Начнем с определения. Пена — это одна из разновидностей дисперсий. Латинское слово dispersus означает рассеянный, разбросанный; диспергированием в технике называют процесс измельчения, дробления твердых, жидких или газообразных веществ. Мы не оговорились. Дробить, а точнее, рассеивать можно не только твердые и жидкие вещества, но и газообразные. Для этого газ, например воздух, нужно равномерно распределить в виде мелких пузырьков в жидкой или твердой среде (матрице).
В зависимости от того, какое вещество (в каком агрегатном состоянии) служит матрицей, а какое-диспергируется, дисперсии будут называться по-разному. Дисперсию жидкости в жидкости называют эмульсией, твердого вещества в жидкости — суспензией. Дисперсию газа в жидкости называют пеной, газа в твердом веществе — твердой пеной. Сам газ (воздух) тоже может быть матрицей. Дисперсия в нем жидкости называется туманом, а твердого вещества — пылью (дымом).
В дальнейшем мы и будем называть пеной систему, состоящую из газа (воздуха) и жидкости, разделяющей воздушные ячейки. Но не всякая система газ-жидкость может быть отнесена к пенам. Если газа в жидкости мало, то пузырьки находятся далеко друг от друга, они имеют форму шара и свободно перемещаются в жидкости; это еще не пена. При большом содержании газа (свыше 80-90% по объему) пузырьки плотно прилегают друг к другу, деформируются и образуют подобную сотам структуру.
Множество любопытнейших явлений, наблюдаемых при пускании мыльных пузырей, объяснил известный английский ученый и популяризатор науки Чарльз Бойс. Он связывал образование мыльного пузырька с возникновением на его поверхности «растянутой упругой перепонки». Такая перепонка не может быть создана из чистой воды, так как вода абсолютно не упруга.
Зарождение в жидкости воздушного пузырька всегда приводит к увеличению ее поверхности. При этом в поверхностном слое разыгрываются сложные физические явления, объяснением которых занимались многие видные физикохимики.
Молекулы, находящиеся в поверхностном слое чистой воды, обладают особыми свойствами по сравнению с молекулами в объеме жидкости, поскольку силы межмолекулярного взаимодействия нескомпенсированы и у молекул этого слоя оказывается избыточный запас потенциальной энергии. Поэтому образование пены в чистой воде невозможно, так как это привело бы к резкому возрастанию избыточной потенциальной энергии.
В природе любая система стремится уменьшить запас потенциальной энергии, а любой самопроизвольно протекающий процесс направлен на снижение этого запаса. В результате газовый пузырек, зародившийся в воде, будет всплывать и разрушаться. Всплывать-вследствие резкого различия плотностей газовой и жидкой фаз, а разрушаться — под действием избыточной потенциальной энергии. Простейший способ продлить жизнь пузырька — использовать более вязкую, менее текучую жидкость. И верно, пленка вязкой жидкости существует уже заметное время. Кстати, именно поэтому в мыльную воду добавляют глицерин — он увеличивает вязкость раствора. Из такого раствора пузырьки не могут всплыть и остаются в объеме жидкости.
Но тут возникает противоречие: ведь чем больше вязкость жидкости, тем более устойчивые пленки она образует, но из вязкой жидкости труднее эту пленку получить. Замечательно решают эту проблему стеклодувы. Они сначала размягчают стекло, нагревая его до высокой температуры, выдувают из него пузыри (вспомните форму обычной колбы или лампы — это просто пузырь!), а затем дают этим пузырям охладиться. При этом вязкость стекла резко (в сотни миллионов раз!) повышается и пузырь стабилизируется. Это один путь. А есть и другой, основанный на способности некоторых веществ избирательно адсорбироваться на границе раздела фаз. Эти вещества (их называют поверхностно-активными) используют как пенообразователи при приготовлении устойчивых пен. Пузырьки в такой пене разделены упругими пленками.
Когда мы растягиваем упругую пленку, то затрачиваем работу на изменение формы молекул и расстояний между ними. Потенциальная энергия поверхностного слоя при этом возрастает не столь значительно, и воздушные пузырьки в таких жидкостях могут существовать длительное время.
Пузырек воздуха в жидкости имеет почти шарообразную форму, которую он сохраняет даже будучи изолированным после выхода из пенообразующего раствора.
Рассмотрим на примере одного элементарного пузырька, как образуется пена. Представим себе, что пузырек воздуха попал в раствор, содержащий пенообразователь. На границе пузырька с жидкостью сразу начнут скапливаться молекулы пенообразователя, так что вскоре пузырек оденется своеобразной «шубой» этого вещества, состоящей из одного слоя молекул пенообразователя. Всплывая, пузырек достигает поверхности жидкости, давит на нее и растягивает. Молекулы пенообразователя из раствора устремляются к растущей поверхности, предотвращая разрыв пленки жидкости. Таким образом, при выходе из воды пузырек оказывается окруженным оболочкой уже из двух монослоев пенообразователя, между которыми находится пленка жидкости. Когда в раствор вовлекается много воздуха, образующиеся пузырьки, всплывая, создают на поверхности жидкости пенный слой, толщина которого увеличивается в процессе перемешивания жидкости и газа. В конечном счете вся жидкая фаза превращается в пену.
Напомним: когда пленки между пузырьками (перегородки) еще достаточно толсты (содержат много жидкости), пузырьки сохраняют сферическую форму. По мере того как жидкость насыщается воздушными пузырьками, толщина перегородок уменьшается и форма пузырьков начинает постепенно изменяться из сферической в многогранную. В зависимости от формы газовых пузырьков Манегольд предложил разделять пены на два класса: сферические и многогранные.
Сферические пены отличаются высоким содержанием жидкости и в силу этого — малой устойчивостью. Поэтому их относят к метастабильным (условно стабильным). В нестабильных пенах наблюдается так называемый эффект Плато: жидкая фаза из перегородок удаляется, истекая под действием силы тяжести, и происходит быстрая коалесценция (от латинского coalesce— срастаюсь, соединяюсь) — слияние соприкасающихся газовых пузырьков.
Сущность явления коалесценции можно пояснить, используя простейшие понятия о взаимосвязи между поверхностью, поверхностной энергией и объемом.
Кубик любого твердого вещества с размерами 1 х 1 х 1 см имеет поверхность 6 см2. Путем дробления этот кубик можно превратить в мельчайшую пыль. Суммарный объем частиц будет по-прежнему 1 см3, но суммарная поверхность частиц может составлять уже квадратные метры. Даже десятки и сотни квадратных метров! Очевидно, что поверхностная энергия при этом тоже увеличится (заметим, за счет совершенной работы дробления). Но общая тенденция всех процессов состоит в стремлении уменьшить запас свободной энергии. Мельчайшие частицы слипаются, мельчайшие капли и воздушные пузырьки стремятся слиться в более крупные. Чем крупнее капля или пузырек, тем меньше соотношение поверхность: объем и тем меньше запас свободной поверхностной энергии. Слияние нескольких пузырьков в один, более крупный, и называется коалесценцией. Крупный воздушный пузырь стремительно всплывает и лопается — пена разрушается.
Многогранные пены отличаются малым содержанием жидкой фазы и характеризуются высокой стабильностью. В таких пенах отдельные пузырьки сближены и разделены тонкими «растянутыми упругими перепонками». Эти пленки в силу упругости и ряда других факторов препятствуют коалесценции газовых пузырьков. По мере утончения разделительных пленок пузырьки все плотнее сближаются, прилегают друг к другу и приобретают четкую форму многогранников.
Каждый пузырек в такой пене (если все пузырьки имеют одинаковый размер) обладает формой правильного пентагонального додекаэдра, т.е. двенадцатигранника, любая сторона которого представляет собой правильный пятиугольник. Эти многогранные пузырьки разделены тончайшими пленками жидкости, которые без внешнего импульса — механического воздействия или повышения температуры — могут сохраняться в течение длительного времени и противостоять излишнему истечению жидкой фазы.
Из сказанного очевидно, что пеной является не всякая дисперсная система типа газ-жидкость, а только ячеисто-пленочная, т. е. такая, в которой отдельные пузырьки связаны друг с другом разделяющими их пленками в общий каркас. В пене газовый пузырек не может свободно перемещаться ни в вертикальной, ни в горизонтальной плоскости. Он как бы «зажат» другими, прилегающими к нему пузырьками. Такая плотная упаковка достигается лишь при определенном соотношении объемов жидкой и газовой фаз. Это соотношение может быть найдено, если применить к пенам теорию упаковки шарообразных тел (в нашем случае-это газовые пузырьки). Для того чтобы образовалась сферическая пена, объем раствора пенообразователя нужно увеличить, насыщая его воздухом, в 3,8 раза по сравнению с первоначальным.
Если воздуха в растворе содержится меньше, то такую систему уже нельзя отнести к пенам. При большем насыщении пены воздухом пузырьки теряют сферическую форму и превращаются в многогранники, а разделяющие их пленки приобретают одинаковую толщину во всем объеме пены. Получается пространственная конструкция, в разрезе похожая на не раз виденные нами пчелиные соты. При получении пены такая конструкция возникает самопроизвольно; в ней на каждом ребре многогранника сходятся три тонкие пленки, образуя угол в 120°. Эта пена характеризуется минимальной поверхностной энергией, а следовательно, она наиболее устойчива. В такой системе броуновское движение ограничено, она приобретает некоторые свойства твердого тела (например, пена обладает определенной упругостью) и в то же время сохраняет ряд свойств, присущих компонентам пены: сжимается, как газ, а раствор в пленках имеет свойства обычной жидкости. Форму, подобную пятиугольным додекаэдрам, пузырьки пены приобретают, если их объемы (размеры) одинаковы. В большинстве пен отдельные пузырьки имеют разный объем, и, следовательно, их форма не будет идеальной, наиболее устойчивой. Такая пена быстрее разрушается.
Получение пены с заданным комплексом свойств — чрезвычайно важная прикладная проблема. Для оценки свойств пены, а значит, и ее пригодности для тех или иных целей существует множество общих и специальных характеристик. Основные показатели — кратность пены, ее дисперсность и устойчивость во времени. Во многих случаях важны ее структурно-механические свойства, а также теплопроводность, электропроводность, способность длительное время удерживать в массе твердые частицы, устойчивость при изменении температуры, облучении и даже оптические свойства пеномассы.
Чаще других пользуются характеристикой «кратность пены», например, при оценке синтетических моющих средств, хотя однозначной связи между пенообразуюшей способностью и моющим действием порошков и жидкостей не обнаружено. Кратность пены Кр -это отношение объема пены Vп к объему раствора Vж; таким образом, эта характеристика показывает, сколько объемов пены можно получить из одного объема жидкости.
Определение кратности и устойчивости пены низкой и средней кратности осуществляется согласно ГОСТ Р 50588- 93. Пункт 5.2. В зависимости от величины кратности, получаемую из пенообразователей пену подразделяют на:
— пену низкой кратности (не более 20);
— пену средней кратности (от 20 до 200);
— пену высокой кратности (более 200).
Дисперсность пены характеризует средний размер воздушных пузырьков; чем меньше пузырьки, тем более дисперсна пена, при большом размере ячеек пену называют грубодисперсной. От дисперсности пены зависит скорость многих технологических процессов в микробиологической и химической промышленности, эффективность тушения пожаров, качество вспененной пластмассы, вкус мороженого и многих сортов конфет. Поэтому определение дисперсности является обязательным почти для всех производств, использующих пену.