Мыло - Foam

Пена - это объект, образованный путем захвата газовых карманов в жидкости или твердом теле .

Губка и голова на стакане пива являются примерами пен. В большинстве пен объем газа велик, с тонкими пленками жидкости или твердого вещества, разделяющими области газа. Мыльная пена также известна как пена .

Твердые пены могут быть с закрытыми или открытыми ячейками . В пенопласте с закрытыми порами газ образует дискретные карманы, каждый из которых полностью окружен твердым материалом. В пене с открытыми порами газовые карманы соединяются друг с другом. Губка для ванны - пример пены с открытыми порами: вода легко проходит через всю конструкцию, вытесняя воздух. Кемпинга мат является примером пены с закрытыми порами: газовые карманы уплотнены друг от друга , так что мат не может впитать воду.

Пены являются примерами дисперсных сред . Как правило, газ присутствует, поэтому он разделяется на пузырьки газа разного размера (т.е. материал полидисперсен ), разделенных жидкими областями, которые могут образовывать пленки, все тоньше и тоньше, когда жидкая фаза стекает из пленок системы . Когда основной масштаб невелик, то есть для очень мелкой пены, эту дисперсную среду можно рассматривать как тип коллоида .

Пена также может относиться к чему-то, что аналогично пене, например, квантовой пене , полиуретановой пене ( поролон ), пене XPS , полистиролу , фенолу или многим другим промышленным пенам.

Состав

Пена во многих случаях представляет собой многомасштабную систему.

Одна шкалы пузырь: материал пена , как правило , неупорядоченная и имеет различные размеры пузырьков. При больших размерах изучение идеализированных пен тесно связано с математическими проблемами минимальных поверхностей и трехмерной мозаики , также называемой сотами . Структура Вера-Фелана считается наилучшей (оптимальной) элементарной ячейкой идеально упорядоченной пены, в то время как законы Плато описывают, как мыльные пленки образуют структуры в пенах.

В масштабе меньшем, чем у пузыря, толщина пленки для метастабильных пен, которую можно рассматривать как сеть взаимосвязанных пленок, называемых ламелями . В идеале ламели соединяются триадами и расходятся на 120 ° наружу от точек соединения, известных как границы плато .

Еще меньший масштаб - это граница раздела жидкость – воздух на поверхности пленки. В большинстве случаев эта граница раздела стабилизируется слоем амфифильной структуры, часто состоящей из поверхностно-активных веществ , частиц ( эмульсия Пикеринга ) или более сложных ассоциаций.

Механические свойства твердых пен

Твердые пены, как с открытыми, так и с закрытыми ячейками, считаются подклассом ячеистых структур. Они часто имеют более низкую узловую связь по сравнению с другими ячеистыми структурами, такими как соты и ферменные решетки, и, таким образом, в их механизме разрушения преобладает изгиб элементов. Низкая узловая связь и возникающий в результате механизм разрушения в конечном итоге приводят к их более низкой механической прочности и жесткости по сравнению с сотами и решетками ферм.

Формирование

Для получения пены необходимо несколько условий: должна быть механическая работа, поверхностно-активные компоненты (поверхностно-активные вещества), снижающие поверхностное натяжение , и образование пены быстрее, чем ее разрушение. Для создания пены требуется работа (W) для увеличения площади поверхности (ΔA):

${\ Displaystyle W = \ гамма \ Delta A \, \!}$

где γ - поверхностное натяжение.

Один из способов образования пены - это диспергирование, при котором большое количество газа смешивается с жидкостью. Более конкретный метод диспергирования включает нагнетание газа через отверстие в твердом теле в жидкость. Если этот процесс завершается очень медленно, то из отверстия может выходить по одному пузырю, как показано на рисунке ниже.

Одна из теорий определения времени разделения показана ниже; однако, хотя эта теория дает теоретические данные, которые согласуются с экспериментальными данными, отслоение из-за капиллярности считается лучшим объяснением.

Под действием силы плавучести пузырек поднимается.

${\ Displaystyle F_ {b} = Vg (\ rho _ {2} - \ rho _ {1}) \!}$

где - объем пузыря, - ускорение свободного падения, а ρ ₁ - плотность газа, ρ ₂ - плотность жидкости. Сила, действующая против силы плавучести, - это сила поверхностного натяжения , которая равна ${\ displaystyle V}$${\ displaystyle g}$

${\ Displaystyle F_ {s} = 2r \ pi \ gamma \!}$,

где γ - поверхностное натяжение, а - радиус отверстия. Чем больше воздуха вдавливается в пузырек, тем быстрее растет сила плавучести, чем сила поверхностного натяжения. Таким образом, отрыв происходит, когда сила плавучести достаточно велика, чтобы преодолеть силу поверхностного натяжения. ${\ displaystyle r}$

${\ Displaystyle Vg (\ rho _ {2} - \ rho _ {1})> 2r \ pi \ gamma \!}$

Кроме того, если пузырек рассматривать как сферу с радиусом и подставлять объем в приведенное выше уравнение, разделение происходит в момент, когда ${\ displaystyle R}$${\ displaystyle V}$

${\ displaystyle R ^ {3} = {\ frac {3r \ gamma} {2g (\ rho _ {2} - \ rho _ {1})}} \!}$

Рассматривая это явление с точки зрения капиллярности пузыря, который образуется очень медленно, можно предположить, что давление внутри постоянно везде. Гидростатическое давление в жидкости обозначается значком . Изменение давления на границе раздела от газа к жидкости равно капиллярному давлению; следовательно, ${\ displaystyle p}$${\ displaystyle p_ {0}}$

${\ displaystyle p-p_ {0} = \ gamma \ left ({\ frac {1} {R_ {1}}} + {\ frac {1} {R_ {2}}} \ right) \!}$

где R ₁ и R ₂ - радиусы кривизны, положительные. На ножке пузыря R ₃ и R ₄ представляют собой радиусы кривизны, которые также считаются положительными. Здесь гидростатическое давление в жидкости должно учитывать z - расстояние от вершины до стержня пузыря. Новое гидростатическое давление на ножке пузыря равно p ₀ ( ρ ₁  -  ρ ₂ ) z . Гидростатическое давление уравновешивает капиллярное давление, которое показано ниже:

${\ displaystyle p-p_ {0} - (\ rho _ {2} - \ rho _ {1}) gz = \ gamma \ left ({\ frac {1} {R_ {3}}} + {\ frac { 1} {R_ {4}}} \ right) \!}$

Наконец, разница в верхнем и нижнем давлениях равна изменению гидростатического давления:

${\ displaystyle (\ rho _ {2} - \ rho _ {1}) gz = \ gamma \ left ({\ frac {1} {R_ {1}}} + {\ frac {1} {R_ {2}) }} - {\ frac {1} {R_ {3}}} - {\ frac {1} {R_ {4}}} \ right) \!}$

У ножки пузыря форма пузыря почти цилиндрическая; следовательно, либо R _3, либо R ₄ большой, тогда как другой радиус кривизны мал. По мере увеличения длины ножки пузыря он становится более нестабильным, так как один из радиусов увеличивается, а другой сжимается. В определенный момент длина стержня по вертикали превышает его окружность, и из-за сил плавучести пузырек отделяется, и процесс повторяется.

Стабильность

Стабилизация

Стабилизация пены вызывается силами Ван-дер-Ваальса между молекулами пены, двойными электрическими слоями, создаваемыми диполярными поверхностно-активными веществами, и эффектом Марангони , который действует как восстанавливающая сила ламелей.

Эффект Марангони зависит от того, является ли пенящаяся жидкость нечистой. Обычно поверхностно-активные вещества в растворе снижают поверхностное натяжение. Поверхностно-активные вещества также слипаются на поверхности и образуют слой, как показано ниже.

Чтобы возник эффект Марангони, пена должна иметь отступ, как показано на первом рисунке. Эта выемка увеличивает локальную площадь поверхности. Поверхностно-активные вещества имеют большее время диффузии, чем основная масса раствора, поэтому поверхностно-активные вещества меньше концентрируются в углублении.

Кроме того, растяжение поверхности увеличивает поверхностное натяжение места с выемкой, чем окружающей области. Следовательно, поскольку время диффузии поверхностно-активных веществ велико, эффект Марангони успевает проявиться. Разница в поверхностном натяжении создает градиент, который вызывает поток жидкости из областей с более низким поверхностным натяжением в области с более высоким поверхностным натяжением. На втором снимке пленка находится в состоянии равновесия после того, как эффект Марангони произошел.

Дестабилизация

Витольд Рыбчинский и Жак Адамар разработали уравнение для расчета скорости пузырьков, поднимающихся в пене, в предположении, что пузырьки имеют сферическую форму с радиусом . ${\ displaystyle r}$

${\ displaystyle u = {\ frac {2gr ^ {2}} {9 \ eta _ {2}}} (\ rho _ {2} - \ rho _ {1}) \ left ({\ frac {3 \ eta _ {1} +3 \ eta _ {2}} {3 \ eta _ {1} +2 \ eta _ {2}}} \ right) \!}$

со скоростью в сантиметрах в секунду. ρ ₁ и ρ ₂ - это плотность газа и жидкости, соответственно, в единицах г / см ^3, а ῃ ₁ и ῃ ₂ - вязкость газа и жидкости, г / см · с, а g - ускорение в единицах см / с. с ² .

Однако, поскольку плотность и вязкость жидкости намного больше, чем у газа, плотностью и вязкостью газа можно пренебречь, что дает новое уравнение для скорости подъема пузырьков как:

${\ displaystyle u = {\ frac {gr ^ {2}} {3 \ eta _ {2}}} (\ rho _ {2}) \!}$

Однако в ходе экспериментов было показано, что более точной моделью всплытия пузырьков является:

${\ displaystyle u = {\ frac {2gr ^ {2}} {9 \ eta _ {2}}} (\ rho _ {2} - \ rho _ {1}) \!}$

Отклонения вызваны эффектом Марангони и капиллярным давлением, которые влияют на предположение, что пузырьки имеют сферическую форму. Для давления Лапласа изогнутой границы раздела газ-жидкость два основных радиуса кривизны в точке равны R ₁ и R ₂ . При изогнутой границе раздела давление в одной фазе больше, чем давление в другой фазе. Капиллярное давление P _c определяется уравнением:

${\ displaystyle P_ {c} = \ gamma \ left ({\ frac {1} {R_ {1}}} + {\ frac {1} {R_ {2}}} \ right) \!}$,

где - поверхностное натяжение. Пузырь, показанный ниже, представляет собой газ (фаза 1) в жидкости (фаза 2), и точка A обозначает верхнюю часть пузырька, а точка B обозначает дно пузырька. ${\ displaystyle \ gamma}$

В верхней части пузыря в точке A предполагается, что давление в жидкости равно p _0, как и в газе. На дне пузыря в точке B гидростатическое давление равно:

${\ displaystyle P_ {B}, 1 = p_ {0} + g \ rho _ {1} z \!}$

${\ displaystyle P_ {B}, 2 = p_ {0} + g \ rho _ {2} z \!}$

где ρ ₁ и ρ ₂ - плотность газа и жидкости соответственно. Разница гидростатического давления в верхней части пузырька равна 0, в то время как разница гидростатического давления в нижней части пузырька через границу раздела составляет gz ( ρ ₂  -  ρ ₁ ). Предполагая, что радиусы кривизны в точке A равны и обозначаются R _A, а радиусы кривизны в точке B равны и обозначаются R _B , тогда разница в капиллярном давлении между точкой A и точкой B составляет:

${\ displaystyle P_ {c} = 2 \ gamma \ left ({\ frac {1} {R_ {A}}} - {\ frac {1} {R_ {B}}} \ right) \!}$

В состоянии равновесия разница в капиллярном давлении должна уравновешиваться разницей гидростатического давления. Следовательно,

${\ displaystyle gz (\ rho _ {2} - \ rho _ {1}) = 2 \ gamma \ left ({\ frac {1} {R_ {A}}} - {\ frac {1} {R_ {B) }}}\Правильно)\!}$

Поскольку плотность газа меньше плотности жидкости, левая часть уравнения всегда положительна. Таким образом, обратный R _A должно быть больше , чем R _B . Это означает, что от вершины пузыря к основанию пузыря радиус кривизны увеличивается. Следовательно, без учета силы тяжести пузыри не могут быть сферическими. Кроме того, по мере увеличения z это вызывает разницу в R _A и R _B , а это означает, что пузырек больше отклоняется от своей формы, чем больше он растет.

Дестабилизация пены происходит по нескольким причинам. Во-первых, гравитация вызывает стекание жидкости к основанию пены, что Рыбчинский и Хадамар включают в свою теорию; однако пена также дестабилизируется из-за осмотического давления, вызывая дренаж из ламелей к границам плато из-за внутренней разницы концентраций в пене, а давление Лапласа вызывает диффузию газа от мелких пузырьков к большим из-за разницы давлений. Кроме того, пленки могут разрушаться под расклинивающим давлением. Эти эффекты могут приводить к перестройке структуры пены в масштабах больше, чем пузырьки, которые могут быть индивидуальными ( процесс T1 ) или коллективными (даже лавинообразного типа).

Эксперименты и характеристики

Будучи многомасштабной системой, включающей множество явлений, и универсальной средой, пену можно изучать, используя множество различных методов. Принимая во внимание различные масштабы, экспериментальные методы являются дифракционными, в основном методами светорассеяния ( DWS , см. Ниже, статическое и динамическое рассеяние света, рентгеновское излучение и рассеяние нейтронов) на субмикрометровых масштабах или микроскопических. Если рассматривать систему как непрерывную, ее объемные свойства можно охарактеризовать не только по светопропусканию, но и по проводимости. Корреляция между структурой и объемом более точно подтверждается акустикой, в частности. Организация между пузырьками изучалась численно с использованием последовательных попыток эволюции минимальной поверхностной энергии либо случайным (модель Потта), либо детерминированным способом (поверхностная эволюция). Эволюция во времени (т.е. динамика) может быть смоделирована с использованием этих моделей или модели пузыря (Дуриана), которая рассматривает движение отдельных пузырей.

Наблюдения за мелкомасштабной структурой можно проводить, освещая пену лазерным светом или рентгеновскими лучами и измеряя коэффициент отражения пленок между пузырьками. Наблюдения за глобальной структурой можно проводить с помощью рассеяния нейтронов.

Типичный оптический метод светорассеяния (или диффузии), многократное рассеяние света в сочетании с вертикальным сканированием, является наиболее широко используемым методом для мониторинга состояния дисперсии продукта, следовательно, для выявления и количественной оценки явлений дестабилизации. Работает на любых концентрированных дисперсиях без разбавления, в том числе на пенах. Когда свет проходит через образец, он отражается пузырьками. Интенсивность обратного рассеяния прямо пропорциональна размеру и объемной доле дисперсной фазы. Таким образом, локальные изменения концентрации (дренаж, синерезис ) и глобальные изменения размера (созревание, коалесценция) обнаруживаются и отслеживаются.

Приложения

Жидкие пены

Жидкие пены можно использовать в огнезащитных пенах , например, при тушении пожаров, особенно нефтяных пожаров .

В некотором смысле дрожжевой хлеб представляет собой пену, поскольку дрожжи заставляют хлеб подниматься, производя крошечные пузырьки газа в тесте. Под тестом традиционно понимали пену с закрытыми порами, в которой поры не соединяются друг с другом. При резке теста газ высвобождается в надрезанных пузырьках, но газ из остальной части теста не может выйти. Когда тесту дают слишком сильно подняться, оно превращается в пену с открытыми ячейками, в которой соединены газовые карманы. Разрезание теста или разрушение поверхности в этой точке приведет к утечке большого объема газа, и тесто разрушится. Открытую структуру вспученного теста легко заметить: тесто состоит не из дискретных пузырьков газа, а из газового пространства, заполненного нитками пасты из муки и воды. Недавние исследования показали, что структура пор в хлебе на 99% связана в одну большую вакуоль, таким образом, пена с закрытыми ячейками влажного теста превращается в твердую пену с открытыми ячейками в хлебе.

Уникальное свойство газожидкостных пен с очень высокой удельной поверхностью используется в химических процессах пенной флотации и фракционирования пены .

Твердые пены

Твердые пены - это класс легких материалов для ячеистой инженерии. Эти пены обычно подразделяются на два типа в зависимости от их пористой структуры: пены с открытыми порами (также известные как пены с сетчатыми ячейками) и пены с закрытыми ячейками. При достаточно высоком разрешении ячеек любой тип можно рассматривать как непрерывные или «сплошные» материалы и относить к твердым ячеистым материалам с предсказуемыми механическими свойствами.

Пены с открытыми порами содержат поры, которые соединены друг с другом и образуют взаимосвязанную сеть, которая является относительно мягкой. Пены с открытыми порами заполняются окружающим их газом. Если они заполнены воздухом, получается относительно хороший изолятор, но если открытые ячейки заполняются водой, изоляционные свойства ухудшаются. Недавние исследования сосредоточили внимание на изучении свойств пенопласта с открытыми ячейками как изоляционного материала. Были произведены биопены из пшеничного глютена / TEOS, обладающие такими же изолирующими свойствами, что и пеноматериалы, полученные из ресурсов нефти. Поролон - это поролон с открытыми порами.

Пены с закрытыми порами не имеют взаимосвязанных пор. Пенопласты с закрытыми порами обычно имеют более высокую прочность на сжатие из-за своей структуры. Однако пены с закрытыми порами также, как правило, более плотные, требуют большего количества материала и, как следствие, более дороги в производстве. Закрытые ячейки могут быть заполнены специальным газом для улучшения изоляции. Пенопласты с закрытой структурой ячеек обладают более высокой стабильностью размеров, низкими коэффициентами влагопоглощения и более высокой прочностью по сравнению с пенопластами с открытыми порами. Все виды пенопласта широко используются в качестве заполнителя в композитных материалах с сэндвич-структурой .

Самое раннее известное инженерное использование ячеистых твердых тел связано с древесиной, которая в своей сухой форме представляет собой пену с закрытыми ячейками, состоящую из лигнина, целлюлозы и воздуха. С начала 20 века стали применяться различные типы специально изготовленных твердых пенопластов. Низкая плотность этих пен делает их превосходными в качестве теплоизоляторов и флотационных устройств, а их легкость и сжимаемость делают их идеальными в качестве упаковочных материалов и набивок.

Пример использования азодикарбонамида в качестве вспенивающего агента можно найти при производстве пенопласта из винила (ПВХ) и EVA-PE , где он играет роль в образовании пузырьков воздуха, распадаясь на газ при высокой температуре.

Случайная или «стохастическая» геометрия этих пен также делает их хорошими для поглощения энергии. В конце 20-го - начале 21-го века новые технологии производства позволили создать геометрию, которая обеспечивает превосходную прочность и жесткость на вес. Эти новые материалы обычно называют спроектированными твердыми ячеистыми телами.

Синтаксическая пена

Особый класс пен с закрытыми порами, известный как синтаксическая пена, содержит полые частицы, внедренные в матричный материал. Сферы могут быть изготовлены из нескольких материалов, включая стекло, керамику и полимеры . Преимущество синтаксических пен в том, что они имеют очень высокое отношение прочности к весу, что делает их идеальными материалами для многих применений, в том числе для глубоководных и космических применений. В одной конкретной синтаксической пене в качестве матрицы используется полимер с памятью формы , позволяющий пене приобретать характеристики смол с памятью формы и композиционных материалов ; то есть он имеет способность многократно изменять форму при нагревании выше определенной температуры и охлаждении. Пенопласты с памятью формы имеют множество возможных применений, таких как динамическая структурная опора, гибкая вспененная сердцевина и вспененный наполнитель.

Интегрированная пена для кожи

Интегрированная пена для обшивки , также известная как пена для самостоятельной обшивки , представляет собой тип пены с оболочкой высокой плотности и сердцевиной низкой плотности. Он может быть сформирован в процессе открытой или закрытой формы . В процессе открытой формы два реактивных компонента смешиваются и выливаются в открытую форму. Затем форму закрывают, и смеси дают возможность расшириться и затвердеть. Примеры изделий, произведенных с помощью этого процесса, включают подлокотники , детские сиденья , подошвы для обуви и матрасы . Процесс закрытой формы, более известный как реактивное литье под давлением (RIM), инжектирует смешанные компоненты в закрытую форму под высоким давлением.

Пеногаситель

Пена, в данном случае означающая «пузырящаяся жидкость», также образуется как часто нежелательный побочный продукт при производстве различных веществ. Например, пена - серьезная проблема в химической промышленности , особенно для биохимических процессов. Многие биологические вещества, например белки , легко образуют пену при взбалтывании или аэрации . Пена представляет собой проблему, потому что она изменяет поток жидкости и блокирует перенос кислорода из воздуха (тем самым предотвращая микробное дыхание в процессах аэробной ферментации ). По этой причине для предотвращения этих проблем добавляются антивспенивающие агенты , такие как силиконовые масла. Химические методы контроля пенообразования не всегда желательны в связи с проблемами (например, загрязнением , снижением массопереноса ), которые они могут вызвать, особенно в пищевой и фармацевтической промышленности, где качество продукта имеет большое значение. Механические методы предотвращения пенообразования встречаются чаще, чем химические.

Скорость звука

Акустическое свойство скорости звука через пену представляет интерес при анализе отказов гидравлических компонентов. Анализ включает расчет общих гидравлических циклов до усталостного разрушения. Скорость звука в пене определяется механическими свойствами газа, образующего пену: кислород, азот или их комбинации.

Предположение, что скорость звука основана на свойствах жидкости, приводит к ошибкам при расчете циклов усталости и выходу из строя механических гидравлических компонентов. Использование акустических преобразователей и связанных с ними приборов, которые устанавливают низкие пределы (0–50 000 Гц со спадом), вызывает ошибки. Низкий спад во время измерения фактической частоты акустических циклов приводит к ошибкам в расчетах из-за фактических гидравлических циклов в возможных диапазонах 1–1000 МГц или выше. Системы КИП наиболее показательны, когда полоса пропускания циклов превышает фактические измеренные циклы в 10–100 раз. Затраты на сопутствующие приборы также увеличиваются в 10–100 раз.

Большинство движущихся гидромеханических компонентов работают с частотой 0–50 Гц, но захваченные пузырьки газа, приводящие к пенистому состоянию соответствующей гидравлической жидкости, приводят к фактическим гидравлическим циклам, которые могут превышать 1000 МГц, даже если движущиеся механические компоненты не работают в более высоком цикле. частота.

Галерея

• 

  Крупный план морской пены ( разлагающегося планктона ) на приливном бассейне

• 

  Вспененный алюминий

• 

  Микрофотография из отпускных (памяти) пен

• 

  Проникающее уплотнение из силиконовой пены

• 

  Диетическая кока-кола и пена Mentos «Гейзер»

• 

  Промышленное компьютерное сканирование шарика из пенопласта

• 

  Пенополистирол демпфирование

Шкалы и свойства пенопласта

Смотрите также

• Сэндвич из алюминиевой пены
• Баллистическая пена
• Ячеистые твердые тела
• Хаотический пузырь
• Металлическая пена
• Нано-пена
• Пена океана
• Обратимо собираемые ячеистые композитные материалы

использованная литература

Литература

• Томас Хипке, Гюнтер Ланге, Рене Посс: Taschenbuch für Aluminiumschäume. Aluminium-Verlag, Дюссельдорф 2007, ISBN  978-3-87017-285-5 .
• Ханнелоре Диттмар-Ильген: Metalle lernen schwimmen. В: Dies .: Wie der Kork-Krümel ans Weinglas kommt. Hirzel, Штутгарт 2006, ISBN  978-3-7776-1440-3 , S. 74.

внешние ссылки

• Эндрю М. Крайник, Дуглас А. Рейнельт, Франк ван Своль Структура случайной монодисперсной пены
• DL Weaire, Stefan Hutzler (1999) Физика пен
• Мориарти, Филипп (2010). «Физика пены» . Шестьдесят символов . Brady Харан для Ноттингемского университета .