Мыло

Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найти источники:  «Пена»  -  новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( февраль 2015 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Мыльные пузыри пены

Пена - это объект, образованный путем захвата газовых карманов в жидкости или твердом теле . ^{[1] [2] [3]}

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 протекает 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 . ^[4] 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 производимым пенам.

Структура [ править ]

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 ^{[5], 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 [ править ]

Твердые пенопласты, 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. ^{[6] [7]}

Формирование [ править ]

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):

${\displaystyle W=\gamma \Delta A\,\!}$

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 пузырька, который образуется очень медленно, можно предположить, что давление внутри везде постоянно. 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 стержне 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. ^[8]

Стабильность [ править ]

Стабилизация [ править ]

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 изображении пленка находится в состоянии равновесия после того, как эффект Марангони произошел. ^[9]

Дестабилизация [ править ]

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

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

with velocity in units of centimeters per second. ρ₁ and ρ₂ is the density for a gas and liquid respectively in units of g/cm³ and ῃ₁ and ῃ₂ is the viscosity of the gas and liquid g/cm·s and g is the acceleration in units of cm/s².

However, since the density and viscosity of a liquid is much greater than the gas, the density and viscosity of the gas can be neglected, which yields the new equation for velocity of bubbles rising as:

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

However, through experiments it has been shown that a more accurate model for bubbles rising is:

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

Deviations are due to the Marangoni effect and capillary pressure, which affect the assumption that the bubbles are spherical. For laplace pressure of a curved gas liquid interface, the two principal radii of curvature at a point are R₁ and R₂.^[10] With a curved interface, the pressure in one phase is greater than the pressure in another phase. The capillary pressure P_c is given by the equation of:

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

where ${\displaystyle \gamma }$ is the surface tension. The bubble shown below is a gas (phase 1) in a liquid (phase 2) and point A designates the top of the bubble while point B designates the bottom of the bubble.

At the top of the bubble at point A, the pressure in the liquid is assumed to be p₀ as well as in the gas. At the bottom of the bubble at point B, the hydrostatic pressure is:

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

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

where ρ₁ and ρ₂ is the density for a gas and liquid respectively. The difference in hydrostatic pressure at the top of the bubble is 0, while the difference in hydrostatic pressure at the bottom of the bubble across the interface is gz(ρ₂ − ρ₁). Assuming that the radii of curvature at point A are equal and denoted by R_A and that the radii of curvature at point B are equal and denoted by R_B, then the difference in capillary pressure between point A and point B is:

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

At equilibrium, the difference in capillary pressure must be balanced by the difference in hydrostatic pressure. Hence,

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

Since, the density of the gas is less than the density of the liquid the left hand side of the equation is always positive. Therefore, the inverse of R_A must be larger than the R_B. Meaning that from the top of the bubble to the bottom of the bubble the radius of curvature increases. Therefore, without neglecting gravity the bubbles cannot be spherical. In addition, as z increases, this causes the difference in R_A and R_B too, which means the bubble deviates more from its shape the larger it grows.^[8]

Foam destabilization occurs for several reasons. First, gravitation causes drainage of liquid to the foam base, which Rybczynski and Hadamar include in their theory; however, foam also destabilizes due to osmotic pressure causes drainage from the lamellas to the Plateau borders due to internal concentration differences in the foam, and Laplace pressure causes diffusion of gas from small to large bubbles due to pressure difference. In addition, films can break under disjoining pressure, These effects can lead to rearrangement of the foam structure at scales larger than the bubbles, which may be individual (T1 process) or collective (even of the "avalanche" type).

Experiments and characterizations[edit]

Being a multiscale system involving many phenomena, and a versatile medium, foam can be studied using many different techniques. Considering the different scales, experimental techniques are diffraction ones, mainly light scattering techniques (DWS, see below, static and dynamic light scattering, X rays and neutron scattering) at sub-micrometer scales, or microscopic ones. Considering the system as continuous, its bulk properties can be characterized by light transmittance but also conductimetry. The correlation between structure and bulk is evidenced more accurately by acoustics in particular. The organisation between bubbles has been studied numerically using sequential attempts of evolution of the minimum surface energy either at random (Pott's model) or deterministic way (surface evolver). The evolution with time (i.e., the dynamics) can be simulated using these models, or the bubble model (Durian), which considers the motion of individual bubbles.

Observations of the small-scale structure can be made by shining the foam with laser light or x-ray beams and measuring the reflectivity of the films between bubbles. Observations of the global structure can be done using neutron scattering.

A typical light scattering (or diffusion) optical technique, multiple light scattering coupled with vertical scanning, is the most widely used technique to monitor the dispersion state of a product, hence identifying and quantifying destabilization phenomena.^{[11][12][13][14]} It works on any concentrated dispersions without dilution, including foams. When light is sent through the sample, it is backscattered by the bubbles. The backscattering intensity is directly proportional to the size and volume fraction of the dispersed phase. Therefore, local changes in concentration (drainage, syneresis) and global changes in size (ripening, coalescence) are detected and monitored.

Applications[edit]

Liquid foams[edit]

Liquid foams can be used in fire retardant foam, such as those that are used in extinguishing fires, especially oil fires.

In some ways, leavened bread is a foam, as the yeast causes the bread to rise by producing tiny bubbles of gas in the dough. The dough has traditionally been understood as a closed-cell foam, in which the pores do not connect with each other. Cutting the dough releases the gas in the bubbles that are cut, but the gas in the rest of the dough cannot escape. When dough is allowed to rise too far, it becomes an open-cell foam, in which the gas pockets are connected. Cutting the dough or the surface otherwise breaking at that point would cause a large volume of gas to escape, and the dough would collapse. The open structure of an over-risen dough is easy to observe: instead of consisting of discrete gas bubbles, the dough consists of a gas space filled with threads of the flour-water paste. Recent research has indicated that the pore structure in bread is 99% interconnected into one large vacuole, thus the closed-cell foam of the moist dough is transformed into an open cell solid foam in the bread.^[15]

The unique property of gas-liquid foams having very high specific surface area is exploited in the chemical processes of froth flotation and foam fractionation.

Solid foams[edit]

This section possibly contains original research. Please improve it by verifying the claims made and adding inline citations. Statements consisting only of original research should be removed. (December 2020) (Learn how and when to remove this template message)

Solid foams are a class of lightweight cellular engineering materials. These foams are typically classified into two types based on their pore structure: open-cell-structured foams (also known as reticulated foams) and closed-cell foams. At high enough cell resolutions, any type can be treated as continuous or "continuum" materials and are referred to as cellular solids,^[16] with predictable mechanical properties.

Open-cell-structured foams contain pores that are connected to each other and form an interconnected network that is relatively soft. Open-cell foams fill with whatever gas surrounds them. If filled with air, a relatively good insulator results, but, if the open cells fill with water, insulation properties would be reduced. Recent studies have put the focus on studying the properties of open-cell foams as an insulator material. Wheat gluten/TEOS bio-foams have been produced, showing similar insulator properties as for those foams obtained from oil-based resources.^[17] Foam rubber is a type of open-cell foam.

Closed-cell foams do not have interconnected pores. The closed-cell foams normally have higher compressive strength due to their structures. However, closed-cell foams are also, in general more dense, require more material, and as a consequence are more expensive to produce. The closed cells can be filled with a specialized gas to provide improved insulation. The closed-cell structure foams have higher dimensional stability, low moisture absorption coefficients, and higher strength compared to open-cell-structured foams. All types of foam are widely used as core material in sandwich-structured composite materials.

The earliest known engineering use of cellular solids is with wood, which in its dry form is a closed-cell foam composed of lignin, cellulose, and air. From the early 20th century, various types of specially manufactured solid foams came into use. The low density of these foams makes them excellent as thermal insulators and flotation devices and their lightness and compressibility make them ideal as packing materials and stuffings.

An example of the use of azodicarbonamide^[18] as a blowing agent is found in the manufacture of vinyl (PVC) and EVA-PE foams, where it plays a role in the formation of air bubbles by breaking down into gas at high temperature.^[19][20][21]

The random or "stochastic" geometry of these foams makes them good for energy absorption, as well. In the late 20th century to early 21st century, new manufacturing techniques have allowed for geometry that results in excellent strength and stiffness per weight. These new materials are typically referred to as engineered cellular solids.^[16]

Syntactic foam[edit]

A special class of closed-cell foams, known as syntactic foam, contains hollow particles embedded in a matrix material. The spheres can be made from several materials, including glass, ceramic, and polymers. The advantage of syntactic foams is that they have a very high strength-to-weight ratio, making them ideal materials for many applications, including deep-sea and space applications. One particular syntactic foam employs shape memory polymer as its matrix, enabling the foam to take on the characteristics of shape memory resins and composite materials; i.e., it has the ability to be reshaped repeatedly when heated above a certain temperature and cooled. Shape memory foams have many possible applications, such as dynamic structural support, flexible foam core, and expandable foam fill.

Integral skin foam[edit]

Integral skin foam, also known as self-skin foam, is a type of foam with a high-density skin and a low-density core. It can be formed in an open-mold process or a closed-mold process. In the open-mold process, two reactive components are mixed and poured into an open mold. The mold is then closed and the mixture is allowed to expand and cure. Examples of items produced using this process include arm rests, baby seats, shoe soles, and mattresses. The closed-mold process, more commonly known as reaction injection molding (RIM), injects the mixed components into a closed mold under high pressures.^[22]

Defoaming[edit]

Foam, in this case meaning "bubbly liquid", is also produced as an often-unwanted by-product in the manufacture of various substances. For example, foam is a serious problem in the chemical industry, especially for biochemical processes. Many biological substances, for example proteins, easily create foam on agitation or aeration. Foam is a problem because it alters the liquid flow and blocks oxygen transfer from air (thereby preventing microbial respiration in aerobic fermentation processes). For this reason, anti-foaming agents, like silicone oils, are added to prevent these problems. Chemical methods of foam control are not always desired with respect to the problems (i.e., contamination, reduction of mass transfer) they may cause especially in food and pharmaceutical industries, where the product quality is of great importance. Mechanical methods to prevent foam formation are more common than chemical ones.

Speed of sound[edit]

The acoustical property of the speed of sound through a foam is of interest when analyzing failures of hydraulic components. The analysis involves calculating total hydraulic cycles to fatigue failure. The speed of sound in a foam is determined by the mechanical properties of the gas creating the foam: oxygen, nitrogen, or combinations.

Assuming that the speed of sound is based on the liquid's fluid properties leads to errors in calculating fatigue cycles and failure of mechanical hydraulic components. Using acoustical transducers and related instrumentation that set low limits (0–50,000 Hz with roll-off) causes errors. The low roll-off during measurement of actual frequency of acoustic cycles results in miscalculation due to actual hydraulic cycles in the possible ranges of 1–1000 MHz or higher. Instrumentation systems are most revealing when cycle bandwidths exceed the actual measured cycles by a factor of 10 to 100. Associated instrumentation costs also increase by factors of 10 to 100.

Most moving hydro-mechanical components cycle at 0–50 Hz, but entrained gas bubbles resulting in a foamy condition of the associated hydraulic fluid results in actual hydraulic cycles that can exceed 1000 MHz even if the moving mechanical components do not cycle at the higher cycle frequency.

Gallery[edit]

• Close-up of sea foam (decomposing plankton) on a tide pool

• Foamed aluminium

• Micrograph of temper (memory) foam

• Silicone foam penetration seal

• Diet Coke and Mentos foam "geyser"

• Industrial CT scanning of a foam ball

• Polystyrene foam cushioning

Foam scales and properties[edit]

See also[edit]

• Aluminium foam sandwich
• Ballistic foam
• Cellular Solids
• Chaotic bubble
• Metal foam
• Nanofoam
• Ocean foam
• Reversibly assembled cellular composite materials

References[edit]

Literature[edit]

• Thomas Hipke, Günther Lange, René Poss: Taschenbuch für Aluminiumschäume. Aluminium-Verlag, Düsseldorf 2007, ISBN 978-3-87017-285-5.
• Hannelore Dittmar-Ilgen: Metalle lernen schwimmen. In: Dies.: Wie der Kork-Krümel ans Weinglas kommt. Hirzel, Stuttgart 2006, ISBN 978-3-7776-1440-3, S. 74.

External links[edit]

Look up foam in Wiktionary, the free dictionary.

Wikimedia Commons has media related to Foam.

• Andrew M. Kraynik, Douglas A. Reinelt, Frank van Swol Structure of random monodisperse foam
• D. L. Weaire, Stefan Hutzler (1999) The Physics of Foams
• Moriarty, Philip (2010). "Foam Physics". Sixty Symbols. Brady Haran for the University of Nottingham.