Загальні теоретичні положення. Піни, як і всі дисперсні системи, отримують методами диспергування і конденсації

Піни, як і всі дисперсні системи, отримують методами диспергування і конденсації. Методом диспергування піни отримують шляхом перемішування або барботування газів у рідину. Конденсаційний метод заснований на зміні фізичного стану розчину (при підвищенні температури розчину або зменшення зовнішнього тиску), що призводить до пересиченості його газом.

Першою стадією процесу піноутворення є утворення газової емульсії (емульсії газ – розчин поверхнево активних речовин). На міжфазній поверхні бульбашок утворюється адсорбційний шар поверхнево активних речовин (ПАР). При утворенні бульбашок на поверхні розчинів формується плівчастий каркас піни, який характеризується тим, що прошарки рідини між адсорбційними шарами ПАР на бульбашках піни взаємопов’язані, за рахунок чого утворюється єдина структура.

Структура піни визначається співвідношенням об’ємів газової і рідкої фаз. В залежності від цього співвідношення піни можуть мати сферичну форму чарунки (шарова піна), поліедричною або перехідною чарунковою.

Шарова піна утворюється, якщо об’єм рідкої фази V_р перевищує об’єм газової фази V_г більше, ніж у 10…15 разів. Плівки бульбашок цієї піни мають відносно велику товщину. Чим менше відношення V_р / V_г , тим менша товщина плівки. По мірі старіння піни плівки потоншуються і шарова піна перетворюється у поліедричну.

Структура поліедричних пін описується правилами Плато. Три бульбашки, стінки яких зустрічаються під кутом 120^о, утворюють механічно стійку систему. При їх з’єднанні плівки, що розділяють їх, утворюють трьохгранний стовпчик рідини, який називають каналом Плато-Гіббса. Велика кривизна поверхні в області контакту бульбашок призводить до значного перепаду тиску між газовою і рідкою фазами, внаслідок чого рідина витискається із плівки в канал Плато-Гіббса. Вважаючи на те, що стінки всіх бульбашок повинні бути однаковими, то в одній точці сходяться чотири канала Плато-Гіббса, утворюючи між собою кути 109^о28′. Використовуючи правила Плато, можна передбачити найбільш імовірну форму чарунки піни. Вона являє собою пентагональний додекаедр – фігуру, яка обмежена 12 п’ятикутовими гранями.

Стабілізація пін досягається за допомогою ПАР. Руйнування піни відбувається за трьома механізмами; витікання рідини із піни (синерезис), внаслідок чого відбувається потоншання плівок без зміни об’єму піни; зміцнення великих чарунок піни і зникнення маленьких із-за дифузії газу крізь плівки; розрив плівок, що призводить до руйнування піни. Який з цих механізмів буде переважати при руйнуванні піни, залежить від багатьох факторів.

Стійкість піни обумовлена дією загальних для дисперсних систем факторів стабілізації і специфічним ефектом Гіббса-Марангоні, в основі якого лежить твердження, що тонкі плівки, які містять ПАР, здатні реагувати на локальні зміни товщини плівки. Течія рідини у поверхневих шарах плівки призводить до зменшення вмісту ПАР і, як наслідок, до збільшення ПН. Це викликає появу двомірного тиску, спрямованого у зворотний бік до течії (ефект Марангоні).

Разом з тим збільшення ПН підвищує пружність плівки, яка опирається механічній деформації плівки (ефект Гіббса). Тому в присутності ПАР потоншення плівок відбувається тільки за механізмом витікання рідини між адсорбційними шарами ПАР.

Властивості пін звичайно характеризуються наступними параметрами: кратністю піни (відношення об’єму піни до об’єму розчину, витраченої на утворення піни), стабільністю (час існування елемента піни – бульбашки, плівки або певного об’єму піни), дисперсністю (розподілом бульбашок за розміром або середнім розміром бульбашок).

До найважливіших властивостей пін відноситься знижений (порівняно з атмосферним) рівноважний капілярний тиск в каналах Плато-Гіббса р_{σ ,} який визначається висотою стовпа піни h:

р_σ = p_L + ρgh,

де p_L – тиск у нижньому шарі піни;

g – щільність розчину.