Proč pěna tak rychle mizí? Stabilita pěny a pěnivá schopnost

Pěna jako disperzní systém

Pěna je koloidní systém , konkrétně specifický typ disperze, ve kterém je dispergovaná fáze plyn (obvykle vzduch) a dispergační (kontinuální) fáze je kapalina nebo pevná látka.

Když jsou bublinky plynu suspendovány v kapalině, vzniká lehká, nadýchaná a tvárná látka. Ve většině případů je tento typ pěny dočasný a časem se vrací do původního kapalného stavu. Pokud se však do kapaliny přidá stabilizátor , může zůstat v pěnovém stavu mnohem déle.

Když jsou bublinky plynu suspendovány v pevné látce, vzniká lehký, houbovitý nebo tuhý materiál, který lze snadno tvarovat do různých tvarů dle potřeby.

Jak se tvoří pěna?

Tvorba pěny v kapalinách je relativně složitý fyzikálně-chemický proces a zahrnuje několik fází:

1. Prvním z nich je aplikace vnější mechanické energie k vtlačení bublin plynu do disperzní fáze kapaliny. Toho lze dosáhnout například mícháním, provzdušňováním nebo náhlými změnami tlaku. Za zmínku stojí, že energie potřebná k vytvoření pěny je nepřímo úměrná povrchovému napětí kapaliny.
2. Rozdíl v hustotě mezi kapalinou a výslednými bublinami plynu dále způsobí jejich pohyb směrem k povrchu dispergační fáze.
3. V závěrečné fázi dochází k tvorbě tzv. lamel. Díky nim se bubliny plynu nahromaděné na povrchu neshlukují. Lamely jsou velmi tenké kapalné filmy zachycené mezi dvěma vrstvami povrchově aktivních látek přidaných do systému, jako jsou například povrchově aktivní látky.

Co určuje stabilitu pěny?

Pěna je termodynamicky nestabilní systém a konečnou fází je prasknutí bubliny po zmenšení celkové plochy povrchu kapaliny v systému, což má za následek pokles volné energie.

Stabilitu pěny ovlivňuje několik faktorů:

Povrchové napětí. Z energetického hlediska je nízké povrchové napětí příznivější pro tvorbu pěny, ale nezaručuje její stabilitu. Pokud je povrchové napětí nízké, je tlakový rozdíl malý, rychlost odtoku se snižuje a vrstva kapaliny se stává tenčí, což podporuje stabilitu pěny.

Povrchová viskozita. Klíčovým faktorem určujícím stabilitu pěny je pevnost vrstvy kapaliny, která je určena především kompaktností adsorpční vrstvy na povrchu, měřenou povrchovou viskozitou.

Difúze plynu vrstvou kapaliny. V důsledku přítomnosti kapilárního tlaku je tlak v malých bublinách v pěně vyšší než ve velkých bublinách. To způsobuje difúzi plynu vrstvou kapaliny. V důsledku toho se malé bubliny pěny smršťují a pěna se nakonec zhroutí.

Přítomnost povrchově aktivních látek. Díky své amfifilní struktuře, která určuje jejich koordinované uspořádání v prostoru, stabilizují stěny pěnových bublin a podporují tvorbu nových.

Pěnivé vlastnosti povrchově aktivních látek

Tvorba stabilní pěny v čistých kapalinách je výrazně ztížena. K dosažení tohoto cíle se používají povrchově aktivní látky, známé jako surfaktanty.

Povrchově aktivní látky mohou usnadnit tvorbu a stabilizaci pěny prostřednictvím několika mechanismů:

• Snížení povrchového napětí: Povrchově aktivní látky snižují povrchové napětí kapalné fáze, čímž usnadňují zachycování a rozptylování bublin plynu v kapalině, což vede k tvorbě pěny.
• Tvorba mezifázového filmu: Molekuly povrchově aktivní látky se adsorbují na rozhraní plyn-kapalina a vytvářejí soudržný a viskoelastický film, který obklopuje bubliny plynu, zabraňuje jejich shlukování a stabilizuje pěnu.
• Dilatační elasticita: Mezifázový film tvořený povrchově aktivními látkami vykazuje dilatační elasticitu, která mu umožňuje zabránit deformaci a prasknutí, a dále tak zvyšuje stabilitu pěny.
• Elektrostatická a sterická stabilizace: Iontové povrchově aktivní látky mohou způsobovat elektrostatické odpuzování mezi bublinami plynu, zatímco neiontové povrchově aktivní látky mohou poskytovat sterickou stabilizaci vytvořením ochranné vrstvy kolem bublin.

Je třeba si uvědomit, že ne všechny povrchově aktivní látky vykazují stejnou pěnivost . Ta závisí na různých faktorech, včetně především koncentrace povrchově aktivní látky, její molekulární struktury, teploty a iontové síly systému.

Význam pěny v průmyslových aplikacích

V průmyslu je pěna mocným technologickým nástrojem, který – v závislosti na odvětví – je buď žádoucím nosičem účinných látek, nebo kritickým problémem bránícím výrobě.

Pěna je obzvláště žádaná v produktech osobní péče . Šampony, sprchové gely a čisticí prostředky na obličej se silně spoléhají na pěnivý účinek povrchově aktivních látek. Vytvářená pěna napomáhá efektivnímu rozložení produktu, zlepšuje pohodlí uživatele a pomáhá odstraňovat nečistoty z pokožky a vlasů.

Pěnění je stejně prospěšné v potravinářském průmyslu . Pěnidla, včetně povrchově aktivních látek, se používají při výrobě šlehačky, pěn a dalších pěn. Tyto pěny ovlivňují texturu a chuť různých potravinářských výrobků. V těchto aplikacích se běžně používají potravinářské povrchově aktivní látky, jako je lecitin.

Pěna je také klíčovou složkouhasicích pěn , které se používají k hašení nebo prevenci požárů. Tyto pěny vytvářejí bariéru mezi palivem a kyslíkem, čímž dusí oheň. Povrchově aktivní látky použité v těchto pěnách musí vytvářet stabilní a odolnou pěnu, která dokáže pokrýt velké plochy.

Naopak vysoká pěnivost je nežádoucím jevem v papírenském průmyslu . Vzduchové bubliny zachycené v papírové buničině způsobují „dírky“ a otvory v hotovém listu papíru, což drasticky snižuje jeho pevnost a kvalitu tisku.

Pěna je také nežádoucí v některých odvětvích strojního čištění , zejména v případě zařízení čištěných v uzavřených systémech. Pěna je stlačitelná, takže pokud vstoupí například do čerpadel, způsobuje tzv. „zachycení vzduchu“ (kavitaci) a pokles čisticího tlaku, což může vést k selhání jednotlivých součástí.