Пена

ЧТО ТАКОЕ ПЕНА?

Начнем с определения. Пена-это одна из разновидно­стей дисперсий. Латинское слово Dispersus означает рас­сеянный, разбросанный; диспергированием в технике на­зывают процесс измельчения, дробления твердых, жид­ких или газообразных веществ. Мы не оговорились. Дробить, а точнее, рассеивать можно не только твердые и жидкие вещества, но и газообразные. Для этого газ, на­пример воздух, нужно равномерно распределить в виде мелких пузырьков в жидкой или твердой среде (матрице).

В зависимости от того, какое вещество (в каком агре­гатном состоянии) служит матрицей, а какое-дисперги­руется, дисперсии будут называться по-разному. Диспер­сию жидкости в жидкости называют эмульсией, твердого вещества в жидкости-суспензией. Дисперсию газа в жид­кости называют пеной, газа в твердом веществЕ твердой пеной. Сам газ (воздух) тоже может быть матрицей. Дис­персия в нем жидкости называется туманом, а твердого вещества - пылью.

В дальнейшем мы и будем называть пеной систему, состоящую из газа (воздуха) и жидкости, разделяющей воздушные ячейки. Но не всякая система газ-жидкость может быть отнесена к пенам. Если газа в жидкости мало, то пузырьки находятся далеко друг от друга, они

Имеют форму шара и свободно перемещаются в жидко­сти; это еще не пена. При большом содержании газа (свыше 80-90% по объему) пузырьки плотно прилегают друг к другу, деформируются и образуют подобную со­там структуру. Такая пена изображена на обложке.

Занимательные и поучительные опыты с мыльными пузырями были придуманы замечательным бельгийским ученым Ж. Плато; множество любопытнейших явлений, наблюдаемых при пускании мыльных пузырей, объяснил известный английский ученый и популяризатор науки Ч. Бойс.

Чарльз Бойс связывал образование мыльного пузырь­ка с возникновением на его поверхности «растянутой упругой перепонки». Такая перепонка не может быть со­здана из чистой воды, так как вода абсолютно не упруга

Зарождение в жидкости воздушного пузырька всегда приводит к увеличению ее поверхности. При этом в по­верхностном слое разыгрываются сложные физические явления, объяснением которых занимались многие видные физикохимики.

Молекулы, находящиеся в поверхностном слое чистой воды, обладают особыми свойствами по сравнению с молекулами в объеме жидкости, поскольку силы меж­молекулярного взаимодействия нескомпенсированы и у молекул этого слоя оказывается избыточный запас по­тенциальной энергии. Поэтому образование пены в чистой воде невозможно, так как это привело бы к резкому возрастанию избыточной потенциальной энергии.

В природе любая система стремится уменьшить запас потенциальной энергии, а любой самопроизвольно про­текающий процесс направлен на снижение этого запаса. В результате газовый пузырек, зародившийся в воде, бу­дет всплывать и разрушаться. Всплывать-вследствие ре­зкого различия плотностей газовой и жидкой фаз, а раз­рушаться-под действием избыточной потенциальной энергии.

Простейший способ продлить жизнь пузырька-ис­пользовать более вязкую, менее текучую жидкость. И верно, пленка вязкой жидкости существует уже замет­ное время. Кстати, именно поэтому в мыльную воду до­бавляют глицерин-он увеличивает вязкость раствора. Из такого раствора пузырьки не могут всплыть и остаются в объеме жидкости.

Но тут возникает противоречие: ведь чем больше вяз­кость жидкости, тем более устойчивые пленки она обра­зует, но из вязкой жидкости труднее эту пленку получить. Замечательно решают эту проблему стеклодувы. Они сначала размягчают стекло, нагревая его до высокой температуры, выдувают из него пузыри (вспомните фор­му обычной колбы или лампы-это просто пузырь!), а затем дают этим пузырям охладиться. При этом вяз­кость стекла резко (в сотни миллионов раз!) повышается и пузырь стабилизируется. Это один путь. А есть и дру­гой, основанный на способности некоторых веществ из­бирательно адсорбироваться на границе раздела фаз. Эти вещества (их называют поверхностно-активными) исполь­зуют как пенообразователи при приготовлении устой­чивых пен. Пузырьки в такой пене разделены упругими п Іенками.

Когда мы растягиваем упругую пленку, то затрачи­ваем работу на изменение формы молекул и расстояний между ними. Потенциальная энергия поверхностного слоя при этом возрастает не столь значительно, и воз­душные пузырьки в таких жидкостях могут существовать длительное время.

Единичный пузырек воздуха в жидкости имеет почти шарообразную форму, которую он сохраняет даже буду­чи изолированным после выхода из пенообразующего раствора.

Рассмотрим на примере одного элементарного пузырька, как образуется пена. Представим себе, что пузырек воздуха попал в раствор, содержащий пенообра-

Так формируется газовый пузырек.

Зователь. На границе пузырька с жидкостью сразу начнут скапливаться молекулы пенообразователя, так что вскоре пузырек оденется своеобразной «шубой» этого вещества, состоящей из одного слоя молекул пенообразователя. Всплывая, пузырек достигает поверхности жидкости, да­вит на нее и растягивает. Молекулы пенообразователя из раствора устремляются к растущей поверхности, предот­вращая разрыв пленки жидкости. Таким образом, при выходе из воды пузырек оказывается окруженным обо­лочкой уже из двух монослоев пенообразователя, между которыми находится пленка жидкости. Когда в раствор вовлекается много воздуха, образующиеся пузырьки, всплывая, создают на поверхности жидкости пенный слой, толщина которого увеличивается в процессе пере­мешивания жидкости и газа. В конечном счете вся жид­кая фаза превращается в пену.

Напомним: когда пленки между пузырьками (перего­родки) еще достаточно толсты (содержат много жидко­сти), пузырьки сохраняют сферическую форму. По мере того как жидкость насыщается воздушными пузырьками, толщина перегородок уменьшается и форма пузырьков начинает постепенно изменяться из сферической в много­гранную. В зависимости от формы газовых пузырьков Манегольд предложил разделять пены на два класса: Сферические и многогранные.

Сферические пены отличаются высоким содержанием жидкости и в силу этого-малой устойчивостью. Поэто­му их относят к метастабильным (условно стабильным). В нестабильных пенах наблюдается так называемый эф­фект Плато: жидкая фаза из перегородок удаляется, исте­кая под действием силы тяжести, и происходит быстрая Коа гесценция (от латинского Coalesce-срастаюсь, соеди­няюсь)- слияние соприкасающихся газовых пузырьков.

Сущность явления коалесценции можно пояснить, ис­пользуя простейшие понятия о взаимосвязи между по­верхностью, поверхностной энергией и объемом.

Кубик любого твердого вещества с размерами 1 х 1 х 1 см имеет поверхность 6 см2. Путем дробления этот кубик можно превратить в мельчайшую пыль. Сум­марный объем частиц будет по-прежнему 1 смЗ, но сум­марная поверхность частиц может составлять уже ква­дратные метры. Даже десятки и сотни квадратных метров! Очевидно, что поверхностная энергия при этом тоже увеличится (заметим, за счет совершенной работы дробления). Но общая тенденция всех процессов состоит в стремлении уменьшить запас свободной энергии. Мель­чайшие частицы слипаются, мельчайшие капли и воз­душные пузырьки стремятся слиться в более крупные. Чем крупнее капля или пузырек, тем меньше соотноше­ние поверхность: объем и тем меньше запас свободной

Поверхностной энергии. Слияние нескольких пузырьков в один, более крупный, и называется коалесценщей. Крупный воздушный пузырь стремительно всплывает и лопается-пена разрушается.

Многогранные пены отличаются малым содержанием жидкой фазы и характеризуются высокой стабильностью. В таких пенах отдельные пузырьки сближены и разде­лены тонкими «растянутыми упругими перепонками». Эти пленки в силу упругости и ряда других факторов препятствуют коалесценции газовых пузырьков. По мере утончения разделительных пленок пузырьки все плотнее сближаются, прилегают друг к другу и приобретают чет­кую форму многогранников. Каждый пузырек в такой пене (если все пузырьки имеют одинаковый размер) обладает формой правильного пентагонального додекаэ­дра, т. е. двенадцатигранника, любая сторона которого представляет собой правильный пятиугольник. Эти многогранные пузырьки разделены тончайшими пленка­ми жидкости, которые без внешнего импульса-механиче­ского воздействия или повышения температуры-могут сохраняться в течение длительного времени и противо­стоять излишнему истечению жидкой фазы.

Из сказанного очевидно, что пеной является не всякая дисперсная система типа газ-жидкость, а только ячеи - сто-пленочтя, т. е. такая, в которой отдельные пузырьки связаны друг с другом разделяющими их пленками в об­щий каркас. В пене газовый пузырек не может свободно перемещаться ни в вертикальной, ни в горизонтальной плоскости. Он как бы «зажат» другими, прилегающими к нему пузырьками. Такая плотная упаковка достигается лишь при определенном соотношении объемов жидкой и газовой фаз. Это - соотношение может быть найдено, ес­ли применить к пенам теорию упаковки шарообразных тел (в нашем случае-это газовые пузырьки). Для того чтобы образовалась сферическая пена, объем раствора пенообразователя нужно увеличить, насыщая его возду­хом, в 3,8 раза по сравнению с первоначальным. Если воздуха в растворе содержится меньше, то такую систему уже нельзя отнести к пенам. При большем насыщении пены воздухом пузырьки теряют сферическую форму и превращаются в многогранники, а разделяющие их пленки приобретают одинаковую толщину во всем объе­ме пены. Получается пространственная конструкция, в разрезе похожая на не раз виденные нами пчелиные со­ты. При получении пены такая конструкция возникает самопроизвольно; в ней на каждом ребре многогранника сходятся три тонкие пленки, образуя угол в 120°. Эта пе­на характеризуется минимальной поверхностной энер­гией, а следовательно, она наиболее устойчива. В такой системе броуновское движение ограничено, она приобре­тает некоторые свойства твердого тела (например, пена обладает определенной упругостью) и в то же время со­храняет ряд свойств, присущих компонентам пены: сжи­мается, как газ, а раствор в пленках имеет свойства обы­чной жидкости.

Форму, подобную пятиугольным додекаэдрам, пузырьки пены приобретают, если их объемы (размеры) одинаковы. В большинстве пен отдельные пузырьки

2 111

Имеют разный объем, и, следовательно, их форма не бу­дет идеальной, наиболее устойчивой. Такая пена быстрее разрушается.

Получение пены с заданным комплексом свойств - чрезвычайно важная прикладная проблема. Для оценки свойств пены, а значит, и ее пригодности для тех или иных целей существует множество общих и специальных характеристик. Основные показатели-кратность пены, ее дисперсность и устойчивость во времени. Во многих случаях важны ее структурно-механические свойства, а также теплопроводность, электропроводность, способ­ность длительное время удерживать в массе твердые ча-. стицы, устойчивость при изменении температуры, облу­чении и даже оптические свойства пеномассы.

Чаще других пользуются характеристикой «кратность пены», например, при оценке синтетических моющих средств, хотя однозначной связи между пенообразующей способностью и моющим действием порошков и жидко­стей не обнаружено.

Кратность пены В-это отношение объема пены УП к объему раствора Уж; таким образом, эта характеристика показывает, сколько объемов пены можно получить из одного объема жидкости. Пена состоит из газа и жидко­сти:

V = V + V Гп Гг т г*

Следовательно, кратность равна

?,= VJVx = {Vr+Vx)IVx

В строительстве и промышленности стройматериалов используют пены с кратностью 5-10, в прачечных-с кратностью 10-20; кратность пен для пожаротушения должна составлять 70-90. Известны пены с еще большей кратностью.

Стандарт (ГОСТ) жестко диктует условия, при ко­торых следует определять кратность пены. В градуиро­ванный цилиндр на 1000 мл налить 98 мл воды и 2 мл пенообразователя. Закрыть пробкой. Встряхивать 30 с (двумя руками держать с торцов в горизонтальном поло­жении и встряхивать вдоль оси цилиндра). Поставить на стол, вынуть пробку, измерить объем пены. Отношение объема пены к объему раствора (100 мл) и есть искомая величина.

Дисперсность пены характеризует средний размер воз­душных пузырьков; чем меньше пузырьки, тем более дисперсна пена, при большом размере ячеек пену назы­вают грубодисперсной. От дисперсности пены зависит скорость многих технологических процессов в микробио­
логической и химической промышленности, эффектив­ность тушения пожаров, качество вспененной пласт­массы, вкус мороженого и многих сортов конфет. Поэтому определение дисперсности является обяза­тельным почти для всех производств, использующих пе­ну. Для этих определений нужно измерить размер 300-600 воздушных пузырьков в пене, а затем с по­мощью формул математической статистики рассчитать средний размер и статистическое распределение пузырь­ков по размерам. Еще недавно для таких измерений пену фотографировали под микроскопом при определенном увеличении (метод микрофотографирования), а затем на фотографии с помощью линейки определяли размеры пя - ти-шести сотен пор; полученные данные обсчитывали на арифмометрах. Сейчас для этого используют автомати­зированные установки, позволяющие определить раз­меры пузырьков и их относительное число в реальной пене. Пену замораживают жидким азотом, поэтому мож­но определять дисперсность даже нестойких пен. Измере­ния проводят с помощью лазерного луча или других ска­нирующих систем (так работают наши телевизоры). Математическую обработку результатов измерений и вы­дачу окончательных данных о дисперсности пены в виде графиков или таблиц выполняют быстродействующие электронно-вычислительные машины.

Иногда дисперсность оценивают удельной поверх­ностью пены - площадью поверхности пузырьков в 1 см3 или в 1 г пеномассы; между дисперсностью и удельной поверхностью существует четкая математическая зависи­мость. Определять удельную поверхность пены сравни­тельно легко по ослаблению пучка света (метод ослабле­ния светового потока), рентгеновского потока или ■у-излучения (радиографический метод), измерением ме­ханических свойств пены (прибор Б. В. Дерягина).

Площадь поверхности раздела жидкость-газ в пене очень велика (2000-4000 см2/г для водных пен). Это свой-

2Q сі во широко используется в технике, например при фло - гации. При обогащении руды стремятся создать такие ус­ловия, чтобы порошок руды собирался на поверхности водного раствора, а пустая порода опускалась в жидко­сти на дно флотационной машины. Если площадь по­верхности раздела жидкость-газ мала, то даже из боль­шого количества жидкости можно выделить лишь незна­чительное количество руды, но если этот же объем рас - гвора распределен в пленках пены, то из него можно из­влечь руды уже в тысячи раз больше.

Устойчивость, или стабильность, пены характеризует время ее существования до полного или частичного раз­рушения. Наблюдают за разрушением столба пены или измеряют время «жизни» отдельных пузырьков. Как пра­вило, определяют время разрушения половины объема пены. Об устойчивости пены мы будем говорить еше не раз.

Для многих отраслей техники важны структурно-ме­ханические свойства пены. Главные из них-предельное напряжение сдвига и вязкость.

Предельное напряжение сдвига пены часто выражают через жесткость. Она характеризует способность пены во­спринимать определенные механические нагрузки, напри­мер давление вышележащего столба пены, без деформа­ций. т. е. без изменения объема или формы. Удивительно, что пены обладают некоторой жесткостью, даже если их пленки жидкие. Это объясняется тем, что состояние рав­новесия соответствует минимальной поверхностной энер­гии, а любая деформация увеличивает эту энергию, т. е. требует внешней работы. Жесткость пен особенно ра­зительна, если принять во внимание их низкую плот­ность; водная пена с пузырьками диаметром 1 см и с пленками толщиной 10~3 см имеет плотность около 0,003 г/смЗ.

Сочетание низкой плотности и значительной жестко­сти используется, например, в пенах для огнетушения.

По усилию, необходимому дл« >ытя - пгашша шарика п пены, определяют

Ее BB3KOCTV.

Тонкий слой жесткой пены препятствует контакту ме­жду воздухом и воспламе­няющимся веществом точно так же, как и любое покры­вало, с той только разницей, что пена в сотни раз легче. К тому же основной компо­нент такого «покрывала»- вода-всегда доступен и де­шев.

Вязкость пены -это ре­ологическая характеристика {реология-наука о течении), Знание которой позволяет определить условия перека­чивания пены по трубам, растекаемость пенной массы по поверхности (например, при тушении пожара), способность к свободному истече­нию из отверстий.

Устройство простейшего прибора, предназначенного для определения вязкости пен методом извлечения шара, ясно из рисунка. Тарированная пружина с прикрепленной к ней стрелкой позволяет определить усилие, затрачивае­мое на извлечение шара из пены с помощью нити, пере­брошенной через блок к тихоходному (10 об/мин) элек­тромоторчику. Пользуются и другими методами; для них, как правило, нужны более сложные, но вместе с тем и более точные приборы.

Все основные свойства пены зависят в первую очередь от того, с помощью каких именно веществ ее получают] т. е. от вида и дозировки пенообразователя.