Пена

КАК ПРОДЛИТЬ ЖИЗНЬ ПЕНЫ?

Читатель прекрасно знает из собственного опыта, что Пены не всегда бывают высокоустойчивыми, что они спо­Собны быстро самопроизвольно разрушаться. Но во мно­Гих случаях необходимы пены, способные в течение мно­Гих часов сохранять свой объем.

Ответ на вопрос о том, как сделать пену более проч­Ной, логично искать в теории устойчивости пен. Однако, как справедливо утверждает известный физикохимц А. Шслудко, до настоящего времени не разработано пол ной, экспериментально доказанной теории устойчивосл пен. Так, Б. В. Дерягин считает, что «основная причин устойчивости пен не связана с замедлением утонченк или растяжения их пленок». Он усматривает ее в электрс статическом расклинивающем давлении, возникаю ще* в пленках. По мнению других специалистов, устойчі востъ пен зависит главным образом от структурно-мехі нических свойств жидкости, степени гидратации ПА и интенсивности испарения жидкости с поверхности пле нок. Единого мнения, как видим, пока нет. К этому над добавить, что выводы из результатов исследования еди ничных, изолированных пленок неприменимы к пенам которые нельзя представить просто как сумму отдельны жидких перегородок. Однако изложение всех теорн устойчивости пен увело бы нас от популярной КНЩ в сторону монографии.

В специальной литературе по теории устойчивое! пен есть много примеров продления «жизни» пены. Прі водятся данные о том, что сапонин и белок образую жесткие и стойкие пены и что вообще пенообразовател растительного и животного происхождения, имеющи структуру коллоидов, дают долгоживущие пены.

Наиболее простой и действенный, а потому и самьц распространенный способ повысить жизнеспособное! пен - стабилизащя пен специальными добавками. Этот ме тод предусматривает добавление в растворы ПАВ хими чсских веществ - стабилизаторов.Их действие основане на увеличении вязкости растворов и замедлении за счел этого истечения жидкости из пен. Иногда происходи внедрение молекул стабилизатора в «частокол» молекуа пенообразователя в пленках пены и связывание и: в прочные и устойчивые объединения. Упрочнители пені могут быть растворимыми и нерастворимыми, органиче скими и минеральными (электролиты).

Все стабилизаторы по принципу упрочняющего дей - сівия на пены подразделяют на пять групп.

К первой группе относятся вещества, повышающие Вязкость самого пенообразующего раствора, их назы­Вают загустителями; такие вещества следует добавлять К раствору пенообразователя в больших концентрациях. Это глицерин, этиленгликоль, метилцеллюлоза. Про­Изводные целлюлозы уже при одно-двухпроцентной дози­ровке увеличивают вязкость раствора и устойчивость Пены в десятки раз, а вот глицерин эффективен только при концентрации 15-20%.

Вторую группу составляют вещества, вызывающие образование в пленках коллоидов; в результате обезво­живание пленок очень сильно замедляется. Коллоидные стабилизаторы являются более эффективными загустите­Лями, чем вещества первой группы. Во вторую группу добавок входят желатин, клей, крахмал, агар-агар. Эти вещества в количестве 0,2-0,3% от массы ПАВ увеличи­вают вязкость жидкости в пленках более чем в 100 раз, а устойчивость пен возрастает при этом в 2-8 раз.

Вещества, полимеризующиеся в объеме пены, относят К третьей группе стабилизаторов. Полимеризация сильно увеличивает прочность пленок; возможен даже их пере­ход в твердое состояние. Это наиболее эффективные ста­билизаторы; в одних случаях это полимерные компози­ции-синтетические смолы, например карбамидные, в других-латексы и т. п.

Вещества четвертой группы образуют с пенообразова­телем нерастворимые в воде высокодисперсные осадки. Такие осадки бронируют пленки и препятствуют их раз­рушению. Это наиболее дешевые и широко распростра­ненные стабилизаторы. К ним относятся соли тяжелых металлов: железа, меди, бария, реже алюминия. В пены вводятся очень небольшие добавки этих веществ.

Добавки, участвующие в построении адсорбционных слоев на границе раздела жидкость-газ, объединены

6-ІП

В пятую группу. Главные представители - высшие жирные спирты. При введении всего 0,05% спирта в растворы пе­нообразователей сильно снижается поверхностное натя­жение смеси и за счет этого устойчивость пен повышает­ся. Применяют в основном тетрадециловый спирт.

В зависимости от требований к стойкости пены и тех4 нологических условий производства иа практике выби-' рают ту или иную группу стабилизаторов. Например, - на! кондитерских фабриках для изготовления пастилы, халвы, конфет нужны высокостойкие пены, а добавки в пены должны быть съедобными и не должны ухудшаи вкус изделий. Этим требованиям удовлетворяют стаби­лизаторы второй группы. А вот при производстве тепло) изоляционных и акустических материалов стремятся по лучить прочные (твердые) пены, в этом случае эффек тивны стабилизаторы третьей группы.

Есть еще один способ повышения стабильности пен применяемый реже,-это бронирование газовых пузырьков, В пены вводят тонкоизмельченные твердые веществ? (тальк, асбест, кварц, сажу), которые, при равномерно^ распределении на поверхности пузырьков, упрочняют пленки и продлевают жизнь пены. Такие пены называю: Минерализованными. , 1

Образование устойчивой минерализованной пены про! исходит за счет прилипания твердых минеральных частиц к пузырькам пены (оно обусловлено пониженной смачиваемостью - гидрофобностью - твердых минераль­ных зерен). Не каждый элементарный акт встречи ми­неральной частицы с воздушным пузырьком в процео се перемешивания пены сопровождается прилипанием ча: стицы. Специальная киносъемка показала, что прилипа­ние твердой частицы имеет место лишь после нескольким соприкосновений с пузырьком. Минерализованные пузы' рьки постепенно сближаются и образуют сплошную ячеисто-минерализованную пену, в которой каждая воз душная ячейка бронирована большим числом тверды;

Частиц. Такие пены называют агрегатными. Они полу­чаются, например, при флотации угля; содержание твер­дою вещества в них достигает 50% от массы пены. Ин­тенсивность прилипания твердых частиц к пузырькам пены обусловлена силами взаимодействия между поверх­ностью Твердой фазы и полярными группами ПАВ.

Большое влияние на бронирование оказывает размер твердых частиц, а также соотношение размеров зерна и га­зового пузырька. В публикациях последних лет, посвящен­ных устойчивости пенных систем, категорически утверж­дается, что «тонкие порошки твердых веществ дают проч­ные пленки пены» и что «крупные и мелкие твердые части­цы при совместном присутствии уменьшают прочность пен».

Степень минерализации пены зависит не только от размеров, но и от числа частиц, состояния их поверхно­сти, от смачиваемости жидкой фазой, способа введения частиц в пену и многого другого. Таким образом, одно­значно указать оптимальный размер частиц для раз­личных практических случаев минерализации пены про­сто невозможно. В одних случаях порошки и мелкие волокна разрушают пены, в других-такие трехфазные пены образуют жесткий каркас (агрегатная пена), спо­собный сохранять устойчивость длительное время. Одно можно сказать с уверенностью: предпочтительным для минерализации пены является большое различие в разме­рах воздушного пузырька и твердой частицы и неупругое их соударение при встрече, поскольку прилипание тем эф­фективнее, чем значительнее потеря кинетической энер­гии.

Механизм стабилизации трехфазных пен (газ-жид­кость - твердые частицы) объясняют в первую очередь су­жением каналов Плато. В результате уменьшения «сво­бодного диаметра» канала скорость истечения раствора замедляется; пробки из зерен, не прилипших к пузырь­кам, дополнительно закупоривают эти каналы.

Теоретические основы стабилизации пен и практичен ские пути ее достижения составляют сложный раздел со* временной физической химии. Поскольку при нынешнем уровне знаний еще нет достаточных данных для создана^ единой теории устойчивости пен, мы ограничились лишь изложением существующих взглядов и закончим раздев словами А. Шелудко: «...изучение устойчивости плене пены... является важной проблемой физической хик Дисперсных систем».. .<