Теоретическая часть. Пенами называют концентрированные эмульсии газов в жидкостях

Пенами называют концентрированные эмульсии газов в жидкостях. Пены можно также характеризовать как связно-пленочные дисперсные системы, состоящие из пузырьков газообразной среды, наполняющих данную жидкую фазу и отделенных друг от друга тонкими пленками жидкости. Газ, находящийся внутри пузырька, испытывает на себе не только внешнее давление, но и давление, развиваемое поверхностными силами жидкостной пленки. Эти силы будут тем больше, чем меньше радиус пузырька,и, согласно уравнению Кантора, они равны .

Поднявшись над поверхностью жидкости, пузырек из равновесных условий с окружающей жидкостью попадает в неравновесные. Жидкость, находящаяся в пленке, начинает вытекать как под влиянием силы тяжести, так и под действием увеличивающегося давления поверхностных слоев. В силу этого расстояние между двумя слоями будет уменьшаться. Внутренняя пленка деформируется, отдельные пузырьки слипаются, теряя при этом свой шарообразный вид. Получаются ячейки пены, стенки которых располагаются, следуя закону Плато: на одном жидком ребре сходятся не более трех пленок, образующих между собой равные углы в 120°, при этом внутри системы могут сходиться лишь четыре ребра, образующие между собой равные углы.

С течением времени в пене происходят изменения, ведущие к укреплению ее ячееки, в конце концов, к разрушению всей массы пены. Продолжительность существования элементарного пузырька пены называется «временем жизни пены».

Прочность пены в значительной степени зависит от прочности адсорбционной пленки, окружающей элементарный пузырек газа: чем прочнее эта пленка, тем большей стойкостью будет обладать пена.

Пены образуются исключительно в растворах, чистые жидкости пен не образуют. Для устойчивости пен, кроме пенообразователя, к жидкости добавляют стабилизатор. В качестве пенообразователя применяют ПАВ, спирты, органические кислотыи их соли, белки, пектины, мыла.

Установлено, что при увеличении концентрации раствора пенообразователя стойкость пены вначале увеличивается, достигает максимума, а затем при дальнейшем увеличении концентрации пенообразо­вателя начинает падать (рис. 9, кривая 1). Для коллоидных пенообразователей такого максимума нет, стойкость пены увеличивается с ростом концентрации (рис. 9, кривая 2).

Рис. 9. Зависимость времени жизни пен от концентрации пенообразователя

Особенно прочные пены получаются при добавлении к пенообразователю поверхностно-активных коллоидных золей Fе(ОН)₃, Al(OH)₃. В данном случае стойкость пены с увеличением количества добавляемого золя непрерывно растет (рис. 9, кривая 2), так как коллоид накапливается в адсорбируемой пленке, образуя гелеобразную структуру, придавая ей прочность твердого тела.

Прочность пены достигает максимума и далее остается постоян­ной, независимо от количества добавляемого золя.

Талмуд и Суховольский показали, что прочность поверхностной пленки (время жизни пены) является функцией гидратации полярной группы. При этом чем больше степень гидратации, тем прочнее связь с молекулами растворителя. Гидратация тем меньше, чем длиннее углеводородная цепь поверхностно-активного вещества, следовательно, тем менее прочные пленки получаются при его добавке.

Прочность пленки связана также со скоростью скольжения жидкости между стенкой пузырька и адсорбционной пленкой. Доказано, что скорость скольжения слоев жидкости будет тем больше, чем длиннее углеводородная цепь. Поэтому чем короче углеводородная цепь полярной молекулы, тем большей гидратацией она обладает, сильнее связана с растворителем и препятствует стоку жидкости между стенками пузырька, увеличивая при этом время жизни пены. Важным фактором, влияющим на стабильность пены, является наличие сольватных комплексов из пенообразователя и растворителя, которые повышают структурно-механические свойства пленок.

Адсорбционная пленка должна обладать особой упругой прочностью и высокой вязкостью, чтобы при местных разрывах быстро восстанавливаться. На прочность пены оказывает большое влияние испарение. Упругость паров пенообразователя должна быть низкой, в противном случае пена получится непрочная, так как едва образовавшиеся перегородки летучей жидкости испарятся и пена разру­шится.

От толщины адсорбционной пленки зависит и цвет пены. Если эта толщина значительно превышает длину световой волны, то пена имеет белую окраску. Если же толщина пленки соизмерима с длиной световой волны, то здесь можно наблюдать очень яркие окраскивсех цветов в зависимости от толщины пленки. В технике пены имеют большое значение.