РОЗДІЛ 2
ТЕОРЕТИЧНЕ ОБГРУНТУВАННЯ ВИКОРИСТАННЯ ПОВЕРХНЕВО-АКТИВНИХ РЕЧОВИН ДЛЯ
ВДОСКОНАЛЕННЯ ПРОЦЕСУ ЗВОЛОЖЕННЯ КАПІЛЯРНО-ПОРИСТИХ МАТЕРІАЛІВ
2.1. Способи одержання пін, їх основні характеристики, властивості і фактори,
які визначають стійкість пін
Основним компонентом без якого неможливе утворення піни є поверхнево-активні
речовини. Всі ПАР можна класифікувати за двома основними ознаками: за хімічною
ознакою і за колоїдно-структурною. За хімічною ознакою ПАР діляться на
аніоноактивні, катіоноактивні, неіоногенні. За колоїдно-структурною ознакою їх
ділять на речовини, які знаходяться в істиному розчині, а тому не мають миючої
дії, і на миючі речовини, які утворюють мицелярні або гелеподібні структури.
Миючими бувають речовини будь-якого із трьох класів, тобто аніоноактивні,
катіоноактивні, неіоногенні [71].
Дисперсні системи, до яких відносять піни, можна одержати двома способами:
диспергаційним і конденсаційним. При диспергаційному способі піна утворюється в
результаті інтенсивного спільного диспергування піноутворюючого розчину і
повітря. Технологічно диспергування здійснюється при проходженні струменя газу
через шар рідини; при дії рухомих пристроїв на рідину в атмосфері газу чи при
дії рідини, що рухається, на перешкоду; при ежектуванні повітря рухомим
струменем розчину. Конденсаційний спосіб одержання пін базується на зміні
параметрів фізичного стану системи, що приводить до перенасичення розчину
(робочого середовища) газом. До цього способу належить утворення пін в
результаті хімічних реакцій і мікробіологічних процесів, що супроводжуються
виділенням газоподібних продуктів [72].
По Штюпелю механізм утворення бульбашків піни полягає в формуванні
адсорбційного шару на міжфазній поверхні газоподібного і пароподібного
включення в рідкому середовищі, що містить ПАР. Швидкість формування цього шару
визначається швидкістю дифузії молекул ПАР із глибини розчину до поверхні
включення. При виході бульбашки на поверхню розчину вона оточується подвійним
шаром орієнтованих молекул [72].
Процес піноутворення складний із-за спільного впливу численних фізико-хімічних,
фізико-технологічних та інших факторів, крім того, він суттєво залежить від
умов проведення конкретного технологічного процесу чи експерименту.
Універсального критерія піноутворення, який би однозначно оцінював всі системи,
що пінять в будь-яких умовах, до теперішнього часу немає, тому виділяють
наступні основні властивості, які всебічно характеризують пінну систему [72]:
піноутворююча здатність розчину (спіненість), кратність піни, стабільність,
дисперсність. У ряді спеціальних випадків досить важливі такі властивості як
в’язкість піни, її теплопровідність, електропровідність, оптичні властивості,
ін. [72].
Для одержання стабільних пін рідка фаза повинна містити не менше двох
компонентів, один з яких володіє поверхнево-активними властивостями і здатний
адсорбуватися на міжфазній поверхні. Поверхневий натяг такої двохкомпонентної
системи визначається кількістю адсорбованої розчиненої речовини
da = -SГidmi,
де Гi – поверхневий надлишок i-го компоненту,
mi – хімічний потенціал i-го компоненту.
Адсорбція Г визначається з рівняння:
де С – об’ємна концентрація,
– поверхнева активність розчиненого компоненту [72].
На піну, її властивості можуть впливати ряд факторів.
На піноутворюючу здатність розчинів визначальний вплив має будова молекул ПАР
[73]. Встановлено, що піноутворююча здатність розчинів ПАР залежить від
розміщення в молекулі гідрофільної групи: чим ближче вона розміщена до середини
молекули, тим піноутворююча здатність розчинів вище. Так, наприклад, найбільшу
піноутворюючу здатність в ряді солей ненасичених кислот мають розчини олеата.
Піноутворююча здатність лінолеата значно меньша, а розчини ліцинолеата піняться
дуже слабо [72].
Аніоноактивні ПАР мають більшу піноутворюючу здатність, ніж неіоногенні.
Останні, маючи середню піноутворюючу здатність, можуть використовуватися як
речовини, що підсилюють спіненість. Суміш аніоноактивних і неіоногенних ПАР в
деякий випадках можуть добре пінитися [74].
Спіненість розчинів зі збільшенням концентрації ПАР спочатку збільшується до
максимального значення, потім залишається практично незмінною аж до межі
розчинності данного ПАР [75] або знижується [76–78].
Для покращення піноутворюючої здатності розчинів миючих речовин в різних умовах
застосування (в тому числі і в жорсткій воді) до складу композицій вводять
спеціальні добавки. В якості таких добавок найчастіше використовують фосфати,
які зумовлюють збільшення об’єму піни та її стабільності [72].
Стабілізація пін досягається введенням у розчин стабілізаторів:
карбоксил-метилцелюлози, поліакріламіда, полівінілового спирта й ін. Ці
речовини підвищують в’язкість розчину і плівок [79], сприяють сповільненню
процесу витікання рідини із пін, а також викликають значне зниження критичної
концентрації міцелоутворення (ККМ) розчину ПАР.
На стабільність пін впливає вологе повітря. Так при обдуванні повітрям дуже
високої вологості піна практично не руйнувалася, тоді як підсушене повітря
(j=38%) викликало руйнування половини стовпа піни вже через 10 хв [80]. Тому
при проведенні експериментів по визначенню стійкості плівок і пін, необхідно
створити умови, при яких не відбувається випаровування дисперсійного
середовища, або здійснювати контроль вологості повітря, контактуючого з
плівками (піною).
Стабільність пін як правило підвищується, досягаючи максимального значення ККМ,
при збільшенні концентрації ПАР [73]. Вплив концентрації ПАР на стабільність
піни представлено на рис.2.1.
Рис. 2.1. Залежність стабільності піни від концент
- Київ+380960830922