ЖИТТЯ ПІНИ
Ми вже говорили, що якість піни оцінюють за допомогою різних показників. Головне при виборі того чи іншого критерію це призначення піни. У пожежній техніці головний параметр якості – ізолююча здатність піни, при виробництві будівельних матеріалів – теплопровідність та міцність затверділої піни, у харчовій промисловості – піно – утворює здатність розчинів (спінюваність) та дисперсність піни.
Але є показник, який є важливим незалежно від того, для якої саме мети готується піна, показник, що визначає можливість використання пін у різних сферах діяльності людини. Це їхСтійкість.Адже короткоживучі піни просто неможливо застосовувати.
Стійкість пін прямо пов'язана з властивостями тонких шарів рідини, вони й визначають структуру піни. Основна роль у дослідженні таких тонких верств належить відомому радянському вченому Б. В. Дерягіну. Разом із академіком JI. Д. Ландау він розробив загальну теорію стійкості розчинів та дисперсних систем. Як це часто буває в науці, па -
■ ■ .. ° також від них теоретичного опрацювання
Якийцієї проблеми займалися і за кордоном - Фервей (Verwey) та Овербек (Overbeek). За початковими латинськими буквами прізвищ чотирьох вчених ця теорія в усьому світі скорочено позначається DLVO.
Стійкість піни-це показник, що характеризує тривалість існування всього первісного обсягу піни. Щоб кількісно оцінити стійкість піни визначають швидкість її руйнування. Для стійких пен це час, за який руйнується 20% початкового обсягу, для нестійких-час, за який піна руйнується повністю. Використовують їдже метод вимірювання «життя» окремої бульбашки або плівки.
Пінируйнуються спонтанно чи під впливом зовнішніх чинників (температура, тиск, механічні впливи). Як будь-яка дисперсна система, піна нестійка. Виникнувши, вона зберігається у первісному вигляді. З піни витікає рідина, і піна з «мокрою» стає «сухою». Повітря з одних бульбашок перетікає в інші, змінюються розміри та форма бульбашок. У всіх пінах відбуваються три основні проЦесса,що призводять поступово до руйнування: перерозподіл розмірів бульбашок, зменшення товщини плівки, розрив плівки.
Ці процеси швидко руйнували б піни, якби неСтабілізуючі фактори.Цих факторів три:кінетичний, структурно-механічнийітермодинамічний.
Кінетичний факторуповільнює процес витончення плівок, а отже, сприяє підвищенню життєздатності пін. Необхідно, щоправда, відзначити, що кінетична дія помітно проявляється лише у малостійких пінах. Кінетичний фактор часто називаютьефектом самозалікування,абоефектом Ма - рангот.Суть його в тому, що витончення плівки внаслідок закінчення рідини під дією сил гравітації або всмоктування її через межі Плато (докладніше про це-наступний розділ) відбувається нерівномірно. Окремі ділянки плівки навколо пінної бульбашки стають дуже тонкими і здатні руйнуватися. У таких локальних тонких ділянках поверхневе натяг зростає, оскільки відстань між молекулами ПАР у поверхневому шарі збільшується. Внаслідок цього розчин з підвищеною концентрацією ПАР із зони низького поверхневого натягу, тобто з ділянок з потовщеною плівкою, спрямовується до витончених зон. Витончені ділянки плівки мимоволі «заліковуються». Час, заяке відбувається таке перетікання - ниє розчину, вимірюється сотими і навіть тисячними частками секунди, тому ймовірність розриву плівки знижується, і стійкість зростає.
Підтвердженням цього є спостереження Дюпре: тверді речовини (свинцевий дріб) і краплі рідини (ртуть) можуть пройти через плівку піни, не залишивши дірки і не викликавши розриву. Однак після тривалого сушіння плівки (висихання піни), коли кількість рідини в ній сильно зменшилася і перетікання розчину ПАР стає неможливим, кожен такий «снаряд» викликає розрив.
Швидкість поверхневого перенесення ПАР залежить від значення поверхневого натягу розчину поверх-ностно-активної речовини і різниці концентрацій в тонкому і потовщеному ділянках плівки.
У дуже тонких плівках (що складаються з двох адсорбційних шарів) ефект «залікування» проявляється слабо, що, звичайно ж, знижує стабільність пін.
Структурно-механічний факторстабілізації пін пов'язаний зі специфічним зміцненням тонких плівок за рахунок гідратації адсорбційних шарів, а також за рахунок підвищення в'язкості міжплівкової рідини.
Взаємодія полярних груп молекул ПАР з водою (гідратація) обмежує закінчення міжплівкової рідини із середнього шару «сендвіча» плівки під дією сил тяжкості та капілярних сил. У самому адсорбційному шарі гідратовані молекули ПАР зчіплюються між собою, в результаті підвищується міцність на розтяг і адсорбційних шарів, і плівки в цілому.
Для підвищення в'язкості міжплівкової рідини до ПАР додають певні продукти: наприклад, у присутності тисячних часток відсотка жирного спирту] в'язкість розчинів ПАР збільшується в десятки разів.
Термодинамічний фактор,або, що те саме,-,Розклинюючий тискпроявляється в тонких плівках, коли виникає надлишковий тиск, що перешкоджає їх потоншенню під дією зовнішніх сил. Поява розклинюючого тиску при витіканні з плівок рідини Б. В. Дерягін і Л. Д. Ландау пояснюють наступним чином. На колоїдних частинках поверхнево-активних речовин завжди присутні рідкі об-ючки підвищеної в'язкості і пружності. Ці оболонки створюють механічний бар'єр, що перешкоджає зближенню та злипанню частинок при витонченні плівок за рахунок закінчення рідини. Крім того, у водному розчині елек-іроліту між поверхнями однойменно заряджених частинок діють сили відштовхування. Обидва ці явища і зумовлюють тиск, що розклинює, в штінку.
Один з прикладів прояву тиску, що розклинює, - відштовхування подвійних електричних шарів, утворених молекулами піноутворювача в плівці мильної бульбашки. Таке відштовхування було зафіксовано в дослідах Б. В. Дерягіна та А. С. Тітіївської при стисканні двосторонніх плівок", дві бульбашки за допомогою скляних рамок наводилися в дотик. Про зміну товщини стінок бульбашок судили за колірною інтерференцією плівки. Стабільність кольору вказує на плівки, що утворилася, і наявність розклинюючого ефекту.
Розклинювальний тиск П легко розрахувати за рівнянням
Де Р та Pj-тиск на плівку з боку фаз, між якими вона знаходиться, та тиск усередині плівки, відповідно.
Якщо Р2 більше за Pj, плівка витончується; якщо Р менше Рр плівка потовщується, при Р2 рівному P, піносистема стійка тривалий час.
Розклинювальний тиск залежить від товщини шару, виду ПАР та його концентрації, загального тиску в системі
5 111 ме, діаметра бульбашок у піні. Припозитивному розклинювальному тиску час життя плівки суттєво зростає і за відповідних умов може стати необмежено більшим.
Нестабілізовані двосторонні плівки безперервно витончуються. Про це свідчить зміна фарбування. Спочатку плівка товста, і виразно видно, як із неї витікає рідина. Особливо це помітно при горизонтальному положенні плівки. У центрі поступово збирається крапля рідини, яка своєю вагою може зруйнувати цю плівку. Перебуваючи у вертикальному положенні, плівка поступово витончується, стає забарвленою, а потім забарвлення зникає. Це означає, що її товщина стала меншою за довжину хвилі видимого світла.
Процес зміни кольору плівки йде з швидкістю, що згасає, спочатку швидко, а потім все повільніше. Коли товщина плівки стає менше 10 нм, вона темніє і забарвлення майже зникає. Виходить чорна плівка, яка може існувати значний час за сприятливих зовнішніх умов (відсутнє випаровування та механічні струси, виключено попадання пилу та теплових потоків).
Нагадаємо читачеві, що тривалість життя :ии - іависит від безлічі факторів-виду та концентрації ПАР. кратності піни, її температури, дисперсності, наявності стабілізаторів тощо.
Як правило, стійкість пін із розчинів аніо-ноактивних ПАР вища, ніж пін із катіоноактивних та неіоногенних розчинів. При збільшенні концентрації піноутворювачів стабільність пін підвищується. Вплив температури на стійкість пін неоднозначно і для різних ПАР та різних умов існування піни проявляється неоднаково. Одне безперечно: введення стабілізаторів у розчини піноутворювачів завжди підвищує стійкість пін.
Стабільність піни залежить також і від її дисперсно-Сгі.Наближеним показником дисперсності може бути середній діаметр газових бульбашок у піні. Залежно від призначення в промисловості одержують піни із середнім діаметром бульбашок від 0,03 мм до 1,5-2 см.
Зазвичай, що стоїть дисперсність піни, т. е. що менше розмір бульбашок, то вище її стійкість.
Важливо відзначити, що розміри повітряної бульбашки вже на стадії її зародження істотно впливають на процес утворення піни та її стійкість. Своєрідну картину формування повітряної бульбашки виявив за допомогою швидкісної кінозйомки радянський дослідник Я. Є. Гегузін. На дні скляної посудини, заповненої водою, створювали повітряні бульбашки різних розмірів за допомогою повітропідводних скляних капілярів діаметром 10, 3 і 1 мм. Незалежно від розміру капіляра від кінця трубки відривається і починає рух у воді пляшечку сферичної форми. Сфера великого діаметру (10 мм) швидко деформується: нижня поверхня бульбашки спрямовується до верхньої та злипається з нею; такий пляшечку продовжує стрімко рухатися вгору, набуваючи форми конуса. У процесі випливання вершина цього конуса проривається і повітряна порожнина набуває форми бублика.
Бульбашка, що відірвалася від триміліметрової трубки, на всьому шляху спливання зберігає форму конуса, не перетворюючись на бублик; від тонкого (1 мм) капіляра відривається сферичний пляшечку, при підйомі не змінює своєї форми. У бублика та конуса поверхня більша, ніж у сфери, що енергетично невигідно; отже, стійкість бульбашок такої форми знижена
У ході досліджень виявлено також, що, випливаючи, бульбашки здійснюють коливальні рухи. Амплітуда цих коливань тим більше, чим більша
Так відбувається формування та деформаціяповітряної бульбашки.
Бульбашка. У найбільшого амплітуда виявилася настільки великою, що при першому ж коливанні міхур прорвався.
Кінокадри дозволили пояснити це явище. Вода знизу спрямовується в об'єм міхура, що відірвався. У цьому місці тиск води максимальний. В результаті між верхньою та нижньою поверхнями міхура з'являється різниця тисків, і його форма спотворюється. Чим більший діаметр міхура, тим ця різниця тисків більша, тим сильніше деформації. Деформований пляшечку прагне зменшити власну поверхню і відновити сферичну форму, що і призводить до виникнення коливань.