Пена

ЖИЗНЬ ПЕНЫ

Мы уже говорили, что качество пены оценивают с по­мощью множества различных показателей. Главное при выборе того или иного критерия-это назначение пены. В пожарной технике главный параметр качества-изоли­рующая способность пены, при производстве строи­тельных материалов-теплопроводность и прочность за­твердевшей пены, в пищевой промышленности-пено - образующая способность растворов (вспениваемость) и дисперсность пены.

Но есть показатель, который важен независимо от то­го, для какой именно цели приготавливается пена, пока­затель, определяющий возможность использования пен в различных сферах деятельности человека. Это их Устойчивость. Ведь короткоживущие пены просто невоз­можно применять.

Устойчивость пен прямо связана со свойствами тон­ких слоев жидкости, они-то и определяют структуру пены. Основополагающая роль в исследовании таких тонких слоев принадлежит известному советскому учено­му Б. В. Дерягину. Вместе с академиком JI. Д. Ландау он разработал общую теорию устойчивости растворов и дисперсных систем. Как это часто бывает в науке, па - ~ " ■ .. °ксимо от них теоретической проработ­

Кой этой проблемы занимались и за рубежом - Фервей (Verwey) и Овербек (Overbeek). По начальным латинским буквам фамилий четырех ученых эта теория во всем мире сокращенно обозначается DLVO.

Устойчивость пены-это показатель, характеризую­щий продолжительность существования всего первона­чального объема пены. Чтобы количественно оценить устойчивость пены, определяют скорость ее разрушения. Для устойчивых пен-это время, за которое разрушается 20% первоначального объема, для неустойчивых-время, за которое пена разрушается полностью. Используют їдкже метод измерения «жизни» отдельного пузырька или пленки.

Пены разрушаются самопроизвольно или под влия­нием внешних факторов (температура, давление, механи­ческие воздействия). Как всякая дисперсная система, пена неустойчива. Возникнув, она не сохраняется в первона­чальном виде. Из пены вытекает жидкость, и пена из «мокрой» становится «сухой». Воздух из одних пузырь­ков перетекает в другие, изменяются размеры и форма пузырьков. Во всех пенах происходят три основных про­Цесса, приводящие постепенно к разрушению: перерас­пределение размеров пузырьков, уменьшение толщины пленки, разрыв пленки.

Эти процессы быстро разрушали бы пены, если бы не Стабилизирующие факторы. Этих факторов три: кинети­ческий, структурно-механический и термодинамический.

Кинетический фактор замедляет процесс утончения пленок, а следовательно, способствует повышению жиз­неспособности пен. Необходимо, правда, отметить, что кинетическое действие заметно проявляется только в малоустойчивых пенах. Кинетический фактор часто на­зывают эффектом самозалечивания, или эффектом Ма - рангот. Суть его в том, что утончение пленки вследствие истечения жидкости под действием сил гравитации или всасывания ее через границы Плато (подробнее об этом-в следующем разделе) происходит неравномерно. Отдельные участки пленки вокруг пенного пузырька ста­новятся очень тонкими и способны разрушаться. В таких локальных тонких участках поверхностное натяжение возрастает, так как расстояние между молекулами ПАВ в поверхностном слое увеличивается. Вследствие этого раствор с повышенной концентрацией ПАВ из зоны низ­кого поверхностного натяжения, т. е. из участков с утол­щенной пленкой, устремляется к истонченным зонам. Ис­тонченные участки пленки самопроизвольно «залечи­ваются». Время, за которое совершается такое перетека - ниє раствора, измеряется сотыми и даже тысячными долями секунды, поэтому вероятность разрыва пленки понижается, и устойчивость возрастает.

Подтверждением этому служат наблюдения Дюпре: твердые вещества (свинцовая дробь) и капли жидкости (ртуть) могут пройти через пленку пены, не оставив ды­ры и не вызвав разрыва. Однако после длительной сушки пленки (высыхание пены), когда количество жидкости в ней сильно уменьшилось и перетекание раствора ПАВ становится невозможным, каждый такой «снаряд» вызы­вает разрыв.

Скорость поверхностного переноса ПАВ зависит от значения поверхностного натяжения раствора поверх-, ностно-активного вещества и разности концентраций в тонком и утолщенном участках пленки.

В очень тонких пленках (состоящих из двух адсорб­ционных слоев) эффект «залечивания» проявляется слабо, что, конечно же, понижает стабильность пен.

Структурно-механический фактор стабилизации пен связан со специфическим упрочнением тонких пленок за счет гидратации адсорбционных слоев, а также за счет повышения вязкости межпленочной жидкости.

Взаимодействие полярных групп молекул ПАВ с во­дой (гидратация) ограничивает истечение межпленочной жидкости из среднего слоя «сэндвича» пленки под дей-1 ствием сил тяжести и капиллярных сил. В самом адсорб­ционном слое гидратированные молекулы ПАВ сце­пляются между собой, в результате повышается про­чность на растяжение и адсорбционных слоев, и пленки в целом.

Для повышения вязкости межпленочной жидкости к ПАВ добавляют определенные продукты: например, в присутствии тысячных долей процента жирного спирта] вязкость растворов ПАВ увеличивается в десятки раз>]

Термодинамический фактор, или, что то же самое,-, Расклинивающее давление проявляется в тонких пленках,'^
когда возникает избыточное давление, препятствующее их утончению под действием внешних сил. Появление расклинивающего давления при истечении из пленок жидкости Б. В. Дерягин и Л. Д. Ландау объясняют сле - іующим образом. На коллоидных частицах поверхност­но-активных веществ всегда присутствуют жидкие обо - ючки повышенной вязкости и упругости. Эти оболочки создают механический барьер, препятствующий сближе­нию и слипанию частиц при утончении пленок за счет ис­течения жидкости. Кроме того, в водном растворе элек - іролита между поверхностями одноименно заряженных частиц действуют силы отталкивания. Оба эти явления и обусловливают расклинивающее давление в штенке.

Один из примеров проявления расклинивающего дав­ления - отталкивание двойных электрических слоев, обра­зованных молекулами пенообразователя в пленке мыль­ного пузырька. Такое отталкивание было зафиксировано в опытах Б. В. Дерягина и А. С. Титиевской при сжатии двухсторонних пленок", два пузырька с помощью сте­клянных рамок приводились в соприкосновение. Об изме­нении толщины стенок пузырьков судили по цветовой ин­терференции пленки. Стабильность цвета указывает на неизменность толщины образовавшейся пленки и нали­чие расклинивающего эффекта.

Расклинивающее давление П легко рассчитать по уравнению

П = Р2-Р,

Где Р и Pj-давление на пленку со стороны фаз, между которыми она находится, и давление внутри пленки, соответственно.

Если Р2 больше Pj, пленка утончается; если Р, мень­ше Рр пленка утолщается, при Р2 равном P, пеносистема устойчива длительное время.

Расклинивающее давление зависит от толщины слоя, вида ПАВ и его концентрации, общего давления в систе-

5 111
ме, диаметра пузырьков в пене. При положительном рас­клинивающем давлении время жизни пленки существенно возрастает и при соответствующих условиях может стать неограниченно большим.

Нестабилизированные двухсторонние пленки непрерывно утончаются. Об этом свидетельствует изме­нение окраски. Сначала пленка толстая, и отчетливо вид­но, как из нее вытекает жидкость. Особенно это заметно при горизонтальном положении самой пленки. В центре постепенно собирается капля жидкости, которая своей тя­жестью может разрушить эту пленку. Находясь в верти­кальном положении, пленка постепенно утончается, ста­новится окрашенной, а затем окраска исчезает. Это значит, что ее толщина стала меньше длины волны види­мого света.

Процесс изменения цвета пленки идет с угасающей скоростью-сначала быстро, а затем все медленнее. Ког­да толщина пленки становится меньше 10 нм, она тем­неет, и окраска почти исчезает. Получается черная плен­ка, которая может существовать значительное время при благоприятных внешних условиях (отсутствует испарение и механические сотрясения, исключено попадание пыли и тепловых потоков).

Напомним читателю, что продолжительность жизни :иы - іависит от множества факторов-вида и концентра­ции ПАВ. кратности пены, ее температуры, дисперсно­сти, наличия стабилизаторов и т. д.

Как правило, устойчивость пен из растворов анио - ноактивных ПАВ выше, чем пен из катионоактивных и неионогенных растворов. При увеличении концентра­ции пенообразователей стабильность пен повышается. Влияние температуры на устойчивость пен неоднозначно и для разных ПАВ и разных условий существования пены проявляется неодинаково. Одно неоспоримо: введение стабилизаторов в растворы пенообразователей всегда по­вышает устойчивость пен.

Стабильность пены зависит также и от ее дисперсно - Сги. Приближенным показателем дисперсности может служить средний диаметр газовых пузырьков в пене. В зависимости от назначения в промышленности полу­чают пены со средним диаметром пузырьков от 0,03 мм до 1,5-2 см.

Как правило, чем выше дисперсность пены, т. е. чем меньше размер пузырьков, тем выше ее устойчивость.

Важно отметить, что размеры воздушного пузырька уже на стадии его зарождения оказывают существенное влияние на процесс образования пены и ее устойчивость. Своеобразную картину формирования воздушного пу­зырька выявил с помощью скоростной киносъемки совет­ский исследователь Я. Е. Гегузин. На дне стеклянного сосуда, заполненного водой, создавали воздушные пу­зырьки разных размеров при помощи воздухоподводя - щих стеклянных капилляров диаметром 10, 3 и 1 мм. Независимо от размера капилляра от конца трубки отры­вается и начинает движение в воде пузырек сферической формы. Сфера большого диаметра (10 мм) быстро де­формируется: нижняя поверхность пузырька устремляет­ся к верхней и слипается с ней; такой пузырек продол­жает стремительно двигаться вверх, приобретая форму конуса. В процессе всплывания вершина этого конуса прорывается и воздушная полость приобретает форму бублика.

Пузырек, оторвавшийся от трехмиллиметровой труб­ки, на всем пути всплывания сохраняет форму конуса, не превращаясь в бублик; от тонкого (1 мм) капилляра от­рывается сферический пузырек, при подъеме не изменяю­щий своей формы. У бублика и конуса поверхность боль­ше, чем у сферы, что энергетически невыгодно; следова­тельно, устойчивость пузырьков такой формы понижена

В ходе исследований обнаружено также, что, всплы­вая, пузырьки совершают колебательные движения. Ам­плитуда этих колебаний тем больше, чем крупнее

Так происходит формирование и де­формация воздушного пузырька.

Пузырек. У самого крупного амплитуда оказалась на­столько большой, что при первом же колебании пузырь прорвался.

Кинокадры позволили объяснить это явление. Вода снизу устремляется в объем оторвавшегося пузыря. В этом месте давление воды максимально. В результате между верхней и нижней по­верхностями пузыря по­является разность давлений, и его форма искажается. Чем больше диаметр пузы­ря, тем эта разность давле­ний больше, тем сильнее де­формации. Деформирован­ный пузырек стремится уменьшить собственную по­верхность и восстановить сферическую форму, что и приводит к возникновению колебаний.

Таким образом, чем больше диаметр пузырька, тем сильнее его форма отли­чается от сферической, тем выше амплитуда колебаний и больше скорость всплыва-

„пя Вес зги факторы «работают в одну сторону» - енн - Д.1ЮІ «жизнеспособность» единичного пузырька, ухудшая 1см самым условия пенообразования.

Кинокамера дала возможность проследить весь путь цшжения пузырька в жидкости. Крупный пузырь взду - „,1С гея над поверхностью воды, и образуется большое по - 1с(})ерическое покрытие из тонкой водяной пленки-не - хсюйчивой и быстро разрушающейся. Пузырь меньшего размера оказывается более жизнеспособным: его форма меняется в сторону равновесной. Пока жидкость стекает с верхней части пузыря к подножию, он живет. Малень­кие пузырьки, прикасаясь к границе раздела жидкость - воздух, лишь немного деформируют поверхность и, по­чти полностью находясь в воде, сохраняются долго.

УстойЧивость пены зависит также от кислотности Среды и присутствИя солей в растворах пенообразовате­Ли. В жесткой воде кратность и устойчивость пены не­высока, в морской воде она совсем низкая.' Для повыше­Ния пенообразования в таких водах приходится или увеличивать концентрацию ПАВ (особенно хорошо это видно на примере мыла: белесые хлопья, образуемые мылом в жесткой воде,-это результат «борьбы» мыла L солями жесткости), или вводить в воду умягчители. В качестве таковых используют соду, растворимые соли фосфорной кислоты, растворимое стекло, некоторые ор - мнические соединения.

Совместными усилиями химиков, технологов и меха­ников созданы новые ПАВ и стабилизаторы, а также раз­работана технология пенообразования, позволяющая по­лучать высокократные пены, «время жизни» которых измеряется многими сутками. Для специальных целей производят пены, которые живут без заметного разруше­ния 4-5 месяцев. А если использовать в качестве стабили­заторов полимерные смолы, можно создать пены, срок жизни которых составляет годы.