Піна. 
Класифікація. 
Основні характеристики та властивості пін

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України Національний авіаційний університет

Інститут екологічної безпеки Кафедра хімії і хімічної технології

ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ з курсу: «Поверхнево-активні речовини в нафтогазових технологіях»

на тему:

ПІНА. КЛАСИФІКАЦІЯ. ОСНОВНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТА ВЛАСТИВОСТІ ПІН Київ 2012

ЗМІСТ

1. Піни

2. Класифікація пін

3. Основні характеристики пін

3.1 Кратність піни

3.2 Дисперсність піни

3.3 Стійкість у часі

4. Властивості пін

4.1 Структурно-механічні властивості

4.2 Електрична провідність піни

4.2 Оптичні властивості пін Висновки Список використаної літератури

1. Піни

Піни — це грубодисперсні висококонцентровані системи, в яких дисперсною фазою є бульбашки газу, а дисперсійним середовищем — рідина у вигляді тонких плівок.

Піни, на відміну від інших дисперсних систем, склад яких визначається концентрацією дисперсної фази, характеризуються змістом дисперсійного середовища.

Піни є вкрай нестійкими дисперсними системами, так як щільність рідини в сотні і навіть тисячі разів перевищує щільність газу, з якого формуються бульбашки піни. Піни вважаються грубодисперсними системами: в момент піноутворення неозброєним оком видні пухирці піни. Маса і об'єм газової дисперсної фази непостійні і швидко змінюються, розміри бульбашок сильно різняться, тому піни можна вважати полідисперсними системами. Піни є типовими ліофобними дисперсними системами.

Піни як дисперсні системи мають свої особливості, які визначаються властивостями дисперсної фази, дисперсійного середовища і межі розділу фаз між ними такими як: зміна енергії Гіббса, міжфазний поверхневий натяг, форма бульбашок (сферична, поліедрична).

Структура пін визначається співвідношенням об'ємів газової і рідкої фаз і в залежності від цього співвідношення комірки піни можуть мати сферичну або багатогранну (поліедричну) форму. Перехідна форма комірок від сферичної до багатогранної названа Манегольдом комірковою завдяки схожості зі структурою бджолиних сотів. Комірки піни приймають сферичну форму в тому випадку, якщо об'єм газової фази перевищує об'єм рідини не більше ніж в 10−20 разів. У таких пінах плівки бульбашок мають відносно велику товщину. Чим більше відношення об'ємів газової і рідкої фаз, тим товщина плівки більша. Комірки пін, у яких це відношення складає декілька десятків і навіть сотень, розділені дуже тонкими рідкими плівками; їх комірки являють собою багатогранники. В процесі старіння куляста форма бульбашок піни перетворюється в багатогранну внаслідок стоншення плівок. Зміна форми бульбашок піни від кулястої до багатогранної легко спостерігати у бюретці, яка містить спінену рідину.

Стан піни з багатогранними комірками близький до рівноважного, тому такі піни володіють більшою стійкістю, ніж піни з кулястими комірками.

За даними Плато багатогранна структура пін описується двома геометричними правилами.

1. В кожному ребрі багатогранника сходяться три плівки, кути між якими рівні і складають 120°. Місця стиків плівок (ребра багатогранників) характеризуються частуваннями, які утворюють у поперечному перерізі трикутник (рис. 1.1). Ці частування названі каналами Плато або Гіббса. Вони являють собою взаємопов'язану систему і пронизують всю структуру піни. Аналогічною є система каналів, які утворені плоскими (або викривленими) плівками, площа перерізу яких менша, ніж каналів Плато. Ці канали складаються з двох адсорбційних шарів молекул ПАР і прошарків розчину між ними.

2. В одній точці сходяться чотири канали Плато, утворюючи однакові кути в 109°28м.

Рис 1.1 Поперечний переріз канала Плато: 1 — плівки рідини, 2 — канал Багатогранну структуру бульбашок піни вивчали шляхом отримання одиночних бульбашок при вдуванні в розчин ПАР визначеного об'єму повітря. Число граней у бульбашках змінювалось від 12 до 15 граней. Форма граней в основному була п’ятикутною, хоча зустрічались квадратні, шестиі семикутні грані.

Якісне вивчення перегрупування багогранних бульбашок у піні показало, що у процесі руйнування піни внаслідок газової дифузії бульбашки послідовно приймають форму паралелепіпеда, трикутної призми і тетраедра незалежно від першочергової структури. На останній стадії (тетраедр) відбувається перевтілення об'ємної фігури у «вузол» (місце стиків каналів Плато).

Поверхня граней комірок піни може бути плоскою тільки у випадку п’ятикутних багатогранників.

2. Класифікація пін

Вище зазначалося, що піни зазвичай є порівняно грубодисперсними висококонцентрованими системами. Об'ємний вміст дисперсійного середовища зазвичай характеризують кратністю піни в, тобто відношенням об'єму піни до об'єму дисперсійного середовища. Розрізняють:

— низькократні піни (в від 3 до декількох десятків),

— і високократні (в до декількох тисяч).

Малостійкі (динамічні) піни існують лише при безперервному змішуванні газу з піноутворюючим розчином в присутності піноутворювачів 1-го роду (по класифікації пін А. Ребіндера), наприклад нижчих спиртів і органічніх кислот. Після припинення подачі газу такі піни швидко руйнуються.

Високостабільні піни можуть існувати протягом безлічі хвилин і навіть годин. До піноутворювачів 2-го роду, що дають високостабільні піни, відносять мила і синтетичні ПАР.

Для пін, особливо високократних, характерна комірчаста плівково-каналова структура, в якій заповнені газом комірки розділені тонкими плівками (рис. 1.2).

Рис. 1.2 Схематичне зображення структури пін з високою кратністю

3. Основні характеристики пін

Для оцінки властивостей піни, а значить, її придатності для тих чи інших цілей існує багато загальних і спеціальних характеристик. Основні показники:

ь кратність піни;

ь дисперсність піни;

ь стійкість у часі.

3.1 Кратність піни Кратність піни в, представляє собою відношення об'єму піни V_п до об'єму розчину V_р, який пішов на її утворення:

в = V_п / V_р = (V_г + V_р) / V_р,

де V_г — об'єм газу в піні.

Кратність піни збільшується із зростанням розмірів комірок і збільшенням їх числа, а отже, зі зменшенням товщини стінок. Зменшення товщини стінок комірок піни можливо тільки до певної межі, яка визначається рівновагою між тиском газу всередині комірки і міцністю плівки, що утворює стінки осередку. Якщо — тиск газу перевищує межу міцності плівки рідини, що утворює стінки комірок, то відбувається розрив стінок і зникнення піни. Якщо швидкість зникнення піни і швидкість спінювання рівні, піна досягає максимальної кратності, обсяг її не збільшується і при подальшому перемішуванні.

3.2 Дисперсність піни Для оцінки дисперсності піни використовують:

* середній радіус бульбашки — радіус сфери, еквівалентної за об'ємом бульбашки поліедричної піни;

* максимальна відстань між протилежними «стінками» бульбашки (умовний діаметр);

* питома поверхня розділу «рідина-газ» .

Зазвичай розміри бульбашок піни, яка утворилася мають широкий діапазон — від сотих часток міліметра до декількох сантиметрів. Лише в особливих випадках можна отримати монодисперсну піну, використовуючи спеціальні пристрої. Тому застосовувати середній діаметр бульбашок для оцінки дисперсності пін, особливо з комірками багатогранної форми, не досить правильно.

На дисперсність пін суттєвий вплив надають фізико-хімічні властивості розчину (поверхневий натяг, в’язкість, концентрація ПАР та ін.), спосіб змішування фаз, конструкція генератора піни або технологічного апарату, а також режими ведення технологічного процесу.

Найбільш ймовірний діаметр бульбашок піни в незначній мірі збільшується зі зменшенням концентрації ПАР. Це пов’язано зі зміною фізико-хімічних властивостей розчину, головним чином зі зміною його поверхневого натягу.

Від дисперсності піни залежить швидкість багатьох технологічних процесів в мікробіологічній та хімічній промисловості, ефективність гасіння пожеж, якість спіненої пластмаси, смак морозива і цукерок. Тому визначення дисперсності є обов’язковим майже для всіх виробництв, що використовують піни.

Існують такі методи визначення дисперсності пін.

Мікрофотографування піни — метод прямого визначення розмірів бульбашок. Фотозйомку ведуть у відбитому або прохідному світлі при збільшенні у 10−100 разів. Піни, в яких розмір бульбашок швидко змінюється, попередньо заморожують рідким киснем або азотом.

Визначення дисперсності піни по електропровідності. Вимірюють електричний опір циліндричного стовпа однорідної піни, укладеного між двома пористими пластинками.

Визначення дисперсності піни шляхом вимірювання її питомої поверхні. Питома поверхня — це площа поверхні бульбашок в 1 або в 1 г піномаси. Її визначення засноване на вимірюванні різних параметрів піни.

3.3 Стійкість у часі

Стабільність (стійкість) піни — її здатність зберігати загальний об'єм, дисперсність і перешкоджати витіканню рідини (синерезису). Часто в якості міри стабільності використовують час існування («життя») виділеного елемента піни (окремої бульбашки або плівки) або певного об'єму піни.

Стійкість пін залежить від природи і концентрації піноутворювача. З часом плівки, між бульбашками піни стають тоншими внаслідок стікання рідини, бульбашки лопаються, піна руйнується і, нарешті, замість піни залишається одна рідка фаза — розчин піноутворювача у воді або іншої рідини.

Стійкість піни зростає зі зменшенням розміру комірки й збільшенням товщини і міцності плівки полімеру, що утворює комірку. Зі збільшенням ступеня спінювання і, отже, зменшенням розрахункової щільності пінопласту стійкість піни зменшується. Тиск газу всередині комірки повинен бути меншим руйнуючого, значення якого різні для різних композицій.

Стійкість піни залежить:

1) від характеру полярної групи;

2) від довжини вуглеводневого (неполярного) радикала;

3) від швидкості стікання (під впливом сили тяжіння) того шару рідини, який укладено між двома поверхневими адсорбційними шарами сусідніх бульбашок піни;

4) від швидкості відновлення рівноваги, порушеного в поверхневих адсорбційних шарах.

Така характеристика піни, як її стійкість дуже відносна, так як час життя окремої бульбашки газу може значно відрізнятися від часу життя його в піні.

піна дисперсійний механічний оптичний

4. Властивості пін

4.1 Структурно-механічні (реологічні) властивості

У залежності від рідин піни мають особливості, які дозволяють розглядати їх як структуровані системи, які володіють властивостями твердих тіл. Зовні це проявляється в здатності піни зберігати певний час свою початкову форму.

До найбільш важливих реологічних характеристик піни відносяться максимальну напругу зсуву і в’язкість, оскільки течія піни — складова частина багатьох процесів при одержанні та застосуванні пін (підземне пожежогасіння, отримання спінених полімерних матеріалів і замороженої піни, пиловловлювання і т.д.).

Максимальна напруга зсуву. Її часто виражають через жорсткість, яка характеризує здатність піни сприймати певні механічні навантаження, наприклад, тиск вищерозміщеного стовпа піни без деформації, тобто зміни об'єму або форми. Піни володіють деякою жорсткістю, навіть якщо їх плівки рідкі. Це пояснюється тим, що стан рівноваги відповідає мінімальній поверхневій енергії, а будь-яка деформація збільшує цю енергію, тобто вимагає зовнішньої роботи.

Реологічні властивості пін мають не тільки чисто теоретичне значення. Вони цікавлять і практиків, які зокрема займаються питаннями розробки складів в аерозольних упаковках. Піни, які характеризуються напругою зсуву, залежать від розміру бульбашок: піни з меншими розмірами бульбашок при однаковому складі і концентрації пропелента (речовина, яка слугую для витіснення вмісту упаковки) володіють більшою структурно-механічною міцністю пін.

В’язкість піни. В’язкість — це реологічна характеристика, знання якої дозволяють визначати умови перекачування піни по трубах, розтікаємість пінної маси по поверхні (наприклад, при гасінні пожежі), здатність до вільного стікання з отворів. Значення структурної (ефективної) в’язкості, які одержані різними дослідниками, змінюються в широкому інтервалі залежно від кратності і дисперсності пін і від напруги зсуву (швидкостей течії). За даними Венцеля, в’язкість пін кратністю 100−400 змінювалася від 0,7 до 2,0 Па· с при малих напругах зсуву і від 0,07 до 0,2 при великих напругах зсуву.

У процесі старіння пін в’язкість їх спочатку збільшується, а потім в залежності від типу ПАР може залишатися постійною або зменшуватися. Зазвичай в’язкість піни мила залишається постійною, а піни із розчинів синтетичних детергентів (алкілсульфонатів натрію) — зменшується. Це узгодиться з даними про підвищену міцність тонких плівок піни в порівнянні з плівками відносно товстими, оскільки при старінні пін товщина їхніх плівок зменшується.

Існує певне співвідношення між структурно-механічними властивостями піни, витіканням з неї рідини і характером в’язкості поверхневих шарів. Високою в’язкість володіють піни, які мають меншу швидкість стікання рідини і високу в’язкість адсорбційних шарів.

4.2 Електрична провідність піни Електропровідність комірчастих пін пропорційна кількості рідини, яка в ній міститься. Експериментально доведено, що відношення електропровідності рідини до електропровідності піни лінійно зв’язано з відношенням їх щільностей. Дана залежність була встановлена для пін, які були приготовлені на основі п’яти різних ПАР.

Електропровідність пін по Манегольду визначається рівнянням:

(4.1)

де л_П і л_ПЛ — питома електропровідність піни і окремої плівки відповідно.

Якщо прийняти л_ПЛ = л₀, де л₀ — питома електропровідність між плівкової рідини, отримаємо:

(4.2)

Рівняння (4.2) використовується для визначення кратності пін по електропровідності.

4.3 Оптичні властивості пін При проходженні світлового променю через шари піни інтенсивність його зменшується внаслідок багатократного відображення, заломлення і поглинання стінками бульбашок. Однією із причин розсіювання світла пінами є повне внутрішнє відображення. Експериментально встановлено, що співвідношення між питомою поверхнею пін і ступенем ослаблення світла, вираженого у вигляді відношення падаючого світла і того що пройшов, для деяких пін являє лінійну залежність. Цей факт використовують для швидкого визначення питомої поверхні розділу у пінах, наприклад, у процесах їх старіння. Окрім того, метод світлового послаблення пінами виявляється корисним при дослідженні пін, які швидко руйнуються, для виготовлення яких в розчин попередньо уводять піноруйнівні речовини.

ВИСНОВКИ

Піни — це грубодисперсні висококонцентровані системи, в яких дисперсною фазою є бульбашки газу, а дисперсійним середовищем — рідина у вигляді тонких плівок. Концентрація бульбашок газу повинна бути більше 74% (об'ємних).

Класифікація пін часто ґрунтується на їх кратності: якщо кратність піни менше 10 — піни називають рідкими, якщо — сухими.

Основними характеристиками пін є: кратність, дисперсність, стійкість у часі.

У пінах бульбашки газу притиснуті один до одного тонким прошарком дисперсійного середовища — пінними плівками. Система знаходиться в стійкій рівновазі, коли контакт здійснюється між трьома бульбашками. Плівки рідини між цими бульбашками утворюють трикутник Плато, кути між плівками приблизно 120°. У місцях, де стикаються плівки, утворюються потовщення, які звуться каналами.

Піни є типовими ліофобними системами. Термодинамічно вони не стійкі. У них протікають наступні процеси, що ведуть до зміни будови і поступового руйнування піни.

1. Дифузійний перенос газу з дрібних бульбашок у більші із поверхневих пухирців у зовнішнє середовище. У цьому виявляється агрегативна нестійкість.

2. Набрякання дисперсійного середовища під дією сили тяжіння. У цьому полягає седиментаційна нестійкість пін.

3. Зазначені процеси ведуть до стоншення пінних плівок і їх поступового руйнування.

Стійкими піни виходять тільки в присутності спеціальних речовин — піноутворювачів. В якості піноутворювачів зазвичай використовуються:

* колоїдні ПАР;

* ВМС.

Адсорбційні шари, утворені цими речовинами, стабілізують пінні плівки, сповільнюючи витікання з них рідини.

Основні властивості піни:

* структурно-механічні (максимальна напруга зсуву і в’язкість);

* оптичні (розсіювання і поглинання світла);

* електрична провідність.

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1. http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/3233.html

2. http://trotted.narod.ru/collchem/lec-14.htm#

3. Перепелкин К. E., Матвеев В. С. Газовые эмульсии. — Л. 1979.

4. Тихомиров В. К., Пены. Теория и практика их получения и разрушения, изд. — M. 1983.

5. Кругляков П. M, Ексерова Д. Р. Пены и пенные пленки. — M. 1990.

6. Гельфман М. И., Ковалевич О. В., Юстратов В. П. Коллоидная химия (СПб. и др.: Лань, 2003. — 332 с.).

7. Егоров И. А. Исследования в области разработки технологии производства пенных аэрозолей. — Харьков, 1977.