Пены (структура, устойчивость)

Пе́на — дисперсная система с газовой дисперсной фазой и жидкой или твёрдой дисперсионной средой.

Пены по своей природе близки к концентрированным эмульсиям, но дисперсной фазой в них является газ, а не жидкость. Пены получают из растворовповерхностно-активных веществ. Для повышения их устойчивости в растворы ПАВ добавляют высокомолекулярные вещества, повышающие вязкость растворов. В качестве характеристик пены используется комплекс свойств, всесторонне характеризующих пену.

Пенообразующая способность раствора — количество пены, выражаемое её объёмом (см³) или высотой столба (м), которое образуется из заданного постоянного объема пенообразующего раствора при соблюдении некоторых стандартных условий пенообразования в течение постоянного времени.

Кратность пены, которая представляет собой отношение объёма пены к объёму раствора, пошедшего на её образование.

Стабильность (устойчивость) пены — её способность сохранять общий объем, дисперсность и препятствовать вытеканию жидкости (синерезису). Часто в качестве меры стабильности используют время существования («жизни») выделенного элемента пены (отдельного пузырька или пленки) или определённого объёма пены.

Дисперсность пены, которая может быть охарактеризована средним размером пузырьков, распределением их по размерам или поверхностью раздела «раствор-газ» в единице объёма пены.

Для пен, особенно высокократных, характерна ячеистая пленочно-каналовая структура, в которой заполненные газом ячейки разделены тонкими плёнками. Три плёнки, расположенные под углом 120°, сливаются в канал, четыре канала с углом между ними около 109° образуют узел. Наиболее типичной формой ячейки в монодисперсной пене является пентагональный додекаэдр (двенадцатигранник с пятиугольными гранями), часто с 1-3 дополнительными гранями; среднее число плёнок, окружающих ячейку, обычно близко к 14. В низкократной пене форма ячеек близка к сферической и размер плёнок мал.

ПЕНЫ, дисперсные системы с газовой дисперсной фазой и жидкой или твердой дисперсионной средой. Пены обычно являются сравнительно грубодисперсными высококонцен-трир системами (разб. системы типа газ жидкость наз. газовыми эмульсиями). Объемное содержание дисперсионной среды обычно характеризуют кратностью пены К отношением объема пены к объему дисперсионной среды. Различают низкократные пены (К от 3 до неск. десятков) и высокократные (К до неск. тысяч). Малоустойчивые (дина-мич.) пены существуют лишь при непрерывном смешении газа с пенообразующим р-ром в присут. пенообразователей 1-го рода (по классификации пен А. Ребиндера), напр. низших спиртов и орг. к-т. После прекращения подачи газа такие пены быстро разрушаются. Высокостабильные пены могут существовать в течение мн. минут и даже часов. К пенообразователям 2-го рода, дающим высокостабильные пены, относят мыла и синтетич ПАВ. По способу получения различают конденсационные пены, в частности химические, к-рые образуются в результате к.-л. хим. р-ции вследствие выделения газообразных продуктов (так получают большинство пен с твердой дисперсионной средой пенобетоны, пенопласты), и диспергационные, в т ч. барботажные, получаемые при пропускании газа через жидкость. Пены могут быть также получены с помощью спец. устройств пеногенераторов. Для пен, особенно высокократных, характерна ячеистая пленочно-каналовая структура, в к-рой заполненные газом ячейки разделены топкими пленками. Три пленки, расположенные под углом 120°, сливаются в канал, четыре канала с углом между ними ок. 109° образуют узел (см. рис.). Наиб. типичной формой ячейки в монодисперсной пене является пентагональный додекаэдр (двенадцатигранник с пятиугольными гранями), часто с 1 3 дополнит. гранями; ср. число пленок, окружающих ячейку, обычно близко к 14. В низкократной пене форма ячеек близка к сферической и размер пленок мал. Пены являются типичными лиофобными дисперсными системами (см. Лиофильнсть и лиофобность); они в принципе термодинамически неустойчивы, т. к. в них протекают процессы, ведущие к изменению строения и разрушению пен. К таким процессам относят: 1) утоньшение пленок и их послед. разрыв; в результате увеличивается средний размер ячеек при разрыве пленок в объеме пены или уменьшается высота столба (слоя) пены, если разрываются пленки, отделяющие поверхностные ячейки пены от внеш. газовой среды; дисперсность пены падает. 2) Диффузионный перенос газа из малых ячеек в более крупные (в полидисперсной пене) или из поверхностных ячеек во внеш. среду; это приводит к исчезновению поверхностных ячеек и уменьшению высоты столба (слоя) пены. 3) Отекание дисперсионной среды под действием силы тяжести(синерезис) в высокостабильных пенах, приводящее к возникновению гидростатически равновесного состояния, в к-ром кратность слоя пены тем больше, чем выше он расположен; в низкократных пенах синерезис ведет к возникновению под пеной слоя жидкости. При изучении пен применяют разл. методы дисперсионного анализа: микрофотографирование, совместное измерение электропроводности и капиллярного давления в каналах, определение мех. (упругих) св-в пен, наблюдение за кинетикой изменения высоты столба и толщины слоя дисперсионной среды под пенами, а также исследование разл. св-в пен (скорости растекания, теплопроводности и др.). Важной задачей в разл. технол. процессах, особенно в хим. и микробиол. пром-сти и теплоэнергетике, является предотвращение вспенивания жидкостей и разрушение образовавшейся пены; для этого применяют как разл. физ. воздействия на пены (обдувание перегретым паром или сухим воздухом, обработка ультразвуком, ионизирующим излучением и др.), так и хим. реагенты. Из последних выделяют в-ва, предотвращающие образование пен (напр., кремнийорг. соединения), и пеногасители (высшие спирты, олеиновая к-та). Среди важнейших традиц. областей применения пен флотация, пожаротушение, тепло- и звукоизоляция, произ-во пищ. продуктов; новые направления-пенная сепарация, пылеулавливание и пылеподавление, очистка пов-стей, бурение.