5. Пены и их свойства

П ены – высококонцентрированные гетерогенные системы, в которых дисперсная фаза состоит из пузырьков газа, а дисперсионная среда (жидкая или твердая) образует тонкие пленки между пузырьками газа.

Структура пен (рис.47) сближает их с высококонцентрированными эмульсиями. Однако, несмотря на сходство структуры, устойчивость пен значительно ниже, чем эмульсий.

Рис. 47. Увеличенная фотография пены вскоре после ее образования

В качестве пенообразователей можно использовать различные поверхностно-активные вещества (в том числе мыла, жирные кислоты, спирты).

Пенообразователи делят на два типа:

первого рода (низшие спирты, кислоты), которые находятся в объеме раствора и в адсорбционном слое в молекулярном состоянии. Пены, содержащие эти ПАВ, быстро распадаются;

второго рода – мыла, мицеллярные растворы ПАВ. Пены с этими ПАВ высокоустойчивы, поскольку на поверхности раздела образуются прочные гелеобразные пленки.

Как и все дисперсные системы, пены получают методами диспергирования и конденсации.

Методом диспергирования пены получают посредством перемешивания или барботирования газов в жидкость. Конденсационный метод основан на изменении физического состояния раствора (при повышении температуры раствора или уменьшении внешнего давления), приводящем к пересыщению его газом. Используют также химические реакции с выделением газа. В качестве примера приведем реакцию, лежащую в основе приготовления пены в огнетушителях:

NaHCO₃ + HCl ((; NaCl + H₂O + CO₂↑

Первой стадией процесса пенообразования является образование газовой эмульсии (эмульсии газ – раствор ПАВ). На межфазной поверхности пузырьков образуется адсорбционный слой ПАВ. При флокуляции пузырьков на поверхности раствора формируется пленочный каркас пены, характеризующийся тем, что прослойки жидкости между адсорбционными слоями ПАВ на пузырьках пены взаимосвязаны, благодаря чему образуется единая структура.

Структура пены определяется соотношением объемов газовой и жидкой фаз, и в зависимости от этого соотношения пены могут иметь сферическую форму ячейки (шаровая пена) (рис.48,а), полиэдрическую или переходную ячеистую (рис.48,б).

Для шаровых пен различают седиментационную и агрегативную устойчивость. По мере превращения шаровой пены в связную, полиэдрическую, понятие седиментационной устойчивости применительно к ней теряет обычный смысл.

Пены характеризуется дисперсностью, устойчивостью и кратностью.

Пенообразование может быть нежелательным в производственных процессах. В таких случаях применяют способы пеногашения, в основе которых лежит разрушение адсорбционных слоев, стабилизирующих пену. В качестве пеногасителей используют вещества с высокой поверхностной активностью (жиры, масла, воски, высшие спирты, эфиры), но не способные стабилизировать пену. Существуют также механические, термические, ультразвуковые и другие способы пеногашения.

а) Элемент шаровой пены	б) Элементарная ячейка полиэдрической пены

Рис. 48. Виды пен

Практическое значение процессов пенообразования достаточно велико.

Пенообразование играет важную роль в процессе усвоения пищи. Слюна образует высокодисперсную и прочную пену, поэтому процесс смачивания пищи происходит быстро (16-18 сек.), пищевой комок свободно проходит в глотку и пищевод, а воздух способствует пищеварению.

В медицине пенные аэрозоли используют в качестве кровоостанавливающих средств. Широко используется кислородная пена при сердечно-сосудистых заболеваниях, поражениях ЖКТ и других заболеваниях.

В офтальмологии применяют углеродный имплантат опорной культи глаза на основе углеродного материала. Углерод биосовместим с живой тканью, что обеспечивается присущими углеродным материалам величинами электрохимического потенциала и поверхностной энергии. Имплантат изготавливается из углеродной синтактической пены. Высокая пористость и биологическая активность углеродной пены позволяют живой ткани прорастать сквозь имплантат, что обеспечивает сохранение объема и исключает миграцию и отторжение. При этом наблюдается симметричная устойчивая связь со здоровым глазом и согласованность с его подвижностью.

Для изготовления имплантантов трубчатых костей, тел позвоночников, нижней части мыщелка большой берцовой кости, участков челюсно-лицевой области и др. предлагается углеродная синтактическая пена. Пену получают из микросфер на углеродном связующем, с последующим пироуплотнением до заданной плотности. Высокая пористость и биологическая активность углеродной пены позволяют живой ткани прорастать сквозь имплантант, что обеспечивает сохранение объема и исключает миграцию и отторжение.

Металлические пены из алюминия, магния, стали, титана или цинка выдерживают высокое давление, приглушают звук, ослабляют вибрации, хорошо изолируют. Они легко поддаются сверлению, распиливанию и фрезерованию. Такие пены успешно применяются как биологически совместимый протез костной ткани в медицине.

Пенообразование используют в пищевой, косметической и фармацевтической промышленности, в процессах флотации, при интенсификации производственных процессов, при тушении пожаров, в процессах очистки поверхностей от загрязнений. Широко применяются в разных областях твердые пены: пенопласты, пеностекло; природная твердая пена – пемза.

Образование пен иногда приводит к нежелательным экологическим последствиям. Например, пены, образующиеся в сточных водах, покрывая поверхность водоемов, прекращают доступ кислорода в воду, тем самым замедляя или даже прекращая развитие любых организмов.