Кіріспе

Материяның түрі тұтқындалған газ көпіршіктерінен түзілген зат.

Көбік – сұйық немесе қатты денеде газды тұтқындау арқылы түзілетін материал. Будандағы кебісшік пен сыраның көбігі – көбіктің мысалдары. Көбіктердің көбісінде газ көлемі үлкен, ал газ аймақтарын жіңішке сұйық немесе қатты қабаттар бөліп тұрады. Сабынды көбіктерді көбік деп те атайды. Қатты көбік жабық немесе ашық ұяшықты болуы мүмкін. Жабық ұяшықты көбікте газ жеке қалталар түзеді, олардың әрқайсысы қатты материалмен толық қоршалған. Ашық ұяшықты көбікте газ қалталары бір-бірімен байланысады. Будандағы кебісшік – ашық ұяшықты көбіктің мысалы: су оңай бүкіл құрылым арқылы өтіп, ауаны ығыстырып шығарады. Ұйықтау төсемі – жабық ұяшықты көбіктің мысалы: газ қалталары бір-бірінен жабылады, сондықтан төсеме су сіңіре алмайды. Көбіктер – дисперстік ортаның мысалдары. Әдетте, газ болады, сондықтан ол әртүрлі өлшемдегі газ көпіршіктеріне бөлінеді (яғни материал полидисперс), сұйық аймақтармен бөлінеді, олар сұйық фаза жүйеден ағып шыққанда қабыршақтар түзеді, олар одан да жіңішке болады. Егер негізгі масштаб кішкентай болса, яғни көбік өте ұсақ болса, онда бұл дисперстік орта коллоидтың бір түрі деп қарастырылуы мүмкін. Көбік – кванттық көбік сияқты, оған ұқсас нәрсеге де сілтеме жасай алады.

Құрылымы

Көбінесе көбік – көп масштабты жүйе болып табылады. Бір масштаб – көпіршік: материалдық көбіктер әдетте ретсіз болады және көпіршік өлшемдері әртүрлі келеді. Ірі масштабта идеалданған көбіктерді зерттеу, минималды беттер және бал ұясы деп аталатын үш өлшемді тесселяциялардың математикалық мәселелерімен тығыз байланысты. Weaire–Phelan құрылымы – толық реттелген көбіктің ең жақсы (оптималды) бірлік жасушасы саналады, ал Плато заңдары сабын қабықшаларының көбіктердегі құрылымдарды қалай қалыптастыратынын сипаттайды. Көпіршіктен кіші масштаб – тұрақсыз көбіктердің қабықшасының қалыңдығы, оны ламелла деп аталатын байланысқан қабықшалардың желісі деп қарастыруға болады. Идеал жағдайда ламеллалар үштік түрінде бірігіп, плато шекаралары деп аталатын байланыс нүктелерінен 120° бұрышпен сыртқа қарай таралады. Одан да кіші масштаб – қабықша бетіндегі сұйық-ауа шекарасы. Көбінесе бұл шекара амфифильді құрылым қабатымен тұрақтандырылады, көбінесе тартқыш заттардан, бөлшектерден (Пикеринг эмульсиясы) немесе күрделі байланыстардан тұрады.

Қатты көбіктердің механикалық қасиеттері

Қатты көбіктер, ашық және жабық ұяшықты құрылымдар, жасушалық құрылымдардың бір саласы ретінде қарастырылады. Олар көбінесе бал ұялары мен фермалық торлар сияқты басқа жасушалық құрылымдарға қарағанда төмен түйіндік байланысқа ие, сондықтан олардың бұзылу механизмі элементтердің иілуімен анықталады. Төмен түйіндік байланыс және одан туындаған бұзу механизмдері олардың бал ұялары мен фермалық торларға қарағанда механикалық күші мен қатаңдығының төмендеуіне әкеледі. Көбіктің күші тығыздыққа, қолданылатын материалға және жасушалық құрылымның орналасуына (ашық немесе жабық, сондай-ақ тесіктердің изотропиясына) байланысты өзгеруі мүмкін. Көбіктердің механикалық қасиеттерін сипаттау үшін, олардың күші мен энергияны сіңіру қабілетін өлшеу үшін сығылу кезіндегі кернеу-деформация қисықтары қолданылады, себебі бұл көбік негізіндегі технологиялар үшін маңызды фактор болып табылады.

Эластомерлі көбік

Эластомерлі жасушалық қатты денелер үшін көбік сығылғанда, бастапқыда жасуша қабырғалары иілгенде серіппелі түрде әрекет етеді, содан кейін жасуша қабырғалары бүгілгенде материалдың деформациялануы мен бұзылуы орын алады, соңында жасуша қабырғалары бір-біріне қысылып, материал жарылады. Бұл кернеу-деформация қисығында тік сызықтық серіппелі режим, деформациядан кейін көлбеу еңісті сызықтық режим (платолық кернеу) және экспоненциалды өсу режимі ретінде көрінеді. Материалдың қатақтығын сызықтық серіппелі режимде есептеуге болады, онда ашық жасушалы көбіктердің модулі мына теңдеумен анықталады: , мұнда – қатты компоненттің модулі, – бал арасы құрылымының модулі, – бірге жуық мәні бар тұрақты, – бал арасы құрылымының тығыздығы және – қатты дененің тығыздығы. Жабық жасушалы көбіктердің серіппелі модулі де осыған ұқсас сипатталады: , мұндағы жалғыз айырмашылық – тығыздыққа тәуелділіктегі көрсеткіш. Алайда, нақты материалдарда жабық жасушалы көбікте жасуша шеттерінде көбірек материал болады, бұл оны ашық жасушалы көбіктерге арналған теңдеуге жақындатады. Бал арасы құрылымының тығыздығының қатты құрылымға қатысты қатынасы материалдың модуліне елеулі әсер етеді. Жалпы, көбіктің беріктігі жасушаның тығыздығымен және матрицалық материалдың қатақтығымен артады.

Деформация энергиясы

Кернеу-созылу қисығынан анықталатын тағы бір маңызды қасиет – көбіктің сіңіре алатын энергиясы. Қисық астындағы аудан (жоғары кернеудегі жылдам тығыздануға дейін) көбіктің бірлік көлемге шаққандағы энергиясын көрсетеді. Көбіктің жыртылуға дейін сақтай алатын максималды энергиясы мына теңдеумен сипатталады: Сонымен қатар, байланысқан порлары бар ашық ұяшықты құрылымдар су немесе басқа сұйықтықтардың құрылым арқылы өтуіне мүмкіндік береді, бұл оның қатаңдығы мен энергия сіңіру қабілетіне де әсер етеді.

Тұрақтандыру

Көбіктің тұрақтануы көбіктегі молекулалар арасындағы ван дер Ваальс күштерінен, диполярлы беттік белсенді заттардың құрамындағы электрлік қос қабаттардан және ламеллаларды қалпына келтіретін күш ретінде әрекет ететін Марангони әсерінен туындайды. Марангони әсері көбік түзілетін сұйықтықтың таза болмауына байланысты. Әдетте, ерітіндідегі беттік белсенді заттар беттік кернеуді азайтады. Бұл беттік белсенді заттар да бетте жиналып, төменде көрсетілгендей қабатты құрайды. Марангони әсерінің пайда болуы үшін көбік бірінші суретте көрсетілгендей ойысқа түсуі керек. Бұл ойыс жергілікті беттік ауданын арттырады. Беттік белсенді заттардың диффузия уақыты ерітіндінің көп бөлігінен баяу болғандықтан, ойыста беттік белсенді заттардың концентрациясы төмендейді. Сонымен қатар, беттің созылуы ойысқан жердің беттік кернеуін айналасындағы ауданнан жоғары етеді. Осының салдарынан, беттік белсенді заттардың диффузия уақыты ұзақ болғандықтан, Марангони әсеріне орын беруге уақыт жетеді. Беттік кернеудің айырмашылығы градиентті тудырады, ол төменгі беттік кернеулі аймақтардан жоғары беттік кернеулі аймақтарға сұйықтықтың ағынын қозғайды. Екінші суретте Марангони әсерінен кейін тепе-теңдікке келген пленка көрсетілген. Көбікті қатыру оны қаттыландырып, оны STP жағдайында шексіз тұрақты етеді.

Сұйық көбіктер

Сұйық көбіктер отты баяулатуға қолданылатын көбіктерде пайдаланылуы мүмкін, мысалы, өрт сөндіруде, әсіресе мұнай өртінде. Ашытқының әсерінен нанның ішіне кішкентай газ көпіршіктері түсіп, қамыр көтеріледі. Қамыр дәстүрлі түрде жабық ұяшықты көбік ретінде қарастырылады, онда тесіктер бір-бірімен байланыспайды. Қамырды кескенде, кесілген көпіршіктердегі газ шығады, бірақ қамырдың қалған бөлігіндегі газ шыға алмайды. Егер қамыр тым көп көтерілсе, ол газ қалталары байланысқан ашық ұяшықты көбікке айналады. Мұндай кезде қамырды кесіп немесе бетін бұзса, көп мөлшерде газ шығып, қамыр құлап қалады. Тым көп көтерілген қамырдың ашық құрылымын байқау оңай: ол жеке газ көпіршіктерінен емес, ұн-су қоспасының жіптерімен толтырылған газ кеңістігінен тұрады. Жақында жүргізілген зерттеулер нандағы тесік құрылымының 99% бір үлкен қуысқа байланысты екенін көрсетті, осылайша ылғалды қамырдың жабық ұяшықты көбігі нандағы ашық ұяшықты қатты көбікке айналады. Газды сұйық көбіктердің өте жоғары нақты беттік ауданына ие болу қасиеті көбікті флотация және көбікті фракциялау сияқты химиялық процестерде қолданылады. Көбіктің құрамын азайту немесе көбікті жою – кең аумаққа көбік шашыратып, тыныс алуды қиындатып, соңында тұншықтыру арқылы шаруашылық жануарларын жаппай өлтірудің бір тәсілі. Бұл әдетте аурудың таралуын тоқтату мақсатымен қолданылады.

Қалқымадан тазарту

Бұл жағдайда "көпіршікті сұйықтық" деген мағынаны білдіретін көбік, әртүрлі заттарды өндіру кезінде жиі қажет емес қосалқы өнім ретінде пайда болады. Мысалы, көбік химия өнеркәсібінде, әсіресе биохимиялық процестерде маңызды проблеманы құрайды. Көптеген биологиялық заттар, мысалы ақуыздар, араластыру немесе ауамен қабылдау кезінде оңай көбік түзеді. Көбік – проблема, себебі ол сұйықтықтың ағысын өзгертеді және ауадан оттегінің тасымалдануын бұзады (соның салдарынан, аэробты ферментация процестерінде микроорганизмдердің тыныс алуына кедерілтіңіз). Осы себепті, силикон майлары сияқты көбік пайда болуын тоқтатушы заттар осы проблемалардың алдын алу үшін қосылады. Көбікті бақылаудың химиялық әдістері, олар тудыруы мүмкін проблемаларға байланысты (мысалы, ластану, масса алмасудың төмендеуі) әрқашан қажетті болып табылмайды, әсіресе тамақ және фармацевтикалық өнеркәсіптерінде, онда өнімнің сапасы аса маңызды. Көбік түзілуін болдырмау үшін механикалық әдістер химиялық әдістерге қарағанда жиі қолданылады.

Дыбыс жылдамдығы

Гидравликалық компоненттердің істен шығуын талдау кезінде көбік арқылы дыбыс жылдамдығының акустикалық қасиеттері маңызды. Талдау шаршаудан істен шығуға дейінгі гидравликалық циклдардың жалпы санын есептеуді қамтиды. Көбіктегі дыбыс жылдамдығы көбікті құрайтын газдың – оттегі, азот немесе олардың қоспаларының – механикалық қасиеттерімен анықталады. Дыбыс жылдамдығы сұйықтың ағын қасиеттеріне негізделген деп есептеу шаршау циклдарын есептеуде қателіктерге және механикалық гидравликалық компоненттердің істен шығуына әкеледі. Акустикалық түрлендіргіштерді және төменгі шектеулерді (0–50 000 Гц дейін төмендеумен) пайдаланатын тиісті құралдарды қолдану қателіктерге ұшыратады. Акустикалық циклдардың нақты жиілігін өлшеу кезінде төменгі жиілікті сүзгінің болуы 1–1000 МГц немесе одан да жоғары диапазондағы нақты гидравликалық циклдарға байланысты қате есептеулерге әкеледі. Құралдық жүйелер циклдік ені өлшенген циклдардан 10-нан 100 есе артық болғанда ең жақсы нәтижелерді көрсетеді. Осындай құралдар мен аспаптардың құны да 10-нан 100 есеге артуы мүмкін. Көптеген жылжымалы гидромеханикалық компоненттер 0–50 Гц жиілігінде жұмыс істейді, бірақ гидравликалық сұйықтықтағы еріген газ көпіршіктерінің болуы көбікті жағдайға әкеліп соқтырады, нәтижесінде, жылжымалы механикалық компоненттер жоғары жиілікте циклдамаса да, нақты гидравликалық циклдар 1000 МГц-ден асып кетуі мүмкін.