Мыло

Форма материи

Мыльные пузыри из пены

Чистящая губка

Верх пенистого напитка

Пены — это материалы , образующиеся путем улавливания карманов газа в жидкости или твердом теле . ^{[1] [2] [3]}

Губка для ванны и голова на стакане пива — примеры пены. В большинстве пен объем газа велик, а области газа разделены тонкими пленками жидкости или твердого вещества. Мыльная пена также известна как пена .

Твердые пенопласты могут быть с закрытыми или открытыми порами . В пенопласте с закрытыми порами газ образует отдельные карманы, каждый из которых полностью окружен твердым материалом. В пенопласте с открытыми порами газовые карманы соединяются друг с другом. Губка для ванны является примером пены с открытыми порами: вода легко проходит через всю структуру, вытесняя воздух. Спальный коврик является примером пенопласта с закрытыми порами: газовые карманы изолированы друг от друга, поэтому коврик не может впитывать воду.

Пены являются примерами дисперсных сред . В общем, газ присутствует, поэтому он разделяется на газовые пузырьки разных размеров (т. е. материал является полидисперсным ), разделенных жидкостными областями, которые могут образовывать пленки, все более тонкие и тонкие, когда жидкая фаза вытекает из системных пленок . ^[4] Когда основной масштаб мал, т. е. для очень мелкой пены, эту дисперсную среду можно считать разновидностью коллоида .

Пена также может относиться к чему-то аналогичному пене, например, к квантовой пене .

Состав

Пена во многих случаях представляет собой многоуровневую систему.

Порядок и беспорядок пузырьков в поверхностной пене.

Один масштаб — это пузырь: пенопласт обычно неупорядочен и имеет пузырьки разных размеров. При больших размерах изучение идеализированных пен тесно связано с математическими проблемами минимальных поверхностей и трехмерных мозаик , также называемых сотами . Структура Вейра -Фелана считается наилучшей возможной (оптимальной) элементарной ячейкой идеально упорядоченной пены ^[5] , а законы Плато описывают, как мыльные пленки образуют структуры в пенах.

В более низком масштабе, чем пузырь, находится толщина пленки метастабильных пен, которую можно рассматривать как сеть взаимосвязанных пленок, называемых ламелями . В идеале ламели соединяются в триады и расходятся на 120° наружу от точек соединения, известных как границы плато .

Еще меньшим масштабом является граница раздела жидкость–воздух на поверхности пленки. Большую часть времени этот интерфейс стабилизируется слоем амфифильной структуры, часто состоящим из поверхностно-активных веществ , частиц ( эмульсия Пикеринга ) или более сложных ассоциаций.

Механические свойства твердых пенопластов

Твердые пенопласты, как с открытыми, так и с закрытыми порами, считаются подклассом ячеистых структур. Они часто имеют меньшую узловую связность ^{[ жаргон ]} по сравнению с другими ячеистыми структурами, такими как соты и ферменные решетки, и, таким образом, в механизме их разрушения преобладает изгиб элементов. Низкая узловая связность и возникающий в результате механизм разрушения в конечном итоге приводят к их меньшей механической прочности и жесткости по сравнению с сотами и ферменными решетками. ^{[6] [7]}

На прочность пенопластов могут влиять плотность, используемый материал и расположение ячеистой структуры (открытая или закрытая, а также изотропия пор). Для характеристики механических свойств пенопластов используются кривые растяжения-деформации сжатия для измерения их прочности и способности поглощать энергию, поскольку это важный фактор в технологиях на основе пенопласта.

Эластомерная пена

Для эластомерных ячеистых твердых веществ, когда пена сжимается, сначала она ведет себя упруго, поскольку стенки ячеек изгибаются, затем, когда стенки ячеек изгибаются, происходит деформация и разрушение материала, пока, наконец, стенки ячеек не сомкнутся и материал не разорвется. ^[8] Это видно на кривой напряжения-деформации как крутой линейно-упругий режим, линейный режим с пологим наклоном после текучести (плато-напряжение) и экспоненциально возрастающий режим. Жесткость материала можно рассчитать из линейно-упругого режима ^[9] , где модуль для пенопластов с открытыми порами можно определить по уравнению:

Схематическая кривая растяжения-деформации эластомерной пены, демонстрирующая три области: линейная упругость, коробление клеточной стенки и разрушение клеточной стенки. Площадь под указанной кривой представляет собой энергию на единицу объема, которую может поглотить пена.

${\displaystyle \left({\frac {E^{*}}{E_{s}}}\right)_{f}=C_{f}\left({\frac {\rho ^{*}}{\rho _{s}}}\right)^{2}}$

где – модуль твердого компонента, – модуль сотовой структуры, – константа, имеющая значение, близкое к единице, – плотность сотовой структуры, – плотность твердого тела. Модуль упругости пенопласта с закрытыми порами можно описать аналогичным образом: ${\displaystyle E_{s}}$ ${\displaystyle E^{*}}$ ${\displaystyle C_{f}}$ ${\displaystyle \rho ^{*}}$ ${\displaystyle \rho _{s}}$

${\displaystyle \left({\frac {E^{*}}{E_{s}}}\right)_{f}=C_{f}\left({\frac {\rho ^{*}}{\rho _{s}}}\right)^{3}}$

где единственной разницей является показатель степени зависимости плотности. Однако в реальных материалах пенопласт с закрытыми порами имеет больше материала по краям ячеек, что позволяет ему более точно соответствовать уравнению пенопласта с открытыми порами. ^[10] Соотношение плотности сотовой структуры по сравнению со сплошной структурой оказывает большое влияние на модуль модуля материала. В целом прочность пены увеличивается с увеличением плотности ячеек и жесткости материала матрицы.

Энергия деформации

Еще одним важным свойством, которое можно вывести из кривой напряжения-деформации, является энергия, которую пена способна поглотить. Площадь под кривой (указанная до быстрого уплотнения при пиковом напряжении) представляет собой энергию пены в единицах энергии на единицу объема. Максимальная энергия, запасенная пеной до разрушения, описывается уравнением: ^[8]

${\displaystyle {\frac {W_{max}}{E_{s}}}=0.05\left({\frac {\rho ^{*}}{\rho _{s}}}\right)^{2}\left[0.975-1.4\left({\frac {\rho ^{*}}{\rho _{s}}}\right)\right]}$

Это уравнение получено на основе предположения об идеализированной пене с использованием инженерных приближений, основанных на экспериментальных результатах. Наибольшее поглощение энергии происходит в области плато напряжений после крутого линейно-упругого режима.

Направленная зависимость

Изотропия ячеистой структуры и поглощение жидкостей также могут влиять на механические свойства пены. Если присутствует анизотропия, то реакция материала на напряжение будет зависеть от направления, и, таким образом, кривая растяжения-деформации, модуль упругости и поглощение энергии будут меняться в зависимости от направления приложенной силы. ^[11] Кроме того, структуры с открытыми порами, которые имеют соединенные поры, могут пропускать воду или другие жидкости через структуру, что также может повлиять на жесткость и способность поглощать энергию. ^[12]

Формирование

Для образования пены необходимо несколько условий: должна быть механическая работа, поверхностно-активные компоненты (ПАВ), снижающие поверхностное натяжение , и образование пены быстрее, чем ее разрушение. Для образования пены необходима работа (W) по увеличению площади поверхности (ΔА):

${\displaystyle W=\gamma \Delta A\,\!}$

где γ — поверхностное натяжение.

Одним из способов создания пены является дисперсия, при которой большое количество газа смешивается с жидкостью. Более конкретный метод диспергирования включает впрыскивание газа через отверстие в твердом теле в жидкость. Если этот процесс выполняется очень медленно, то из отверстия может вылетать по одному пузырю, как показано на рисунке ниже.

Одна из теорий определения времени разделения показана ниже; однако, хотя эта теория дает теоретические данные, которые соответствуют экспериментальным данным, отслоение из-за капиллярности считается лучшим объяснением.

Поднимающийся пузырь из отверстия

Под действием силы плавучести пузырь поднимается.

${\displaystyle F_{b}=Vg(\rho _{2}-\rho _{1})\!}$

где – объем пузырька, – ускорение свободного падения, ρ ₁ – плотность газа, ρ ₂ – плотность жидкости. Сила, действующая против силы плавучести, — это сила поверхностного натяжения , которая равна ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle g}$

${\displaystyle F_{s}=2r\pi \gamma \!}$,

где γ — поверхностное натяжение, — радиус отверстия. По мере того, как в пузырь попадает больше воздуха, плавучая сила растет быстрее, чем сила поверхностного натяжения. Таким образом, отрыв происходит, когда сила плавучести достаточно велика, чтобы преодолеть силу поверхностного натяжения. ${\displaystyle r}$

${\displaystyle Vg(\rho _{2}-\rho _{1})>2r\pi \gamma \!}$

Кроме того, если рассматривать пузырек как сферу с радиусом и подставить в приведенное выше уравнение объем , то разделение произойдет в тот момент, когда ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle V}$

${\displaystyle R^{3}={\frac {3r\gamma }{2g(\rho _{2}-\rho _{1})}}\!}$

Рассматривая это явление с точки зрения капиллярности для пузыря, формирующегося очень медленно, можно предположить, что давление внутри него везде постоянно. Гидростатическое давление в жидкости обозначается . Изменение давления на границе раздела газа и жидкости равно капиллярному давлению; следовательно, ${\displaystyle p}$ ${\displaystyle p_{0}}$

${\displaystyle p-p_{0}=\gamma \left({\frac {1}{R_{1}}}+{\frac {1}{R_{2}}}\right)\!}$

где R ₁ и R ₂ являются радиусами кривизны и принимаются положительными. В ножке пузыря R ₃ и R ₄ представляют собой радиусы кривизны, также считающиеся положительными. Здесь гидростатическое давление в жидкости должно учитывать z — расстояние от вершины до ножки пузыря. Новое гидростатическое давление на ножке пузыря равно p ₀ ( ρ ₁  −  ρ ₂ ) z . Гидростатическое давление уравновешивает капиллярное давление, которое показано ниже:

${\displaystyle p-p_{0}-(\rho _{2}-\rho _{1})gz=\gamma \left({\frac {1}{R_{3}}}+{\frac {1}{R_{4}}}\right)\!}$

Наконец, разница верхнего и нижнего давления равна изменению гидростатического давления:

${\displaystyle (\rho _{2}-\rho _{1})gz=\gamma \left({\frac {1}{R_{1}}}+{\frac {1}{R_{2}}}-{\frac {1}{R_{3}}}-{\frac {1}{R_{4}}}\right)\!}$

У ножки пузырь имеет почти цилиндрическую форму; следовательно, либо R ₃ , либо R ₄ велики, тогда как другой радиус кривизны мал. По мере увеличения длины ножки пузыря он становится все более нестабильным, поскольку один из радиусов увеличивается, а другой сжимается. В определенный момент вертикальная длина стержня превышает окружность стержня, и под действием сил плавучести пузырек отделяется, и процесс повторяется. ^[13]

Стабильность

Стабилизация

Стабилизация пены вызвана силами Ван-дер-Ваальса между молекулами пены, двойными электрическими слоями, создаваемыми диполярными поверхностно-активными веществами, и эффектом Марангони , который действует как восстанавливающая сила для ламелей.

Эффект Марангони зависит от загрязненности пенящейся жидкости. Обычно поверхностно-активные вещества в растворе уменьшают поверхностное натяжение. Поверхностно-активные вещества также слипаются на поверхности и образуют слой, как показано ниже.

Чтобы возник эффект Марангони, на пенопласте должен быть отступ, как показано на первом рисунке. Это углубление увеличивает локальную площадь поверхности. Поверхностно-активные вещества имеют большее время диффузии, чем основная часть раствора, поэтому поверхностно-активные вещества менее сконцентрированы в отпечатке.

Кроме того, поверхностное растяжение приводит к тому, что поверхностное натяжение вдавленного места превышает поверхностное натяжение окружающей области. Следовательно, поскольку время диффузии поверхностно-активных веществ велико, успевает проявиться эффект Марангони. Разница в поверхностном натяжении создает градиент, который вызывает поток жидкости из областей с более низким поверхностным натяжением в области с более высоким поверхностным натяжением. На втором снимке пленка находится в равновесии после того, как произошел эффект Марангони. ^[14]

Затвердевание пены приводит к ее затвердеванию, что делает ее неопределенно стабильной при STP. ^[15]

Дестабилизация

Витольд Рыбчинский и Жак Адамар разработали уравнение для расчета скорости пузырьков, поднимающихся в пене, в предположении, что пузырьки имеют сферическую форму с радиусом . ${\displaystyle r}$

${\displaystyle u={\frac {2gr^{2}}{9\eta _{2}}}(\rho _{2}-\rho _{1})\left({\frac {3\eta _{1}+3\eta _{2}}{3\eta _{1}+2\eta _{2}}}\right)\!}$

со скоростью в сантиметрах в секунду. ρ ₁ и ρ ₂ — плотности газа и жидкости соответственно в единицах г/см ³ и ῃ ₁ и ῃ ₂ — динамическая вязкость газа и жидкости соответственно в единицах г/см·с и g — ускорение силы тяжести в см/с ² .

Однако, поскольку плотность и вязкость жидкости намного больше, чем у газа, плотностью и вязкостью газа можно пренебречь, что дает новое уравнение для скорости подъема пузырьков:

${\displaystyle u={\frac {gr^{2}}{3\eta _{2}}}(\rho _{2})\!}$

Однако эксперименты показали, что более точная модель подъема пузырьков выглядит следующим образом:

${\displaystyle u={\frac {2gr^{2}}{9\eta _{2}}}(\rho _{2}-\rho _{1})\!}$

Отклонения обусловлены эффектом Марангони и капиллярным давлением, которые влияют на предположение о сферической форме пузырьков. Для давления Лапласа изогнутой границы раздела газ-жидкость двумя основными радиусами кривизны в точке являются R ₁ и R ₂ . ^[16] При изогнутом интерфейсе давление в одной фазе превышает давление в другой фазе. Капиллярное давление P _c определяется уравнением:

${\displaystyle P_{c}=\gamma \left({\frac {1}{R_{1}}}+{\frac {1}{R_{2}}}\right)\!}$,

где поверхностное натяжение. Пузырь, показанный ниже, представляет собой газ (фаза 1) в жидкости (фаза 2), и точка A обозначает верхнюю часть пузыря, а точка B — нижнюю часть пузыря. ${\displaystyle \gamma }$

Пузырь для гидростатического давления

В вершине пузырька в точке А давление в жидкости предполагается равным p ₀ так же, как и в газе. На дне пузырька в точке В гидростатическое давление равно:

${\displaystyle P_{B},1=p_{0}+g\rho _{1}z\!}$

${\displaystyle P_{B},2=p_{0}+g\rho _{2}z\!}$

где ρ ₁ и ρ ₂ — плотность газа и жидкости соответственно. Разница гидростатического давления на вершине пузырька равна 0, а разница гидростатического давления на дне пузырька на границе раздела равна gz ( ρ ₂  −  ρ ₁ ). _{Предполагая, что радиусы кривизны в точке A} равны и обозначаются RA, а радиусы кривизны в точке B равны и обозначаются RB _, то разница капиллярного давления между точкой A и точкой B равна:

${\displaystyle P_{c}=2\gamma \left({\frac {1}{R_{A}}}-{\frac {1}{R_{B}}}\right)\!}$

В состоянии равновесия разница капиллярного давления должна уравновешиваться разницей гидростатического давления. Следовательно,

${\displaystyle gz(\rho _{2}-\rho _{1})=2\gamma \left({\frac {1}{R_{A}}}-{\frac {1}{R_{B}}}\right)\!}$

Поскольку плотность газа меньше плотности жидкости, левая часть уравнения всегда положительна. Следовательно, инверсия RA _должна быть больше, чем _RB . Это означает, что от верха пузыря к низу радиус кривизны увеличивается. Следовательно, без пренебрежения гравитацией пузыри не могут быть сферическими. Кроме того, по мере увеличения z это также вызывает разницу в R _A и R _B , что означает, что чем больше размер пузыря, тем больше он отклоняется от своей формы. ^[13]

Дестабилизация пены происходит по нескольким причинам. Во-первых, гравитация вызывает дренаж жидкости к пенопластовой основе, что Рыбчинский и Хадамар включают в свою теорию; однако пена также дестабилизируется из-за осмотического давления , вызывающего дренаж от ламелей к границам Плато из-за внутренних различий концентраций в пене, а давление Лапласа вызывает диффузию газа от мелких пузырьков к большим из-за разницы давлений. Кроме того, пленки могут разрушаться под расклинивающим давлением . Эти эффекты могут приводить к перестройке структуры пены в масштабах, превышающих размеры пузырьков, которая может быть индивидуальной ( процесс Т1 ) или коллективной (даже типа «лавины»).

Эксперименты и характеристики

Будучи многомасштабной системой, включающей множество явлений и универсальной средой, пену можно изучать с использованием множества различных методов. Учитывая различные масштабы, экспериментальные методы являются дифракционными, в основном методами светорассеяния ( DWS , см. ниже, статическое и динамическое светорассеяние, рентгеновское и нейтронное рассеяние) в субмикрометровых масштабах или микроскопических. Учитывая, что система непрерывна, ее объемные свойства можно охарактеризовать не только коэффициентом пропускания света, но и кондуктометрией. Взаимосвязь между структурой и объемом более точно подтверждается, в частности, акустикой. Организация между пузырьками изучалась численно с использованием последовательных попыток эволюции минимальной поверхностной энергии либо случайным (модель Потта), либо детерминированным способом (поверхностный эволютор). Эволюцию во времени (т. е. динамику) можно смоделировать с помощью этих моделей или модели пузырьков (Дуриан), которая учитывает движение отдельных пузырьков.

Наблюдения за мелкомасштабной структурой можно проводить, освещая пену лазерным светом или рентгеновскими лучами и измеряя отражательную способность пленок между пузырьками. Наблюдения за глобальной структурой можно проводить с помощью рассеяния нейтронов.

Отражение излучения пеной

Принцип измерения многократного рассеяния света в сочетании с вертикальным сканированием

Типичный оптический метод светорассеяния (или диффузии), многократное рассеяние света в сочетании с вертикальным сканированием, является наиболее широко используемым методом для мониторинга состояния дисперсии продукта, следовательно, для выявления и количественной оценки явлений дестабилизации. ^{[17] [18] [19] [20]} Работает на любых концентрированных дисперсиях без разбавления, включая пены. Когда свет проходит через образец, он рассеивается пузырьками. Интенсивность обратного рассеяния прямо пропорциональна размеру и объемной доле дисперсной фазы. Таким образом, выявляются и контролируются локальные изменения концентрации (дренаж, синерезис ) и глобальные изменения размера (созревание, коалесценция).

Приложения

Жидкие пены

Жидкие пены можно использовать в огнезащитных пенах , например тех, которые используются при тушении пожаров, особенно нефтяных пожаров .

В некотором смысле дрожжевой хлеб представляет собой пену, поскольку дрожжи заставляют хлеб подниматься, образуя в тесте крошечные пузырьки газа. Под тестом традиционно понимают пену с закрытыми порами, в которой поры не соединяются друг с другом. Разрезание теста выделяет газ из разрезанных пузырьков, но газ из остальной части теста не может выйти. Когда тесту дают подняться слишком сильно, оно превращается в пену с открытыми порами, в которой газовые карманы соединены между собой. Если разрезать тесто или поверхность, которая в противном случае сломается, это приведет к выходу большого объема газа, и тесто разрушится. Открытую структуру поднявшегося теста легко заметить: тесто состоит не из отдельных пузырьков газа, а из газового пространства, заполненного нитями мучно-водного теста. Недавние исследования показали, что пористая структура хлеба на 99% соединена в одну большую вакуоль, таким образом, пена с закрытыми порами влажного теста превращается в твердую пену с открытыми порами в хлебе. ^[21]

Уникальное свойство газожидкостных пен иметь очень большую удельную поверхность используется в химических процессах пенной флотации и пенного фракционирования .

Твердые пены

Твердые пенопласты представляют собой класс легких ячеистых инженерных материалов. Эти пенопласты обычно делятся на два типа в зависимости от их пористой структуры: пенопласты с открытыми порами (также известные как сетчатые пенопласты ) и пенопласты с закрытыми порами. При достаточно высоком разрешении ячеек любой тип можно рассматривать как непрерывные или «континуальные» материалы и называть их ячеистыми твердыми телами ^[22] с предсказуемыми механическими свойствами.

Металлическая пена с открытыми порами

Пенопласт с открытыми порами можно использовать для фильтрации воздуха. Например, было показано, что пена с катализатором каталитически преобразует формальдегид в безвредные вещества, когда воздух, загрязненный формальдегидом, проходит через структуру с открытыми порами. ^[23]

Пенопласты с открытой ячеистой структурой содержат поры, которые соединены друг с другом и образуют взаимосвязанную сеть, которая является относительно мягкой. Пенопласты с открытыми порами наполняются любым газом, который их окружает. Если они заполнены воздухом, получается относительно хороший изолятор, но если открытые ячейки заполняются водой, изоляционные свойства ухудшаются. Недавние исследования сосредоточили внимание на изучении свойств пенопласта с открытыми порами как изоляционного материала. Были произведены биопены из пшеничного глютена/ТЭОС , демонстрирующие такие же изоляционные свойства, как и пены, полученные из ресурсов нефти. ^[24] Поролон — это разновидность пенопласта с открытыми порами.

Металлическая пена с закрытыми порами.

Пенопласты с закрытыми порами не имеют взаимосвязанных пор. Пенопласты с закрытыми порами обычно имеют более высокую прочность на сжатие благодаря своей структуре. Однако пенопласты с закрытыми порами, как правило, более плотные, требуют больше материала и, как следствие, более дороги в производстве. Закрытые ячейки могут быть заполнены специальным газом для обеспечения улучшенной изоляции. Пенопласты с закрытыми порами имеют более высокую стабильность размеров, низкие коэффициенты влагопоглощения и более высокую прочность по сравнению с пенопластами с открытыми порами. Все виды пенопласта широко используются в качестве заполнителя в композиционных материалах сэндвич-структуры .

Самое раннее известное техническое применение клеточных твердых веществ связано с древесиной, которая в сухом виде представляет собой пену с закрытыми порами, состоящую из лигнина, целлюлозы и воздуха. С начала 20 века стали использоваться различные типы специально изготовленных твердых пенопластов. Низкая плотность этих пен делает их превосходными теплоизоляторами и плавучими устройствами, а их легкость и сжимаемость делают их идеальными в качестве упаковочных материалов и набивок.

Пример использования азодикарбонамида ^[25] в качестве вспенивателя можно найти в производстве пенопластов винила (ПВХ) и ЭВА-ПЭ , где он играет роль в образовании пузырьков воздуха за счет распада на газ при высокой температуре. ^{[26] [27] [28]}

Случайная или «стохастическая» геометрия этих пен также делает их пригодными для поглощения энергии. В конце 20-го - начале 21-го века новые технологии производства позволили создать геометрию, обеспечивающую превосходную прочность и жесткость на вес. Эти новые материалы обычно называют инженерными ячеистыми твердыми телами. ^[22]

Синтаксическая пена

Особый класс пенопластов с закрытыми порами, известный как синтаксическая пена, содержит полые частицы, внедренные в матричный материал. Сферы могут быть изготовлены из нескольких материалов, включая стекло, керамику и полимеры . Преимущество синтаксических пенопластов заключается в том, что они имеют очень высокое соотношение прочности к весу, что делает их идеальными материалами для многих применений, включая глубоководные и космические применения. В одном конкретном синтаксическом пенопласте в качестве матрицы используется полимер с памятью формы , что позволяет пене приобретать характеристики смол с памятью формы и композиционных материалов ; т.е. он обладает способностью многократно изменять форму при нагревании выше определенной температуры и охлаждении. Пенопласты с памятью формы имеют множество возможных применений, таких как динамическая структурная поддержка, гибкая пенопластовая сердцевина и расширяемый пенопласт.

Интегральная пена для кожи

Интегральная пена для кожи , также известная как пена для собственной кожи , представляет собой тип пены с оболочкой высокой плотности и сердцевиной низкой плотности. Его можно формовать методом открытой или закрытой формы . В процессе открытой формы два реактивных компонента смешиваются и выливаются в открытую форму. Затем форму закрывают и дают смеси расшириться и затвердеть. Примеры изделий, произведенных с использованием этого процесса, включают подлокотники , детские сиденья , подошвы для обуви и матрасы . Процесс закрытой формы, более известный как реакционное литье под давлением (RIM), предполагает впрыскивание смешанных компонентов в закрытую форму под высоким давлением. ^[29]

Пеногаситель

Пена, в данном случае означающая «пузырчатая жидкость», также образуется как часто нежелательный побочный продукт при производстве различных веществ. Например, пена является серьезной проблемой в химической промышленности , особенно в биохимических процессах. Многие биологические вещества, например белки , легко образуют пену при перемешивании или аэрации . Пена представляет собой проблему, поскольку она изменяет поток жидкости и блокирует перенос кислорода из воздуха (тем самым предотвращая микробное дыхание в процессах аэробной ферментации ). По этой причине для предотвращения этих проблем добавляются пеногасители , такие как силиконовые масла. Химические методы контроля пенообразования не всегда желательны из-за проблем (например, загрязнения , уменьшения массопереноса ), которые они могут вызвать, особенно в пищевой и фармацевтической промышленности, где качество продукции имеет большое значение. Механические методы предотвращения пенообразования встречаются чаще, чем химические.

Скорость звука

Акустические свойства скорости звука в пене представляют интерес при анализе отказов гидравлических компонентов. Анализ включает в себя расчет общего количества гидравлических циклов до усталостного разрушения. Скорость звука в пене определяется механическими свойствами образующего пену газа: кислорода, азота или их комбинаций.

Предположение, что скорость звука основана на свойствах жидкости, приводит к ошибкам в расчете циклов усталости и выходу из строя механических гидравлических компонентов. Использование акустических преобразователей и сопутствующих приборов, которые устанавливают низкие пределы (0–50 000 Гц со спадом), приводит к ошибкам. Низкий спад при измерении фактической частоты акустических циклов приводит к ошибкам в расчетах из-за реальных гидравлических циклов в возможных диапазонах 1–1000 МГц и выше. Системы контрольно-измерительных приборов наиболее показательны, когда ширина полосы цикла превышает фактически измеренные циклы в 10–100 раз. Соответствующие затраты на оборудование также увеличиваются в 10–100 раз.

Большинство движущихся гидромеханических компонентов работают с частотой 0–50 Гц, но пузырьки газа, приводящие к пенистому состоянию соответствующей гидравлической жидкости , приводят к фактическим гидравлическим циклам, которые могут превышать 1000 МГц, даже если движущиеся механические компоненты не работают с более высоким циклом. частота.

Галерея

• 
  Крупный план морской пены ( разлагающегося планктона ) в приливном бассейне
• 
  Пеноалюминий _
• 
  Микрофотография пены закалки (памяти)
• 
  Проникающее уплотнение из силиконовой пены
• 
  Диетическая кола и пена Mentos «Гейзер»
• 
  Промышленная компьютерная томография пенопластового шарика
• 
  Амортизация из пенополистирола

Весы и свойства пены

Смотрите также

• Сэндвич из алюминиевой пены
• Баллистическая пена
• Хаотический пузырь
• Пеностекло
• Металлическая пена
• Нанопена
• Морская пена
• Реверсивно собираемые ячеистые композиционные материалы
• Пенная вечеринка
• Мягкая материя

Рекомендации

1. «Пена». Мерриам-Вебстер . Архивировано из оригинала 9 декабря 2014 г.
2. Д. Вейре, С. Хатцлер, «Физика пен», Oxford University Press, 1999, ISBN 0198510977 , ISBN 978-0-1985-1097-0  
3. И. Кантат , С. Коэн-Аддад, Ф. Элиас, Ф. Гранер, Р. Хёлер, О. Питуа, Ф. Руйер, А. Сен-Жальмс, «Пены: структура и динамика», Oxford University Press, изд. . С. Дж. Кокс, 2013 г., ISBN 9780199662890. 
4. Лукассен, Дж. (1981). Лукассен-Рейндерс, Э.Х. (ред.). Анионные ПАВ – Физическая химия действия ПАВ . Нью-Йорк, США: Марсель Деккер.
5. Морган, Ф. (2008). «Существование разделов наименьшего периметра». Письма философского журнала . 88 (9–10): 647–650. arXiv : 0711.4228 . дои : 10.1080/09500830801992849.
6. Queheillat, Дуглас Т.; Уодли, Гайдн Н.Г. (январь 2005 г.). «Ячеистые металлические решетки с полыми фермами». Акта Материалия . 53 (2): 303–313. Бибкод : 2005AcMat..53..303Q. doi :10.1016/j.actamat.2004.09.024.
7. Куистра, Грегори В.; Дешпанде, Викрам С.; Уодли, Гайдн Н.Г. (август 2004 г.). «Сжимающее поведение упрочняемых возрастом ферменных конструкций тетраэдрической решетки из алюминия». Акта Материалия . 52 (14): 4229–4237. Бибкод : 2004AcMat..52.4229K. doi :10.1016/j.actamat.2004.05.039. S2CID  13958881.
8. Кортни, Томас Х. (2005). Механическое поведение материалов . Waveland Press, Inc., стр. 686–713. ISBN 1-57766-425-6.
9. М. Лю и др. Многомасштабное моделирование эффективных упругих свойств пористых материалов, наполненных жидкостью. Международный журнал твердых тел и конструкций (2019) 162, 36-44.
10. Эшби, МФ (1983). «Механические свойства клеточных твердых тел». Металлургические операции . 14А : 1755–1769.
11. Ли, Пей; Го, Ю.Б.; Шим, VPW (2020). «Чувствительная к скорости конститутивная модель для анизотропных пористых материалов - применение к трансверсально-изотропному пенополиуретану». Международный журнал твердых тел и структур . 206 : 43–58 – через Elsevier.
12. Ю, YJ; Хирон, К.; Уилсон, Т.С.; Мейтленд, диджей (2011). «Влияние влагопоглощения на физические свойства полиуретановых пенопластов с эффектом памяти формы». Умные материалы и конструкции . 20 .
13. Байкерман, Дж. Дж. «Формирование и структура» в Foams New York, Springer-Verlag, 1973. глава 2. сек. 24–25.
14. «Пена» (PDF) . Новости ИХК . Январь 2009 г. Архивировано из оригинала (PDF) 12 декабря 2013 г. Проверено 9 декабря 2013 г.
15. Стивенсон, Пол (3 января 2012 г.). Пенная инженерия: основы и приложения. ISBN 9781119961093.
16. Уилсон, А.Дж., «Принципы образования и стабильности пены». Пены: физика, химия и структура . Нью-Йорк, Springer-Verlag, 1989, глава 1.
17. И. Роланд, Г. Пиль, Л. Делаттр, Б. Эврар Международный фармацевтический журнал 263 (2003) 85–94
18. К. Лемаршан, П. Куврёр, М. Беснар, Д. Костантини, Р. Греф, Pharmaceutical Research, 20-8 (2003) 1284–1292.
19. О. Менгуаль, Г. Менье, И. Кайр, К. Пуэх, П. Снабре, Коллоиды и поверхности A: Физико-химические и инженерные аспекты 152 (1999) 111–123
20. П. Брю, Л. Брюнель, Х. Бюрон, И. Кайре, Х. Дюкарр, А. Фро, О. Менгуаль, Г. Менье, А. де Сент-Мари и П. Снабр Размер и характеристика частиц Эд Т. Провдер и Дж. Текстер (2004)
21. Ван, Шуо; Остин, Питер; Чакрабати-Белл, Сумана (2011). «Это лабиринт: пористая структура хлебных крошек». Журнал зерновых наук . 54 (2): 203–210. дои : 10.1016/j.jcs.2011.05.004.
22. Гибсон, Эшби (1999). Ячеистые твердые тела: структура и свойства . Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета. ISBN 9781316025420.
23. Кэрролл, Грегори Т.; Киршман, Дэвид Л. (23 января 2023 г.). «Установка каталитической хирургической фильтрации дыма снижает уровень формальдегида в условиях, моделирующих операционную». ACS Химическое здоровье и безопасность . 30 (1): 21–28. doi : 10.1021/acs.chas.2c00071. ISSN  1871-5532.
24. Ву, Цюн; Андерссон, Ричард Л.; Холгейт, Тим; Йоханссон, Ева; Гедде, Ульф В.; Олссон, Ричард Т.; Хеденквист, Микаэль С. (2014). «Высокопористые, огнестойкие и экологически чистые биопены на основе пшеничной клейковины и полимеризованного in situ кремнезема». Журнал химии материалов А. 2 (48). 20996–21009. дои : 10.1039/C4TA04787G .
25. Рейес-Лабарта, JA; Марсилла, А. (2008). «Кинетическое исследование разложений, связанных с термическим разложением коммерческого азодикарбонамида». Журнал прикладной науки о полимерах . 107 (1): 339–346. дои : 10.1002/app.26922. hdl : 10045/24682 .
26. Рейес-Лабарта, JA; Марсилла, А. (2012). «Термическая обработка и разложение сшитых пен этиленвинилацетат-полиэтилен-азодикарбонамид-ZnO. Полное кинетическое моделирование и анализ». Исследования в области промышленной и инженерной химии . 51 (28): 9515–9530. дои : 10.1021/ie3006935.
27. Рейес-Лабарта, JA; Марсилла, А. (2008). «Дифференциальная сканирующая калориметрия анализа термической обработки тройных смесей этиленвинилацетата, полиэтилена и азодикарбонамида». Журнал прикладной науки о полимерах . 110 (5): 3217–3224. дои : 10.1002/app.28802. hdl : 10045/13312 .
28. Рейес-Лабарта, JA; Олайя, ММ; Марсилла, А. (2006). «ДСК-исследование переходов при термической обработке пенообразующих смесей сополимера ПЭ и ЭВА с азодикарбонамидом». Журнал прикладной науки о полимерах . 102 (3): 2015–2025. дои : 10.1002/app.23969. hdl : 10045/24680 .
29. Асида, Канеоши (2006). Полиуретан и пены на его основе: химия и технология. ЦРК Пресс. стр. 79–81. ISBN 978-1-58716-159-9. Архивировано из оригинала 17 февраля 2017 г.

дальнейшее чтение

• Томас Хипке, Гюнтер Ланге, Рене Посс: Taschenbuch für Aluminiumschäume. Aluminium-Verlag, Дюссельдорф, 2007 г., ISBN 978-3-87017-285-5 . 
• Ханнелоре Диттмар-Ильген: Metalle lernen schwimmen. В: Dies.: Wie der Kork-Krümel ans Weinglas kommt. Хирцель, Штутгарт 2006, ISBN 978-3-7776-1440-3 , S. 74. 

Внешние ссылки

• Эндрю М. Крайник, Дуглас А. Рейнельт, Франк ван Свол Структура случайной монодисперсной пены
• DL Weaire, Стефан Хатцлер (1999) Физика пен
• Мориарти, Филип (2010). «Физика пены». Шестьдесят символов . Брэди Харан из Ноттингемского университета .