утолщениями, образующими в поперечном сечении треугольник. Эти утолщения названы каналами Плато или Гиббса. Они представляют собой взаимосвязанную систему и пронизывают всю структуру пены. Аналогичной является система каналов, образуемых плоскими (или искривленными) пленками, площадь сечения которых меньше, чем каналов Плато. Эти каналы состоят из двух адсорбционных слоев молекул ПАВ и прослойки раствора между ними. 2. В одной точке сходятся четыре канала Плато, образуя одинаковые углы в 109°28'. Многогранную структуру пузырьков пены изучали путем получения одиночных пузырьков при вдувании в раствор ПАВ определенного объема воздуха. Число граней в пузырьке изменялось от 8 до 18 и в среднем составляло 13,7; большинство многогранников имело от 12 до 15 граней. Форма граней в основном была пятиугольной, хотя встречались квадратные, шести- и семиугольные грани. При выдувании одновременно нескольких пузырьков разных размеров полупены примерно те же данные, однако среднее число граней в пузырьке было несколько меньше, чем 13,7. Качественное изучение перегруппировки многогранных пузырьков в пене показало, что в процессе разрушения пены вследствие газовой диффузии пузырьки последовательно принимают форму параллелепипеда, треугольной призмы и тетраэдра независимо от первоначального строения. В последней стадии (тетраэдр) происходит превращение объемной фигуры в «узел» (место стыков каналов Плато). Поверхность граней ячеек пены может быть плоской только в случае пятиугольных многогранников. Для других форм многогранников грани не имеют кривизны лишь при условии равенства давлений в отдельных пузырьках. В полидисперсных пенах с шарообразной формой пузырьков кривизна отдельных участков пленки пены неодинакова; жидкость в пленке и каналах Плато находится под различным давлением. Под действием разности давлений в пленках пены происходят капиллярные явления: всасывание междупленочной жидкости, а также диффузия газа между пузырьками. Процесс всасывания представляет собой течение жидкости по каналам Плато в сторону утолщенных участков, которые находятся под меньшим давлением. Если два пузырька с радиусами соответственно г1 и г2 (г1> г2) соединяются, то между ними образуется общая пленка. После установления равновесия кривизна ее (г1а) определяется значениями давлений внутри пузырьков. Выпуклость пленки направлена в сторону большего пузырька, поскольку давление в нем меньше, чем в малом пузырьке.
1.3. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕН Получить пены, как и другие дисперсные системы, можно двумя способами: диспергационным и конденсационным. При диспергационном способе получения пена образуется в результате интенсивного совместного диспергирования пенообразующего раствора и воздуха. Диспергирование технологически осуществляется следующими методами. а) При прохождении струй газа через слой жидкости (в барботажных или аэрационных установках, в аппаратах с «пенным слоем», применяемых для очистки отходящих газов, в пеногенераторах некоторых типов, имеющих сетку, орошаемую пенообразующим раствором. б) При действии движущихся устройств на жидкость в атмосфере газа или при действии движущейся жидкости на преграду (в технологических аппаратах при перемешивании мешалками, встряхивании, взбивании, переливании растворов). в) При эжектировании воздуха движущейся струей раствора (в некоторых типах пеногенераторов, предназначенных для тушения пожаров). Конденсационный способ образования пен основан на изменении параметров физического состояния системы, приводящем к пересыщению раствора (рабочей среды) газом. К этому же способу относится образование пен в результате химических реакций и микробиологических процессов, сопровождающихся выделением газообразных продуктов. Пересыщение раствора газом и, соответственно, вспенивание происходит при|создании пониженного давления в аппарате с раствором, при повышении температуры раствора (при выпаривании растворов, дистилляции и т. д.), при введении в раствор веществ, уменьшающих растворимость газов. Получение пен может быть обусловлено действием нескольких источников ценообразования одновременно. Так, некоторые технологические процессы осуществляют с аэрацией и перемешиванием. Микробиологический синтез, который обычно проводят при аэрации и перемешивании, сопровождается выделением газообразных продуктов метаболизма. На межфазной поверхности газообразного или парового включения в жидкой среде, содержащей ПАВ, образуется адсорбционный слой. Скорость формирования этого слоя определяется скоростью диффузии молекул ПАВ из глубины раствора к поверхности включения. При выходе пузырька на поверхность раствора он окружается двойным слоем ориентированных молекул. Следует отметить, что процесс пенообразования крайне сложен из-за совместного влияния многочисленных физико-химических, физико-технических и других факторов. Закономерности, обусловливающие образование пены, существенно меняются в зависимости от условий проведения конкретного технологического процесса или эксперимента. Множество переменных параметров, влияние которых не всегда поддается учету, практически исключает гвозможность математического выражения протекающих процессов обычными методами математического анализа.
Вернуться в библиотеку