Pусский
Просмотры: 0 Автор: Редактор сайта Время публикации: 3 июня 2026 г. Происхождение: Сайт
Когда воздух переходит в жидкую фазу, он почти не растворяется в воде и под действием внешней силы сдвига расщепляется на бесчисленное множество мельчайших пузырьков, образуя гетерогенную пенящуюся систему. Образование пены значительно расширяет площадь контакта газа с жидкостью и увеличивает свободную энергию системы.
По мере увеличения концентрации ПАВ поверхностное натяжение системы сначала резко падает, а при дальнейшем росте концентрации выравнивается до равновесного значения. Эксперименты Миллеса и Шедловского доказывают, что аномальные минимальные точки на кривой поверхностного натяжения в основном возникают из-за примесей в системе или взаимодействия между различными поверхностно-активными веществами, и такая переломная точка относится к критической концентрации мицелл (ККМ). Как только концентрация достигает КМЦ, обильные молекулы поверхностно-активного вещества компактно располагаются на поверхности жидкости, образуя плотную мономолекулярную пленку без зазоров, сводя к минимуму общее поверхностное натяжение. Более низкое поверхностное натяжение снижает порог свободной энергии для образования пены, что значительно облегчает вспенивание.
В промышленном производстве поверхностно-активные вещества обычно дозируются выше ККМ, чтобы гарантировать стабильность эмульсий при длительном хранении. Несмотря на улучшение стабильности эмульсии, избыток поверхностно-активных веществ имеет очевидные недостатки: помимо снижения поверхностного натяжения, излишки поверхностно-активных веществ упаковывают захваченный воздух внутри эмульсии, образуя прочные жидкие пленки и создавая бимолекулярный слой на поверхности жидкости, что значительно увеличивает трудность разрушения пены.
Пена представляет собой совокупность многочисленных пузырьков, дисперсной фазой которых является газ, а сплошной фазой — жидкость. Газ внутри пузырьков может диффундировать через соседние пузырьки или выходить в окружающий воздух, что в конечном итоге приводит к слиянию и разрыву пузырьков.
Чистая вода или однокомпонентные растворы ПАВ имеют однородный состав. Образовавшиеся у них жидкие пленки лишены эластичности, поэтому образующаяся пена неустойчива и самопроизвольно разрушается. Термодинамические теории утверждают, что пены, образующиеся из чистых жидкостей, являются временными и разрушаются в результате дренажа жидкости со стенок пленки.
Покрытия на водной основе содержат воду, полимерные эмульгаторы и различные поверхностно-активные добавки, включая диспергаторы, смачиватели и загустители. Эти сосуществующие активные вещества легко вызывают пенообразование и стабилизируют существующую пену.
После вспенивания межмолекулярное притяжение заставляет поверхностно-активные вещества адсорбироваться на пузырьковых пленках. Гидрофильные группы тянутся во внешнюю эмульсию, а гидрофобные группы направлены к воздуху внутри пузырьков. Регулярное расположение молекул на границе раздела газ-жидкость создает эластичные пленки, устойчивые к разрыву. Сила тяжести вызывает дренаж жидкости по пузырьковой пленке и ее частичное истончение. Два механизма самовосстановления предотвращают коллапс пленки: упругое сжатие Гиббса происходит, когда расширенная площадь пленки повышает локальное поверхностное натяжение и создает градиенты натяжения, вызывающие усадку пленки; Эффект Марангони позволяет адсорбированным молекулам поверхностно-активного вещества мигрировать из областей низкого напряжения в зоны высокого напряжения для обеспечения равномерного поверхностного натяжения. Совместно эти два эффекта поддерживают стабильную пену.
Ионные эмульгаторы несут статический заряд на пузырьковых пленках. Электростатическое отталкивание между одинаково заряженными пузырьками предотвращает слияние мелких пузырьков в более крупные, препятствуя естественному пенообразованию и стабилизации пены.
Эмульгаторы с длинной цепью создают сильное межмолекулярное притяжение между молекулярными цепями, придавая пузырьковым пленкам превосходную эластичность и механическую прочность, препятствуя растрескиванию и замедляя пенообразование.
Загустители добавляются для повышения вязкости покрытий на водной основе. Более высокая вязкость препятствует перетеканию жидкости между пузырьками, замедляет утончение пленки и останавливает ее разрыв, что стабилизирует пену и затрудняет пеногашение.
