Пенообразование в растворах поверхностно-активных веществ

Второе условие заключается в том, что пенные пленки должны обладать поверхностной упругостью, т. е. при растяжении пенной пленки должна возникать сила, стремящаяся вернуть пенную пленку в исходное состояние. Поверхностная упругость E определяется как увеличение свободной поверхностной энергии, или поверхностного натяжения г, при увеличении площади пленки, т. е. при ее растяжении:

Поверхностная упругость должна проявляться в течение всего времени растяжения и восстановления пленки. Таким образом, при пенообразовании диффузия поверхностно-активного компонента из объема раствора к вновь образующейся поверхности должна происходить довольно медленно. В противном случае адсорбция ПАВ на поверхности приведет к уменьшению поверхностного натяжения, поэтому временное растяжение пенной пленки может стать постоянным, и в результате пленка теряет упругость и стабильность.

Рис. 3. При растяжении пенной пленки вследствие механических вибраций или термической нестабильности поверхностная концентрация поверхностно-активного вещества в месте растяжения внезапно понижается, вызывая тем самым увеличение поверхностного натяжения и восстанавливающую силу

Чтобы пенная пленка обладала упругостью, пенообразователь не должен диффундировать из пленки к вновь возникающей поверхности, раньше чем пленка вернется в исходное состояние. Поверхностно-активные вещества с большими значениями ККМ, обеспечивающие высокие концентрации в растворе молекулярно растворенного ПАВ, не образуют устойчивых пен, так как при этом диффузия ПАВ из пленки к вновь возникающим поверхностям приводит к адсорбции на них ПАВ до релаксации пленки. Плохими пенообразователями являются и немицеллообразующие вещества. Например, водные растворы этанола не вспениваются, несмотря на то что этанол снижает поверхностное натяжение воды.

Четыре силы, действующие на пену

Прежде всего очевидно, что на пену действует сила гравитации. Она вызывает дренаж жидкости между газовыми пузырьками. Дренаж можно замедлить, либо повысив вязкость раствора, либо введя твердые частицы или капли эмульсии. Частицы захватываются каналами и замедляют дренаж из-за локального повышения вязкости.

Таблица 1. Основные силы, действующие в пенах

Рис. 4. Капли эмульсии или суспендированные частицы локализуются в каналах и замедляют дренаж жидкости в пенах

В устойчивых высокократных пенах, в которых образуются тонкие пленки, дренаж под действием сил гравитации постепенно уступает место дренажу под действием капиллярных сил. Капиллярные силы появляются из-за того, что гидростатическое давление в канале ниже давления в пленке. Пониженное давление вызвано отрицательной кривизной поверхности жидкости в каналах. Разница давления приводит к вытеканию жидкости из пленки в каналы, что может приводить к неустойчивости пленки.