Главная > Пена в строительстве > Что такое пена?

Что такое пена?

14 июля 2014

Начнем с определения. Пена-это одна из разновидно­стей дисперсий. Латинское слово Dispersus значит рас­сеянный, разбросанный; диспергированием в технике на­зывают процесс измельчения, дробления жестких, жид­ких либо газообразных веществ. Мы не обмолвились. Дробить, а поточнее, рассеивать можно не только лишь твердые и водянистые вещества, да и газообразные. Для этого газ, на­пример воздух, необходимо умеренно распределить в виде маленьких пузырьков в водянистой либо жесткой среде (матрице).

Зависимо от того, какое вещество (в каком агре­гатном состоянии) служит матрицей, а какое-дисперги­руется, дисперсии будут называться по-разному. Диспер­сию воды в воды именуют эмульсией, твердого вещества в жидкости-суспензией. Дисперсию газа в жид­кости именуют пеной, газа в жестком веществЕ жесткой пеной. Сам газ (воздух) тоже может быть матрицей. Дис­персия в нем воды именуется туманом, а твердого вещества - пылью.

В предстоящем мы и будем именовать пеной систему, состоящую из газа (воздуха) и воды, разделяющей воздушные ячейки. Но не всякая система газ-жидкость может быть отнесена к пенам. Если газа в воды не достаточно, то пузырьки находятся далековато друг от друга, они

Имеют форму шара и свободно передвигаются в жидко­сти; это еще не пена. При большенном содержании газа (выше 80-90% по объему) пузырьки плотно прилегают друг к другу, деформируются и образуют схожую со­там структуру. Такая пена изображена на обложке.

Занятные и менторские опыты с мыльными пузырями были выдуманы восхитительным бельгийским ученым Ж. Плато; огромное количество любопытнейших явлений, наблюдаемых при пускании мыльных пузырей, растолковал узнаваемый британский ученый и популяризатор науки Ч. Бойс.

Чарльз Бойс связывал образование мыльного пузырь­ка с появлением на его поверхности «растянутой упругой перепонки». Такая перепонка не может быть со­здана из незапятанной воды, потому что вода полностью не упруга

Зарождение в воды воздушного пузырька всегда приводит к повышению ее поверхности. При всем этом в по­верхностном слое разыгрываются сложные физические явления, разъяснением которых занимались многие видные физикохимики.

Молекулы, находящиеся в поверхностном слое незапятанной воды, владеют особенными качествами по сопоставлению с молекулами в объеме воды, так как силы меж­молекулярного взаимодействия нескомпенсированы и у молекул этого слоя оказывается лишний припас по­тенциальной энергии. Потому образование пены в незапятанной воде нереально, потому что это привело бы к резкому возрастанию лишней возможной энергии.

В природе неважно какая система стремится уменьшить припас возможной энергии, а хоть какой самопроизвольно про­текающий процесс ориентирован на понижение этого припаса. В итоге газовый пузырек, зародившийся в воде, бу­дет всплывать и разрушаться. Всплывать-вследствие ре­зкого различия плотностей газовой и водянистой фаз, а раз­рушаться-под действием лишней возможной энергии.

Простой метод продлить жизнь пузырька-ис­пользовать более вязкую, наименее текучую жидкость. И правильно, пленка вязкой воды существует уже замет­ное время. Кстати, вот поэтому в мыльную воду до­бавляют глицерин-он наращивает вязкость раствора. Из такового раствора пузырьки не могут выплыть и остаются в объеме воды.

Но здесь появляется противоречие: ведь чем больше вяз­кость воды, тем паче устойчивые пленки она обра­зует, но из вязкой воды сложнее эту пленку получить. Замечательно решают эту делему стеклодувы. Они поначалу размягчают стекло, нагревая его до высочайшей температуры, выдувают из него пузыри (вспомните фор­му обыкновенной пробирки либо лампы-это просто пузырь!), а потом дают этим пузырям охладиться. При всем этом вяз­кость стекла резко (в сотки миллионов раз!) увеличивается и пузырь стабилизируется. Это один путь. А есть и дру­гой, основанный на возможности неких веществ из­бирательно адсорбироваться на границе раздела фаз. Эти вещества (их именуют поверхностно-активными) исполь­зуют как пенообразователи при изготовлении устой­чивых пен. Пузырьки в таковой пене разбиты упругими п Іенками.

Когда мы растягиваем упругую пленку, то затрачи­ваем работу на изменение формы молекул и расстояний меж ними. Возможная энергия поверхностного слоя при всем этом увеличивается не настолько существенно, и воз­душные пузырьки в таких жидкостях могут существовать долгое время.

Единичный пузырек воздуха в воды имеет практически шарообразную форму, которую он сохраняет даже буду­чи изолированным после выхода из пенообразующего раствора.

Разглядим на примере 1-го простого пузырька, как появляется пена. Представим для себя, что пузырек воздуха попал в раствор, содержащий пенообра-

Что такое пена?

Так формируется газовый пузырек.

Зователь. На границе пузырька с жидкостью сходу начнут накапливаться молекулы пенообразователя, так что скоро пузырек оденется специфичной «шубой» этого вещества, состоящей из 1-го слоя молекул пенообразователя. Всплывая, пузырек добивается поверхности воды, да­вит на нее и растягивает. Молекулы пенообразователя из раствора устремляются к возрастающей поверхности, предот­вращая разрыв пленки воды. Таким макаром, при выходе из воды пузырек оказывается окруженным обо­лочкой уже из 2-ух монослоев пенообразователя, меж которыми находится пленка воды. Когда в раствор вовлекается много воздуха, образующиеся пузырьки, всплывая, делают на поверхности воды пенный слой, толщина которого возрастает в процессе пере­мешивания воды и газа. В конечном счете вся жид­кая фаза преобразуется в пену.

Напомним: когда пленки меж пузырьками (перего­родки) еще довольно толсты (содержат много жидко­сти), пузырьки сохраняют сферическую форму. По мере того как жидкость насыщается воздушными пузырьками, толщина перегородок миниатюризируется и форма пузырьков начинает равномерно изменяться из сферической в много­гранную. Зависимо от формы газовых пузырьков Манегольд предложил делить пены на два класса: Сферические и многогранные.

Сферические пены отличаются высочайшим содержанием воды и в силу этого-малой устойчивостью. Поэто­му их относят к метастабильным (условно размеренным). В нестабильных пенах наблюдается так именуемый эф­фект Плато: водянистая фаза из перегородок удаляется, исте­кая под действием силы тяжести, и происходит стремительная Коа гесценция (от латинского Coalesce-срастаюсь, соеди­няюсь)- слияние соприкасающихся газовых пузырьков.

Суть явления коалесценции можно объяснить, ис­пользуя простые понятия о связи меж по­верхностью, поверхностной энергией и объемом.

Кубик хоть какого твердого вещества с размерами 1 х 1 х 1 см имеет поверхность 6 см2. Методом дробления этот кубик можно перевоплотить в мельчайшую пыль. Сум­марный объем частиц будет как и раньше 1 смЗ, но сум­марная поверхность частиц может составлять уже ква­дратные метры. Даже 10-ки и сотки квадратных метров! Разумеется, что поверхностная энергия при всем этом тоже возрастет (заметим, за счет совершенной работы дробления). Но общая тенденция всех процессов состоит в стремлении уменьшить припас свободной энергии. Мель­чайшие частички слипаются, мелкие капли и воз­душные пузырьки стремятся слиться в более большие. Чем крупнее капля либо пузырек, тем меньше соотноше­ние поверхность: объем и тем меньше припас свободной

Что такое пена?

Вырастает удельная поверхность а, как следует, вырастает поверхностная энер - гаа твердого материала.

Поверхностной энергии. Слияние нескольких пузырьков в один, более большой, и именуется коалесценщей. Большой воздушный пузырь быстро всплывает и лопается-пена разрушается.

Многогранные пены отличаются малым содержанием водянистой фазы и характеризуются высочайшей стабильностью. В таких пенах отдельные пузырьки сближены и разде­лены тонкими «растянутыми упругими перепонками». Эти пленки в силу упругости и ряда других причин препятствуют коалесценции газовых пузырьков. По мере утончения разделительных пленок пузырьки все плотнее сближаются, прилегают друг к другу и получают чет­кую форму полиэдров. Каждый пузырек в таковой пене (если все пузырьки имеют однообразный размер) обладает формой правильного пентагонального додекаэ­дра, т. е. двенадцатигранника, неважно какая сторона которого представляет собой верный пятиугольник. Эти многогранные пузырьки разбиты тончайшими пленка­ми воды, которые без наружного импульса-механиче­ского воздействия либо увеличения температуры-могут сохраняться в течение долгого времени и противо­стоять лишнему истечению водянистой фазы.

Из произнесенного разумеется, что пеной является не всякая дисперсная система типа газ-жидкость, а только ячеи - сто-пленочтя, т. е. такая, в какой отдельные пузырьки связаны вместе разделяющими их пленками в об­щий каркас. В пене газовый пузырек не может свободно передвигаться ни в вертикальной, ни в горизонтальной плоскости. Он вроде бы «зажат» другими, прилегающими к нему пузырьками. Такая уплотненная упаковка достигается только при определенном соотношении объемов водянистой и газовой фаз. Это - соотношение может быть найдено, ес­ли применить к пенам теорию упаковки шарообразных тел (в нашем случае-это газовые пузырьки). Для того чтоб образовалась сферическая пена, объем раствора пенообразователя необходимо прирастить, насыщая его возду­хом, в 3,8 раза по сопоставлению с начальным. Если воздуха в растворе содержится меньше, то такую систему уже нельзя отнести к пенам. При большем насыщении пены воздухом пузырьки теряют сферическую форму и преобразуются в полиэдры, а разделяющие их пленки получают схожую толщину во всем объе­ме пены. Выходит пространственная конструкция, в разрезе схожая на не раз виденные нами пчелиные со­ты. При получении пены такая конструкция появляется самопроизвольно; в ней на каждом ребре полиэдра сходятся три тонкие пленки, образуя угол в 120°. Эта пе­на характеризуется малой поверхностной энер­гией, а как следует, она более устойчива. В таковой системе броуновское движение ограничено, она приобре­тает некие характеристики твердого тела (к примеру, пена обладает определенной упругостью) и в то же время со­храняет ряд параметров, присущих компонентам пены: сжи­мается, как газ, а раствор в пленках имеет характеристики обы­чной воды.

17

Форму, схожую пятиугольным додекаэдрам, пузырьки пены получают, если их объемы (размеры) схожи. В большинстве пен отдельные пузырьки

2 111

Что такое пена?

Имеют различный объем, и, как следует, их форма не бу­дет безупречной, более устойчивой. Такая пена резвее разрушается.

Получение пены с данным комплексом параметров - очень принципиальная прикладная неувязка. Для оценки параметров пены, а означает, и ее пригодности для тех либо других целей существует огромное количество общих и особых черт. Главные характеристики-кратность пены, ее дисперсность и устойчивость во времени. В почти всех случаях важны ее структурно-механические характеристики, также теплопроводимость, электропроводность, способ­ность долгое время задерживать в массе твердые ча-. стицы, устойчивость при изменении температуры, облу­чении и даже оптические характеристики пеномассы.

Почаще других пользуются чертой «кратность пены», к примеру, при оценке синтетических моющих средств, хотя конкретной связи меж пенообразующей способностью и моющим действием порошков и жидко­стей не найдено.

Кратность пены В-это отношение объема пены УП к объему раствора Уж; таким макаром, эта черта указывает, сколько объемов пены можно получить из 1-го объема воды. Пена состоит из газа и жидко­сти:

V = V + V Гп Гг т г*

Как следует, кратность равна

?,= VJVx = {Vr+Vx)IVx

В строительстве и индустрии стройматериалов употребляют пены с кратностью 5-10, в прачечных-с кратностью 10-20; кратность пен для пожаротушения должна составлять 70-90. Известны пены с еще большей кратностью.

Эталон (ГОСТ) агрессивно диктует условия, при ко­торых следует определять кратность пены. В градуиро­ванный цилиндр на 1000 мл налить 98 мл воды и 2 мл пенообразователя. Закрыть пробкой. Встряхивать 30 с (2-мя руками держать с торцов в горизонтальном поло­жении и встряхивать повдоль оси цилиндра). Поставить на стол, вытащить пробку, измерить объем пены. Отношение объема пены к объему раствора (100 мл) и есть разыскиваемая величина.

Дисперсность пены охарактеризовывает средний размер воз­душных пузырьков; чем меньше пузырьки, тем паче дисперсна пена, при большенном размере ячеек пену назы­вают грубодисперсной. От дисперсности пены зависит скорость многих технологических процессов в микробио­
логической и хим индустрии, эффектив­ность тушения пожаров, качество вспененной пласт­массы, вкус мороженого и многих видов конфет. Потому определение дисперсности является обяза­тельным практически для всех производств, использующих пе­ну. Для этих определений необходимо измерить размер 300-600 воздушных пузырьков в пене, а потом с по­мощью формул математической статистики высчитать средний размер и статистическое рассредотачивание пузырь­ков по размерам. Еще не так давно для таких измерений пену фотографировали под микроскопом при определенном увеличении (способ микрофотографирования), а потом на фото при помощи линейки определяли размеры пя - ти-шести сотен пор; приобретенные данные обсчитывали на арифмометрах. На данный момент для этого употребляют автомати­зированные установки, дозволяющие найти раз­меры пузырьков и их относительное число в реальной пене. Пену замораживают водянистым азотом, потому мож­но определять дисперсность даже нестойких пен. Измере­ния проводят при помощи лазерного луча либо других ска­нирующих систем (так работают наши телеки). Математическую обработку результатов измерений и вы­дачу окончательных данных о дисперсности пены в виде графиков либо таблиц делают быстродействующие электронно-вычислительные машины.

Время от времени дисперсность оценивают удельной поверх­ностью пены - площадью поверхности пузырьков в 1 см3 либо в 1 г пеномассы; меж дисперсностью и удельной поверхностью существует точная математическая зависи­мость. Определять удельную поверхность пены сравни­тельно просто по ослаблению пучка света (способ ослабле­ния светового потока), рентгеновского потока либо ■у-излучения (радиографический способ), измерением ме­ханических параметров пены (прибор Б. В. Дерягина).

Площадь поверхности раздела жидкость-газ в пене очень велика (2000-4000 см2/г для аква пен). Это свой-

2Q сі во обширно употребляется в технике, к примеру при фло - гации. При обогащении руды стремятся сделать такие ус­ловия, чтоб порошок руды собирался на поверхности аква раствора, а пустая порода опускалась в жидко­сти на дно флотационной машины. Если площадь по­верхности раздела жидкость-газ мала, то даже из боль­шого количества воды можно выделить только незна­чительное количество руды, но если тот же объем рас - гвора распределен в пленках пены, то из него можно из­влечь руды уже в тыщи раз больше.

Устойчивость, либо стабильность, пены охарактеризовывает время ее существования до полного либо частичного раз­рушения. Наблюдают за разрушением столба пены либо определяют время «жизни» отдельных пузырьков. Как пра­вило, определяют время разрушения половины объема пены. Об стойкости пены мы будем гласить еше не раз.

Для многих отраслей техники важны структурно-ме­ханические характеристики пены. Главные из них-предельное напряжение сдвига и вязкость.

Предельное напряжение сдвига пены нередко выражают через твердость. Она охарактеризовывает способность пены во­спринимать определенные механические нагрузки, напри­мер давление вышележащего столба пены, без деформа­ций. т. е. без конфигурации объема либо формы. Умопомрачительно, что пены владеют некой жесткостью, даже если их пленки водянистые. Это разъясняется тем, что состояние рав­новесия соответствует малой поверхностной энер­гии, а неважно какая деформация наращивает эту энергию, т. е. просит наружной работы. Твердость пен в особенности ра­зительна, если принять во внимание их низкую плот­ность; аква пена с пузырьками поперечником 1 см и с пленками шириной 10~3 см имеет плотность около 0,003 г/смЗ.

Сочетание низкой плотности и значимой жестко­сти употребляется, к примеру, в пенах для огнетушения.

По усилию, необходимому дл« >ытя - пгашша шарика п пены, определяют

Что такое пена?

Ее BB3KOCTV.

Узкий слой жесткой пены препятствует контакту ме­жду воздухом и воспламе­няющимся веществом точно так же, как и хоть какое покры­вало, с той только различием, что пена в сотки раз легче. К тому же основной компо­нент такового «покрывала»- вода-всегда доступен и де­шев.

Вязкость пены -это ре­ологическая черта {реология-наука о течении), Познание которой позволяет найти условия перека­чивания пены по трубам, растекаемость пенной массы по поверхности (к примеру, при тушении пожара), способность к свободному истече­нию из отверстий.

Устройство простого прибора, созданного для определения вязкости пен способом извлечения шара, ясно из рисунка. Тарированная пружина с прикрепленной к ней стрелкой позволяет найти усилие, затрачивае­мое на извлечение шара из пены при помощи нити, пере­брошенной через блок к тихоходному (10 об/мин) элек­тромоторчику. Пользуются и другими способами; для их, обычно, необходимы более сложные, но совместно с тем и поболее четкие приборы.

Все главные характеристики пены зависят сначала от того, при помощи каких конкретно веществ ее получают] т. е. от вида и дозы пенообразователя.

Пена в строительстве , ,

Комментирование отключено.