11.3 Пасты, их особенности, практическое значение
Пасты – это концентрированные связнодисперсные суспензии или осадок, который образуется в результате потери суспензией седиментационной устойчивости. Пасты образуют структуры и характеризуются структурно-механическими свойствами. Пасты могут быть получены также диспергационным методом путем дробления твердых тел или растирания порошков в жидкой среде. Для приготовления паст используют жидкости, имеющие повышенную вязкость и температуру кипения. Для предотвращения сцепления частиц дисперсной фазы в пасты добавляют ПАВ, которые образуют на частицах защитный слой, и служат пластификаторами, обеспечивающими легкоподвижность системы. Например, паста Аl2O3 в вазелиновом масле обладает хрупкостью. При добавлении небольшого количества олеиновой кислоты паста приобретает способность течь.
11.4 Пены, их особенности, практическое значение
Пены – это системы, которые состоят из газов, диспергированных в жидкостях (газовые эмульсии) и в твердых телах (твердые пены). Пены образуются только при смешивании нескольких веществ с различным поверхностным натяжением. Однако устойчивые пены получаются только с веществами, у которых существенно снижено поверхностное натяжение. При этом количество растворенного вещества, необходимого для образования пены, может быть незначительным.
Пены характеризуют кратностью
β = Vг + Vж / Vж,
где Vг - объем газообразной фазы;
Vж – объем жидкой фазы.
Пены, с кратностью менее 10 называются влажными, с кратностью около 1000 – сухими, остальные – полусухими.
Пены приготавливают, например, диспергированием газа в жидкости, высвобождением газа, растворенного в жидкости под давлением; разбрызгиванием жидкости. В пене образуются пузырьки газа, разделенные стенками, между которыми находятся два слоя ПАВ (а во влажной пене – и пленка жидкости). Устойчивость пузырьков обратно пропорциональна площади их поверхности. В “осушенной” пене стенки пузырьков сплющены, и пузырьки представляют собой многогранную (полиэдрическую) форму с гексагональной упаковкой. Во “влажной” пене форма пузырьков почти полностью сферическая.
Кроме кратности пены характеризуются кинетической устойчивостью, которую определяют по времени самопроизвольного разрушения столбика пены на ½ длины.
Пена термодинамически неустойчива, т. к. представляет собой дисперсную систему со значительной площадью поверхности и с поверхностной энергией, большей, чем ее отдельные компоненты – газ и жидкость. “Жизнь” пены можно продлить за счет добавления второго пенообразующего вещества, например глицерина, который увеличивает вязкость жидкости, уменьшая тем самым обезвоживание. Пена более устойчива, если она защищена от вибрации, испарения, примесей, от действия высокой температуры.
Стабилизатор пены называется пенообразователем. Это, как правило, ПАВ. Растворимые низкомолекулярные ПАВ относятся к пенообразователям 1-го рода, а коллоидные ПАВ и белки – к пенообразователям 2-го рода. На рис. приведена зависимость устойчивости пены от концентрации пенообразователя.
Структура пленки в пенах похожа на сандвич, в котором внутренний слой обладает свойствами жидкости в объеме, а слои, направленные к газовой фазе, обладают большой вязкостью. По этой причине обезвоживание может вызвать снижение эластичности пленки и образование опасно тонких участков. Температура сказывается на устойчивости пленки, т. к. сильно влияет на вязкость.
Рисунок XI.2 - Зависимость устойчивости пен от вида эмульгатора.
Размеры пузырьков пен могут значительно превышать размеры частиц суспензий или эмульсий. Они характеризуются очень большой полидисперсностью. Пленки жидкости между пузырьками пены имеют свойство стареть. С течением времени жидкость из них перетекает в узлы пены (утолщения в местах стыков пузырьков) под действием силы тяжести и капиллярного давления, пленка истончается. Интересно, что в пленках имеет место “залечивающий” эффект Марагнони, основанный на высокой скорости диффузии от более высокой концентрации к более низкой концентрации ПАВ.
Структура пены представлена на рис. XI.3.
Рисунок XI.3 – Схема структуры пены
Существует несколько факторов устойчивости пен: гидро- динамический фактор (определяющий вязкость жидкости); эффект Гиббса-Марангони (дающий отток жидкости из узлов пленок, в результате чего происходит их “залечивание”); структурно-механический фактор (обуслав- ливающий прочность пленок); термодинамический фактор (за счет чего существует ДЭС или двойные гидратные слои).
Чаще всего на практике пены приходится разрушать или принимать меры по предотвращению их появления. С этой целью в систему вводят вещества - пеногасители. Они имеют высокую активность, вытесняют пенообразователи с поверхности раздела фаз и занимают их место, но пену такие вещества не могут стабилизировать.