Введение

Форма материи – вещество, образованное захваченными пузырьками газа.

Пены – это материалы, образующиеся при захвате газовых пузырьков в жидкости или твердом теле. Губка для ванны и пена на стакане пива – примеры пен. В большинстве пен объем газа велик, а тонкие пленки жидкости или твердого вещества разделяют области газа. Мыльные пены также известны как пена. Твердые пены могут быть закрытоячеистыми или открытоячеистыми. В закрытоячеистой пене газ образует отдельные полости, каждая из которых полностью окружена твердым материалом. В открытоячеистой пене газовые полости соединены друг с другом. Губка для ванны – пример открытоячеистой пены: вода легко проходит через всю структуру, вытесняя воздух. Спальный коврик – пример закрытоячеистой пены: газовые полости герметично изолированы друг от друга, поэтому коврик не впитывает воду. Пены являются примерами дисперсных сред. Как правило, присутствует газ, который разделяется на газовые пузырьки разных размеров (то есть материал является полидисперсным), разделенные жидкими областями, которые могут образовывать пленки, становящиеся все тоньше по мере оттока жидкой фазы из системы. Когда основной масштаб мал, то есть для очень мелкопузырчатой пены, эта дисперсная среда может рассматриваться как разновидность коллоида. Пена также может относиться к чему-либо, аналогичному пене, например, к квантовой пене.

Структура

Пена во многих случаях является многомасштабной системой. Один из масштабов – пузырь: материальные пены обычно неупорядочены и имеют различные размеры пузырей. При больших масштабах изучение идеализированных пен тесно связано с математическими задачами минимальных поверхностей и трехмерных тесселяций, также называемых сотами. Структура Уэйра–Фелэна считается наилучшей (оптимальной) элементарной ячейкой идеально упорядоченной пены, а законы Плато описывают, как мыльные пленки формируют структуры в пене. В масштабе, меньшем, чем пузырь, находится толщина пленки для метастабильных пен, которые можно рассматривать как сеть взаимосвязанных пленок, называемых ламелями. В идеале, ламели соединяются триплетами и расходятся под углом 120° от точек соединения, известных как границы Плато. Еще меньший масштаб – это жидкостно-воздушный интерфейс на поверхности пленки. В большинстве случаев этот интерфейс стабилизирован слоем амфифильной структуры, часто состоящей из поверхностно-активных веществ, частиц (эмульсия Пикеринга) или более сложных ассоциаций.

Механические свойства твердых пен

Твердые пены, как с открытыми, так и с закрытыми ячейками, рассматриваются как подкласс ячеистых структур. Они часто характеризуются более низкой связностью узлов по сравнению с другими ячеистыми структурами, такими как соты и ферменные решетки, и, следовательно, механизм их разрушения определяется изгибом элементов. Низкая связность узлов и обусловленный этим механизм разрушения в конечном итоге приводят к их более низкой механической прочности и жесткости по сравнению с сотами и ферменными решетками. На прочность пены могут влиять плотность, используемый материал и структура ячеек (открытая или закрытая, а также изотропия пор). Для определения механических свойств пены используются диаграммы "напряжение-деформация при сжатии", позволяющие измерить их прочность и способность поглощать энергию, поскольку это важный фактор в пенотехнологиях.

Эластомерная пена

Для эластомерных ячеистых твердых тел, при сжатии пены, сначала наблюдается упругое поведение, связанное с изгибом стенок ячеек, затем – потеря устойчивости и разрушение материала стенок ячеек, пока, наконец, стенки ячеек не разрушатся и материал не разорвется. Это проявляется на диаграмме "напряжение-деформация" в виде крутого линейно-упругого участка, линейного участка с небольшим наклоном после достижения предела текучести (плато напряжения) и экспоненциально возрастающего участка. Жесткость материала можно рассчитать на основе линейно-упругого участка, где модуль упругости для открытых ячеистых пен может быть определен следующим уравнением:

где – модуль упругости твердого компонента, – модуль упругости структуры, напоминающей соты, – константа, близкая к единице, – плотность структуры, напоминающей соты, и – плотность твердого вещества. Модуль упругости для закрытых ячеистых пен может быть описан аналогично:

единственное отличие заключается в показателе степени, зависящем от плотности. Однако в реальных материалах закрытая ячеистая пена содержит больше материала по краям ячеек, что приближает ее поведение к уравнению для открытых ячеистых пен. Отношение плотности структуры, напоминающей соты, к плотности твердой структуры оказывает значительное влияние на модуль упругости материала. В целом, прочность пены возрастает с увеличением плотности ячеек и жесткости материала матрицы.

Энергия деформации

Еще одно важное свойство, которое можно определить по диаграмме "напряжение-деформация", – это способность пены поглощать энергию. Площадь под кривой (ограниченная до начала быстрого уплотнения в точке максимального напряжения) представляет собой энергию, запасенную в пене, в единицах энергии на единицу объема. Максимальная энергия, накопленная пеной до разрушения, описывается уравнением: Также, открытоячеистые структуры с соединенными порами могут пропускать воду или другие жидкости, что также может влиять на жесткость и способность к поглощению энергии.

Стабилизация

Стабилизация пены обусловлена силами Ван-дер-Ваальса между молекулами в пене, электрическими двойными слоями, созданными диполярными поверхностно-активными веществами, и эффектом Марангони, который действует как восстанавливающая сила для ламелл. Эффект Марангони зависит от наличия примесей в пенистой жидкости. Как правило, поверхностно-активные вещества в растворе снижают поверхностное натяжение. Эти вещества также концентрируются на поверхности, образуя слой, как показано ниже. Для возникновения эффекта Марангони пену необходимо деформировать, как показано на первой иллюстрации. Эта деформация увеличивает локальную площадь поверхности. Поверхностно-активные вещества имеют большее время диффузии, чем основная масса раствора, поэтому их концентрация в деформированной области ниже. Кроме того, растяжение поверхности приводит к увеличению поверхностного натяжения в деформированной области по сравнению с окружающей поверхностью. Следовательно, поскольку время диффузии поверхностно-активных веществ значительно, эффект Марангони успевает проявиться. Разница в поверхностном натяжении создает градиент, который инициирует поток жидкости из областей с более низким поверхностным натяжением в области с более высоким поверхностным натяжением. На втором изображении показана пленка в состоянии равновесия после проявления эффекта Марангони. Затвердевание пены приводит к ее стабилизации, обеспечивая неограниченную стабильность при стандартных условиях температуры и давления (STP).

Жидкие пены

Жидкие пены могут использоваться в огнезащитных составах, таких как те, что применяются для тушения пожаров, особенно нефтяных. В некотором смысле, дрожжевой хлеб – это пена, поскольку дрожжи заставляют хлеб подниматься, образуя в тесте крошечные пузырьки газа. Традиционно тесто рассматривалось как пена с закрытыми порами, в которой поры не сообщаются друг с другом. При разрезании теста газ высвобождается из разрезанных пузырьков, но газ из остальной части теста не может выйти. Если тесто поднять слишком сильно, оно превращается в пену с открытыми порами, в которой газовые карманы соединены между собой. Разрезание теста или нарушение целостности поверхности в этом месте привело бы к высвобождению большого объема газа, и тесто опало бы. Открытую структуру перебродившего теста легко заметить: вместо отдельных пузырьков газа тесто состоит из газового пространства, заполненного нитями мучно-водяной пасты. Недавние исследования показали, что структура пор в хлебе на 99% взаимосвязана в одну большую вакуоль, таким образом, пена с закрытыми порами влажного теста превращается в твердую пену с открытыми порами в хлебе. Уникальное свойство газожидкостных пен, заключающееся в очень высокой удельной поверхности, используется в химических процессах флотации и фракционирования пены. Депопуляция пены или пенообразование – это способ массового уничтожения сельскохозяйственных животных путем распыления пены на большой площади для затруднения дыхания и последующего удушья. Обычно это используется в попытках остановить распространение болезней.

Очистка от пены

Пена, в данном случае понимаемая как "пузырьковая жидкость", также образуется как часто нежелательный побочный продукт при производстве различных веществ. Например, пенообразование представляет собой серьезную проблему в химической промышленности, особенно в биохимических процессах. Многие биологические вещества, например белки, легко пенообразуются при перемешивании или аэрации. Пена является проблемой, поскольку она изменяет течение жидкости и препятствует переносу кислорода из воздуха (тем самым подавляя микробное дыхание в аэробных процессах ферментации). По этой причине для предотвращения этих проблем добавляют пеногасители, такие как силиконовые масла. Химические методы контроля пенообразования не всегда предпочтительны из-за проблем (например, загрязнения, снижения массопереноса), которые они могут вызвать, особенно в пищевой и фармацевтической промышленности, где качество продукции имеет первостепенное значение. Механические методы предотвращения образования пены используются чаще, чем химические.

Скорость звука

Акустическое свойство скорости звука в пене представляет интерес при анализе отказов гидравлических компонентов. Анализ включает в себя расчет общего числа гидравлических циклов до усталостного разрушения. Скорость звука в пене определяется механическими свойствами газа, формирующего пену: кислорода, азота или их комбинаций. Предположение о том, что скорость звука основана на свойствах жидкости, приводит к ошибкам при расчете циклов усталости и отказу механических гидравлических компонентов. Использование акустических преобразователей и соответствующего оборудования, устанавливающего нижние пределы (0–50 000 Гц с затуханием), вызывает погрешности. Низкое затухание при измерении фактической частоты акустических циклов приводит к неверным расчетам из-за реальных гидравлических циклов, которые могут находиться в диапазоне 1–1000 МГц и выше. Инструментальные системы наиболее информативны, когда полоса пропускания циклов в 10–100 раз превышает фактически измеренные циклы. Соответствующие затраты на оборудование также возрастают в 10–100 раз. Большинство движущихся гидромеханических компонентов работают в диапазоне 0–50 Гц, однако наличие пузырьков газа, приводящее к образованию пены в гидравлической жидкости, может вызывать реальные гидравлические циклы, превышающие 1000 МГц, даже если движущиеся механические компоненты не работают на более высокой частоте.