Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Стабильность и разрушение пленок и пенн

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО КИНЕМАТОГРАФИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ КИНО И ТЕЛЕВИДЕНИЯ

Кафедра общей органической и физической химии

Курсовая работа

Тема: Стабильность и разрушение пленок и пен

Санкт-Петербург

2012

Содержание

Общие понятия и применение пен……………………………………………3

Определение пенообразующей способности растворов ПАВ…………..5

Строение пен………………………………………………………………………9

Стабилизация пен. Механизм стабилизации пен…………………………10

Разрушение пен. Механизмы разрушения пен……………………………16

Заключение……………………………………………………………………….24

Список используемой литературы…………………………………………..25

Общие понятия и применение пен

Пены по своей природе близки к концентрированным эмульсиям, но дисперсной фазой в них является газ, а не жидкость. Пены получают из растворов поверхностно-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.

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

2) Кратность пены b, которая представляет собой отношение объема пены V_п к объему раствора V_ж, пошедшего на ее образование:

, (2.7.23)

где V_г- объем газа в пене.

3) Стабильность (устойчивость) пены - ее 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 определенного объема пены.

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

В ряде случаев практического применения пен важны такие ее свойства, как вязкость, теплопроводность, электропроводность, оптические свойства и т.д.

Пены находят широкое применение во многих отраслях промышленности и в быту. Широко распространены в быту пенные моющие средства для ванн, чистки ковров и мебели. Огромное значение пены приобрели в пожаротушении, особенно при возгорании емкостей с легко воспламеняющимися жидкостями, при тушении пожаров в закрытых помещениях - в подвалах, на судах и в самолетах. Применяются пены для теплоизоляции, например, для предотвращения промерзания полигонов для добычи полезных ископаемых открытым способом в условиях крайнего севера.

Перспективно применение пены в текстильной промышленности.

Пенные технологии в производстве текстильных материалов являются ресурсо-, энергосберегающими, снижающими производственные затраты на 25-30%.

На стадии прядения пенные составы используются для увлажнения, антиэлектростатической обработки и замасливания волокон в ровнице. Пенный состав может наноситься при прохождении ровницы через пену или путем нанесения пены на ровницу с помощью специальных дозаторов.

Для стабилизации пен при пенной обработке ровницы используют поверхностно-активные вещества, входящие в обычные составы для антиэлектростатической обработки волокнистых материалов или для их замасливания.

Для снижения энергоемкости технологических процессов текстильного производства с целью уменьшения влагосодержания текстильных материалов представляет интерес использование пенных технологий крашения и заключительной отделки тканей, трикотажных полотен и проклеивания нетканых материалов. При осуществлении заключительных отделок по пенной технологии на 60-80% снижаются энергозатраты, практически полностью используются химические материалы, уменьшается расход воды, увеличивается производительность оборудования в результате сокращения времени сушки. Пенная технология эффективна при отбеливании и крашении текстильного материалов, их заключительной отделке, крашении трикотажных полотен, печатании декоративных тканей и т.д. Кроме того, пенные технологии можно считать экологически безопасными, так как применение пены позволяет резко сократить или полностью исключить образование сточных вод и уменьшить количество токсичных растворителей в составе печатных пенных красок по сравнению с эмульсионными. Состав пены текстильного назначения достаточно сложен, так как в нее должны входить пенообразователи и все основные компоненты, используемые для соответствующих видов отделок, такие как красители, катализаторы, полимерные добавки, модификаторы поверхности и т.д.

Возможны два варианта применения пены в технологии крашения – нанесение пены на движущееся полотно и использование пенной ванны, в которую помещают изделия или трикотажные полотна.

Интересным технологическим решением является окрашивание с помощью пен ткани в различные цвета с разных сторон. Для этой цели подбираются пенные композиции с низкой проникающей способностью в ткань. Следовательно, структура ткани должна быть достаточно плотной, а композиция - вязкой. В таких композициях наиболее перспективны пигментные красители, которые адгезионно закрепляются на поверхности волокон окрашиваемого материала в пленке связующего, например, латексного или термореактивной смолы. Одновременно с окрашиванием достигается эффект несминаемости ткани, повышается прочность окрасок к трению, улучшаются физико-механические и гигиенические свойства тканей.

Возможно применение пен и в технологии печати по текстильным материалом. В композиции могут включаться пигменты, дисперсные, активные и кислотные красители. Количество загусток – водорастворимых полимеров в пенном составе - требуется меньше, чем в обычной эмульсионной печатной краске. Можно даже полностью исключить загуститель. Роль загустителя в таком составе выполняет высокодисперсная пена. Исключение загустителя при печатании пигментами позволяет получить мягкий гриф ткани и повысить прочность окраски к трению. Расход красителей снижается на 20-30%, значительно упрощаются операции зреления и промывки напечатанных тканей.

В отличие от пен, применяемых для крашения, пенный состав для печатания должен быть устойчивым при контакте с текстильным материалом. Характеристики окрасок пенными составами находятся на уровне эмульсионных печатных красок.

При нанесении пенного состава на сухую ткань ее влажность не превышает 30%, а при контакте пены с влажным материалом пена может даже всасывать влагу из ткани, в результате чего влажность полотна снижается от 70 до 30%. В результате этого расход энергии на сушку уменьшается в три раза.

Свойства текстильных пен, применяемых на стадиях отделки.

ОТДЕЛОЧНЫЙ ПРОЦЕСС	СРЕДНИЙ ДИАМЕТР ПУЗЫРЬКОВ ПЕНЫ, МКМ	КРАТНОСТЬ ПЕНЫ	ПЕРИОД ПОЛУПАСПАДА ПЕНЫ, МИН	ДИНАМИЧЕСКАЯ ВЯЗКОСТЬ
Подготовка	110-230	8-15	5-15	1,8-3,5
Крашение	90-140	5-18	10-25	2,6-4,3
Печатание	40-60	2-5	1200-1800	150-420
Заключительная отделка	80-150	12-40	5-45	0,8-7,3

Пены с твердыми тонкими стенками (аэрогели) широко используются для изготовления теплоизоляционных и звукоизоляционных материалов, пенопластов, спасательных средств и др.; к твердым пенам относятся также кондитерские пены, торты и др. Чрезвычайно велико значение стойкости пен в пожаротушении.

Определение пенообразующей способности растворов ПАВ

Методы определения пенообразующей способности растворов можно разделить на статические и динамические (в известной степени такое разделение весьма условно, а по используемой аппаратуре в некоторых случаях эти методы не различаются). Определение динамическими методами проводят при непрерывном механическом воздействии на раствор, чтобы исключить возможность истечения его из пены. Измеряемый объем пены в динамических условиях обусловлен соотношением между скоростью ее образования и разрушения, а объем пены в статических условиях зависит от скорости распада пузырьков.

Пенообразующая способность растворов ПАВ является важной характеристикой. Так, почти все текстильно-вспомогательные вещества нормируются по пенообразующему признаку, поскольку при их использовании пена чаще всего играет отрицательную роль. Пенообразование может служить основным показателем при гигиеническом обосновании предельно допустимых концентраций текстильно-вспомогательных и моющих веществ в воде. Образование устойчивой пены пива свидетельствует о его высоком качестве, поэтому пенообразующая способность пива также проверяется на заводах. Исследуется и пенообразующая способность некоторых очищающих составов специального назначения. Эта характеристика учитывается и при разработке пеноподавляющих средств (антивспенивателей и пеногасителей).

В литературе описывается много различных методов и приборов для определения вспениваемости жидкостей. Многие из них обеспечивают получение хорошо воспроизводимых результатов.

При использовании разных методов определения пенообразующей способности могут получаться взаимно исключающие данные о пенообразовании одного и того же раствора. Кроме того, множество применяемых методов затрудняет анализ данных, характеризующих пенообразующие свойства различных жидкостей. Поэтому целесообразно ввести единую методику в пределах одной службы или отрасли промышленности.

Встряхивание пенообразующего раствора в закрытых мерных цилиндрах проводят как вручную, так и с применением различных вибрационных аппаратов. Пена образуется в результате интенсивного перемешивания раствора и находящегося над ним воздуха.

Основным недостатком ручного встряхивания является плохая воспроизводимость условий пенообразования. При работе необходимо тщательно соблюдать постоянство частоты, амплитуды и общей продолжительности проведения операций. Воспроизводимость результатов увеличивается при использования для встряхивания цилиндров вибрационных аппаратов. Применимость этого метода

ограничивается областью значений вязкости исследуемых растворов и невозможностью проводить эксперименты при высоких температурах.

По методу взбивания пена образуется при многократных ударах по поверхности раствора пластиной с отверстиями, прикрепленной к штоку (10-30 ударов за 10-30 с при условии постоянства высоты подъема пластины от дна мерного цилиндра). Взбивание раствора можно осуществлять как вручную, так и с помощью несложных механических приспособлений. Вместо перфорированной пластины можно применять проволочную сетку, обеспечивающую большую однородность размеров пузырьков.

Операции, проводимые вручную, не всегда позволяют получать воспроизводимые результаты. Применение механического привода улучшает воспроизводимость данных. В некоторых модификациях этого метода используют приборы, имеющие иное целевое назначение, например, маслобойные машины, а также несколько одинаковых приборов, собранных в батарею.

Одним из первых устройств для изучения пенообразования, является прибор, основанный на методе продувания воздуха через раствор. Несколько позже был предложен прибор, работающий по принципу пропускания жидкости через пористую пластину под действием атмосферного давления. Этот принцип исключает возможность разрушения пены при продувании через нее воздуха, что возможно в том приборе, где пена образуется при пропускании воздуха.

Недостаток метода, основанного на продувании воздуха, заключается в том, что даже при поддержании постоянного давления перед фильтром скорость потока воздуха может быть различной. Колебания скорости вызваны, по-видимому, уменьшением числа действующих пор в результате их засорения. Исключить этот недостаток можно, применяя вместо пористых пластинок капилляры, соединенные в виде «паука». Удобна установка для непрерывного измерения объема пены, образующейся при пропускании дозированного объема воздуха, в специальной измерительной ячейке. Уровень пены фиксируется электродами, сигнал от которых подается на регистрирующий прибор. Подобные приборы позволяют регистрировать кинетику подъема и разрушения пены.

Рис.1. Схема прибора для получения пены методом

барботирования.

Другим вариантом метода является барботирование воздуха через раствор с помощью трубки. Основанный на этом методе простой прибор, позволяет получать всестороннюю информацию о свойствах пены. Воздух дозировано подают в сосуд с испытуемым раствором, а образующаяся пена по шлангу поступает в мерный цилиндр. Прибор позволяет определять объем пены, ее кратность, скорость разрушения.

На рис. 1 показана схема прибора, действие которого основано на барботировании воздуха через пористый фильтр. На этом рисунке: 1- мерный цилиндр, 2- рубашка термостата, 3 – пористый фильтр, 4 – раствор пенообразователя, 5- трубка для подачи воздуха. С помощью такого прибора можно изучать физико-химические свойства пен в статическом и динамическом режимах при изменении температуры, состава и давления газа, а также диаметра отверстий для барботирования воздуха.

Широко используется для определения пенообразующей способности в промышленности биосинтеза, а также в производстве моющихсредств метод, основанный на перемешивании. Для перемешивания пенообразующего раствора можно применять различную стандартную аппаратуру, например, миксеры, размельчители тканей. Скорость вращения мешалки, ее тип и габаритные размеры определяют время достижения максимального объема пены. Поэтому для получения воспроизводимых результатов эти параметры должны быть строго регламентированы.

Основным недостатком метода является незначительное различие в объемах пены при использовании растворов ПАВ разных концентраций из-за большого расхода энергии при перемешивании. Поэтому оценка пенообразующей способности по объему пены и особенно классификация веществ по этому признаку затруднительны.

В некоторых случаях используется стандартизированный во многих странах на предприятиях производства синтетических моющих средств способ пенообразования - метод выливания (метод Росса–Майлса). В этом методе пена образуется в результате падения струи раствора с определенной высоты на поверхность того же раствора через калиброванное отверстие (1). Схема прибора, основанного на этом методе, показана на рис. 2.

Рис. 2. Схема прибора Рис. 3. Схема прибора для

Росса-Майлса. получения пены методом трения

Особые требования предъявляются к конструкции прибора. Размеры отдельных узлов должны быть строго регламентированы. Калиброванная трубка для истечения жидкости должна иметь гладкие края и сечение, перпендикулярное к оси. Режимы работы прибора (объем выливаемого раствора, скорость его подачи, объем раствора в сосуде) должны быть постоянными.

Описаны различные модификации прибора Росса – Майлса, усовершенствованные с целью автоматизации выливания раствора и регистрации получаемых результатов.

Для веществ с низкой пенообразующей способностью пригоден прибор, в котором струя жидкости выбрасывается из форсунки под давлением, создаваемым насосом. Применение этого прибора ограничивается потребностью больших объемов раствора. Предложены и другие модификации метода Росса – Майлса, например, выливание струи пенообразующего раствора на экран и многоструйное истечение жидкости.

Разработка метода получения пены, основанного на трении, была вызвана стремлением получать пены в условиях, близких к практическим условиям их применения (например, моющие средства, шампуни, средства для чистки автомобилей). Можно отметить следующие положительные свойства этого метода исследования пен: медленное образование пены, независимость экспериментальных результатов от субъективных погрешностей, возможность определять одновременно несколько параметров пены, возможность изучать процесс ее распада и т. д.

Схема такого прибора приведена на рис. 3. Прибор состоит из мерного сосуда 1, помещенного внутри него сетчатого цилиндра 3 и полимерной щетки 2, вращающейся от электромотора. Сосуд помещен в термостат 4, с помощью которого можно поддерживать температуру до 90°С. В результате трения вращающейся щетки о стенки сетчатого цилиндра раствор, заливаемый в мерный сосуд, вспенивается. Детальное изучение метода показало, что этот прибор может найти широкое применение, так как позволяет проводить исследования в присутствии веществ, подавляющих пенообразование, например жиров.

Строение пен

Газовые пузырьки в пенах разделены тончайшими пленками, образующими в своей совокупности пленочный каркас, который и служит основой пен. Такой пленочный каркас образуется, если объем газа составляет 80-90% общего объема. Пузырьки плотно прилегают друг к другу и их разделяет только тонкая пленка раствора пенообразователя. Пузырьки деформируются и приобретают форму пентаэдров. Обычно пузырьки располагаются в объеме пены таким образом, что три пленки между ними соединяются как это показано на рис. 4.

В каждом ребре многранника сходятся три пленки, углы между которыми равны 120^о. Места стыка пленок (ребра многогранника) характеризуются утолщениями, образующими в поперечном сечении треугольник. Эти утолщения называют каналами Плато-Гиббса, в честь известных ученых - бельгийского ученого Ж. Плато и американского - Дж. Гиббса, внесших большой вклад в изучение пен. Четыре канала Плато-Гиббса сходятся в одной точке, образуя по всей пене одинаковые углы 109^о 28’. Площадь поперечного сечения треугольного канала Плато-Гиббса определяется как:

, (2.7.24)

где – средний радиус пузырьков в пене.

Рис. 4. Схема фрагмента высокократной пены.

Если объем газовой фазы невелик и пленки между пузырьками толстые, то такая пена неустойчива и очень быстро разрушается. В зависимости от формы пузырьков пены делятся на сферические и многогранные. Сферические пены отличаются высоким содержанием жидкости и поэтому неустойчивы, их относят к метастабильным. В таких системах пузырьки коалесцируют - сливаются при соприкосновении.

Стабилизация пен. Механизм стабилизации пен.

Устойчивость пен зависит от ряда факторов в том числе от прочности их пленочного каркаса. Если пленки образованы чистыми низкомолекулярными жидкостями, то их прочность очень невелика и, как известно, дисперсии газа в чистой воде или в другой жидкости чрезвычайно быстро разрушаются. Возможность получения устойчивых пен полностью определяется свойствами адсорбционных слоев, вязкостью и прочностью пленок жидкости, образующих стенки газовых пузырьков. Хорошими стабилизаторами пен, или пенообразователями, естественно, являются вещества, которые служат эмульгаторами для эмульсий типа (м/в), поскольку в пенах дисперсной фазой является неполярная среда - газ: белки, мыла, синтетические поверхностно-активные вещества, водорастворимые синтетические полимеры. При адсорбции на поверхности пузырьков газа углеводородные радикалы молекул ПАВ располагаются в газовой фазе, которая, в отличие от жидкой неполярной среды в эмульсиях, не воздействует на межмолекулярные связи между углеводородными цепями и не препятствует их структурообразованию. Поэтому в пенах все перечисленные виды стабилизаторов могут образовывать прочные и в то же время эластичные поверхностные слои, что придает структурно-механическому фактору важное значение в устойчивости пен. Полимерные вещества повышают вязкость жидкости в пленках пены и в каналах Плато-Гиббса, что снижает скорость истечения жидкостей из пены. В гомологическом ряду жирных кислот устойчивость пены возрастает в соответствии с ростом поверхностной активности этих веществ.

Стабильность пленок и пен изучали многие отечественные и зарубежные исследователи. Выдвинуто несколько теорий, объясняющих устойчивость пен. Однако эти теории не исключают, а скорее взаимно дополняют друг друга, рассматривая процесс стабилизации пен в различных условиях, поскольку вряд ли правомерно пытаться объяснить устойчивость пен силами одной и той же природы.

Чистые жидкости не способны образовывать сколько-нибудь устойчивую пену. Для получения устойчивой пены в жидкой фазе кроме растворителя должен находиться по крайней мере один поверхностно-активный компонент – пенообразователь, адсорбирующийся на межфазной поверхности «раствор – воздух».

По способности давать устойчивые пены пенообразователи делятся на два типа.

1. Пенообразователи первого рода. Это соединения (низшие спирты, кислоты, анилин, крезолы), которые в объеме раствора и в адсорбционном слое находятся в молекулярно-дисперсном состоянии. Пены из растворов пенообразователей первого рода быстро распадаются по мере истечения междупленочной жидкости. Стабильность пен увеличивается с повышением концентрации пенообразователя, достигая максимального значения до насыщения адсорбционного слоя, и затем снижается почти до нуля.

2. Пенообразователи второго рода (мыла, синтетические ПАВ) образуют в воде коллоидные системы, пены из которых обладают высокой устойчивостью. Истечение междупленочной жидкости в таких метастабильных пенах в определенный момент прекращается, а пенный каркас может сохраняться длительное время при отсутствии разрушающего действия внешних факторов (вибрации, испарения, пыли и др.).

Такие системы обладают потенциальным энергетическим барьером, противодействующим разрушению и обеспечивающим системе состояние равновесия.

Стабилизация пленок пенообразователями обусловлена следующими факторами: кинетическим действием, сводящимся к замедлению утончения пленки, повышением структурно-механических свойств адсорбционно-сольватных слоев, а также термодинамическим фактором (расклинивающим давлением).

Устойчивость пен следует изучать, рассматривая три аспекта: устойчивость к вытеканию жидкости (синерезису), изменение дисперсного состава и уменьшение общего объема пены.

Гидростатическая устойчивость пен обусловлена их способностью препятствовать истечению жидкости под влиянием гравитационной силы. Движение жидкости против силы тяжести объясняется капиллярными эффектами вследствие градиента давления жидкости в каналах Плато. Условие гидростатического равновесия определяется соотношением:

, (2.7.25)

где др_п /дh– градиент давления жидкости в канале Плато по высоте.

В зависимости от абсолютного значения величин в уравнении (2.7.25) происходит истечение жидкости в поле силы тяжести (rg>- др_п /дh) или капиллярное всасывание (rg<- дp_п /дh).

По мере истечения жидкости градиент давления жидкости в канале Плато по высоте возрастает, при достижении максимального значения градиента синерезис прекращается. В дальнейшем истечение возможно только вследствие появления избыточной жидкости в результате слияния пузырьков.

Экспериментально установлено, что в течение некоторого времени после образования пены она находится в гидростатически равновесном состоянии и истечения жидкости не происходит. Эта стадия характеризуется перераспределением жидкости между отдельными элементами пены.

Нарушение гидростатического равновесия, связанное с перераспределением жидкости в пене, приводит к истечению жидкости из пены, которое вызывает изменение ее кратности по высоте столба.

Среднее значение кратности пены, находящейся в гидростатически равновесном состоянии, определяется ее дисперсностью и высотой столба:

, (2.7.26)

где –средний радиус ячеек пены; p – плотность жидкости; sigma– поверхностное натяжение.

Гидростатическая устойчивость сохраняется лишь в течение нескольких минут после образования пены. Затем гидростатическая устойчивость нарушается и наступает истечение жидкости. Процесс разрушения пены графически описывается прямой в координатах «lgb-t», тангенс угла наклона графика может служить мерой устойчивости пен.

Агрегативная устойчивость пен связана с их способностью сохранять постоянным дисперсный состав. Разрушение структуры пены (изменение ее дисперсного состава) происходит вследствие диффузионного переноса газа между пузырьками пены и разрушения пленок пузырьков, приводящего к их слиянию (коалесценции). Эти процессы приводят к уменьшению поверхности раздела фаз в пене.

Кинетическая устойчивость связана с вытеканием жидкости из пенных пленок и каналов Плато-Гиббса.

Эффекты Марангони и Гиббса.Тонкие пленки обладают способностью реагировать на локальные изменения толщины, вследствие чего происходит как бы «залечивание» ослабленного участка. Это «залечивание» происходит за счет поверхностного течения раствора из области низких поверхностных натяжений в область больших значений s (эффект Марангони), поскольку при утончении пленки происходит увеличение s, т. е. молекулы ПАВ поверхностного слоя находятся, как бы, в состоянии разрежения. Возможен и другой путь самовосстановления пленки – в результате миграции молекул ПАВ из объема раствора к поверхностному слою.

Эффект Марангони часто называют «вязкостью расширения», величина которой

, (2.7.27)

равна изменению поверхностного натяжения, отнесенному к относительной скорости изменения площади А адсорбционного слоя.

Миграция молекул из объема раствора к поверхности не может обеспечить прекращения утончения пленки, так как при этом отсутствует поверхностный перенос. Кроме того, необходимо время для достижения молекулами ПАВ поверхностного слоя, которое составляет 0,001-0,1 с. Число молекул ПАВ в жидкой части пленки часто бывает недостаточным для полного восстановления начальной концентрации ПАВ в поверхностном слое. Поэтому даже после достижения равновесия вследствие местного восстановления в поверхностном слое пленки может оказаться недостаток молекул ПАВ, что приводит к сохранению избыточного (по сравнению с первоначальным) поверхностного натяжения ослабленного участка.