การเกิดฟองเป็นพื้นฐานของกระบวนการทางธรรมชาติและอุตสาหกรรมหลายอย่าง ปรากฏการณ์นี้มีบทบาทสำคัญทั้งในชีวิตประจำวันและเทคโนโลยีขั้นสูง โดยส่งผลต่อประสิทธิภาพและขั้นตอนของกระบวนการต่างๆ การทำความเข้าใจกลไกการเกิดและการสลายตัวของฟองจะช่วยให้สามารถควบคุมคุณสมบัติและการใช้งานจริงได้ดียิ่งขึ้น
โฟมในฐานะระบบกระจายตัว
โฟมเป็น ระบบคอลลอยด์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเป็นสารแขวนลอยชนิดหนึ่งที่เฟสกระจายตัวเป็นแก๊ส (โดยปกติคืออากาศ) และเฟสที่กระจายตัว (ต่อเนื่อง) เป็นของเหลวหรือของแข็ง
เมื่อฟองแก๊สแขวนลอยอยู่ในของเหลว จะเกิดสารที่มีลักษณะเบา ฟู และอ่อนตัวได้ ในกรณีส่วนใหญ่ โฟมชนิดนี้จะเป็นเพียงชั่วคราวและจะกลับคืนสู่สถานะของเหลวเดิมเมื่อเวลาผ่านไป อย่างไรก็ตาม หากเติม สารทำให้คงตัว ลงในของเหลว ก็สามารถคงสภาพเป็นโฟมได้นานขึ้น
เมื่อฟองแก๊สแขวนลอยอยู่ในของแข็ง จะเกิดวัสดุที่มีลักษณะเบา นุ่ม หรือแข็ง ซึ่งสามารถขึ้นรูปเป็นรูปร่างต่างๆ ได้ง่ายตามต้องการ
โฟมเกิดขึ้นได้อย่างไร?
การเกิดฟองในของเหลวเป็นกระบวนการทางกายภาพและเคมีที่ค่อนข้างซับซ้อนและเกี่ยวข้องกับหลายขั้นตอน:
- วิธีแรกคือการใช้พลังงานกลจากภายนอกเพื่อดันฟองก๊าซเข้าไปในเฟสของเหลวที่กระจายตัวอยู่ ซึ่งสามารถทำได้โดยการผสม การเติมอากาศ หรือการเปลี่ยนแปลงความดันอย่างฉับพลัน ควรทราบว่าพลังงานที่ใช้ในการสร้างโฟมนั้นแปรผกผันกับแรงตึงผิวของของเหลว
- ต่อไป ความแตกต่างของความหนาแน่นระหว่างของเหลวและฟองก๊าซที่เกิดขึ้นจะทำให้ฟองก๊าซเคลื่อนที่ไปยังพื้นผิวของเฟสที่กระจายตัวอยู่
- ขั้นตอนสุดท้ายเกี่ยวข้องกับการก่อตัวของสิ่งที่เรียกว่าแผ่นบางๆ (lamellae) ด้วยแผ่นบางๆ เหล่านี้ ฟองก๊าซที่สะสมอยู่บนพื้นผิวจะไม่รวมตัวกัน แผ่นบางๆ เหล่านี้เป็นฟิล์มของเหลวบางๆ ที่ถูกกักอยู่ระหว่างสารลดแรงตึงผิวสองชั้นที่เติมเข้าไปในระบบ เช่น สารลดแรงตึงผิว (surfactants)
อะไรเป็นตัวกำหนดความเสถียรของโฟม?
โฟมเป็นระบบที่ไม่เสถียรทางอุณหพลศาสตร์ และขั้นตอนสุดท้ายคือการแตกของฟองอากาศหลังจากพื้นที่ผิวของเหลวทั้งหมดในระบบลดลง ซึ่งส่งผลให้พลังงานอิสระลดลง
ปัจจัยหลายประการมีอิทธิพลต่อความเสถียรของโฟม:
แรงตึงผิว จากมุมมองด้านพลังงาน แรงตึงผิวต่ำเอื้อต่อการเกิดโฟมมากกว่า แต่ไม่ได้รับประกันความเสถียร เมื่อแรงตึงผิวต่ำ ความแตกต่างของความดันจะน้อย ความเร็วในการไหลออกลดลง และชั้นของเหลวจะบางลง ซึ่งส่งเสริมความเสถียรของโฟม
ความหนืดของพื้นผิว ปัจจัยสำคัญที่กำหนดความเสถียรของโฟมคือความแข็งแรงของชั้นของเหลว ซึ่งส่วนใหญ่กำหนดโดยความหนาแน่นของชั้นการดูดซับบนพื้นผิว ซึ่งวัดได้จากความหนืดของพื้นผิว
การแพร่ของก๊าซผ่านชั้นของเหลว เนื่องจากการมีอยู่ของแรงดันคาปิลลารี ความดันภายในฟองอากาศขนาดเล็กในโฟมจึงสูงกว่าในฟองอากาศขนาดใหญ่ ทำให้ก๊าซแพร่ผ่านชั้นของเหลว ผลที่ตามมาคือ ฟองอากาศขนาดเล็กจะหดตัวลง และในที่สุดฟองก็จะยุบตัวลง
เนื่องจาก มีสารลดแรงตึงผิว อยู่ ด้วยโครงสร้างแบบแอมฟิฟิลิกซึ่งกำหนดการจัดเรียงตัวอย่างเป็นระเบียบในพื้นที่ สารลดแรงตึงผิวจึงช่วยทำให้ผนังของฟองอากาศมีความเสถียรและส่งเสริมการก่อตัวของฟองอากาศใหม่
คุณสมบัติการเกิดฟองของสารลดแรงตึงผิว
การก่อตัวของโฟมที่คงตัวในของเหลวบริสุทธิ์นั้นเป็นไปได้ยาก ดังนั้นจึงต้องใช้สาร ลดแรงตึง ผิว
สารลดแรงตึงผิวสามารถช่วยส่งเสริมการก่อตัวและคงตัวของโฟมได้หลายกลไก:
- การลดแรงตึงผิว: สารลดแรงตึงผิวช่วยลดแรงตึงผิวของของเหลว ทำให้ฟองก๊าซสามารถเข้าไปอยู่ในของเหลวและกระจายตัวได้ง่ายขึ้น ส่งผลให้เกิดการก่อตัวของฟอง
- การก่อตัวของฟิล์มที่ส่วนต่อประสาน: โมเลกุลของสารลดแรงตึงผิวจะดูดซับที่ส่วนต่อประสานระหว่างแก๊สและของเหลว ก่อตัวเป็นฟิล์มที่เหนียวแน่นและยืดหยุ่นได้ซึ่งล้อมรอบฟองแก๊ส ป้องกันการรวมตัวของฟองและช่วยให้โฟมมีความเสถียร
- ความยืดหยุ่นในการขยายตัว: ฟิล์มที่เกิดขึ้นระหว่างพื้นผิวซึ่งเกิดจากสารลดแรงตึงผิวแสดงคุณสมบัติความยืดหยุ่นในการขยายตัว ซึ่งช่วยป้องกันการเสียรูปและการฉีกขาด ส่งผลให้ความเสถียรของโฟมดีขึ้น
- การรักษาเสถียรภาพด้วยไฟฟ้าสถิตและสเตอริก: สารลดแรงตึงผิวชนิดไอออนิกสามารถทำให้เกิดแรงผลักทางไฟฟ้าสถิตระหว่างฟองก๊าซ ในขณะที่ สารลดแรงตึงผิวชนิดไม่มีไอออนิก สามารถให้การรักษาเสถียรภาพด้วยสเตอริกโดยการสร้างชั้นป้องกันรอบฟองอากาศ
“ควรจำไว้ว่าสารลดแรงตึงผิวทุกชนิดไม่ได้มี คุณสมบัติในการเกิดฟอง เหมือนกันทั้งหมด คุณสมบัติเหล่านี้ขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ความเข้มข้นของสารลดแรงตึงผิว โครงสร้างโมเลกุล อุณหภูมิ และความแรงของไอออนในระบบ” 
ความสำคัญของโฟมในการใช้งานทางอุตสาหกรรม
ในอุตสาหกรรม โฟมเป็นเครื่องมือทางเทคโนโลยีที่มีประสิทธิภาพ ซึ่งขึ้นอยู่กับภาคส่วนนั้นๆ อาจเป็นทั้งตัวนำสารออกฤทธิ์ที่พึงประสงค์ หรือเป็นปัญหาสำคัญที่ขัดขวางการผลิต
โฟมเป็นที่ต้องการอย่างยิ่งใน ผลิตภัณฑ์ดูแลส่วนบุคคล แชมพู เจลอาบน้ำ และผลิตภัณฑ์ทำความสะอาดผิวหน้า ต่างพึ่งพาการเกิดโฟมจากสารลดแรงตึงผิวเป็นอย่างมาก โฟมที่เกิดขึ้นช่วยในการกระจายผลิตภัณฑ์อย่างมีประสิทธิภาพ ปรับปรุงความสะดวกสบายของผู้ใช้ และช่วยขจัดสิ่งสกปรกออกจากผิวหนังและเส้นผม
การเกิดโฟมมีประโยชน์อย่างยิ่งใน อุตสาหกรรมอาหาร สารทำให้เกิดโฟม รวมถึงสารลดแรงตึงผิว ถูกนำมาใช้ในการผลิตวิปครีม มูส และโฟมอื่นๆ โฟมเหล่านี้มีอิทธิพลต่อเนื้อสัมผัสและรสชาติของผลิตภัณฑ์อาหารต่างๆ สารลดแรงตึงผิวเกรดอาหาร เช่น เลซิติน มักใช้ในงานเหล่านี้
โฟมยังเป็นส่วนประกอบสำคัญ ของ โฟมดับเพลิง ซึ่งใช้ในการดับหรือป้องกันไฟไหม้ โฟมเหล่านี้สร้างกำแพงกั้นระหว่างเชื้อเพลิงและออกซิเจน จึงช่วยดับไฟได้ สารลดแรงตึงผิวที่ใช้ในโฟมเหล่านี้ต้องสร้างโฟมที่เสถียรและทนทานซึ่งสามารถปกคลุมพื้นที่ขนาดใหญ่ได้ ในทางกลับกัน การเกิดโฟมมากเกินไปเป็นปรากฏการณ์ที่ไม่พึงประสงค์ใน อุตสาหกรรมเยื่อและกระดาษ ฟองอากาศที่ติดอยู่ในเยื่อกระดาษทำให้เกิด ‘รูเล็กๆ’ และรูในแผ่นกระดาษสำเร็จรูป ซึ่งลดความแข็งแรงและคุณภาพการพิมพ์ลงอย่างมาก โฟมยังไม่เป็นที่ต้องการในบางภาคส่วน ของ การทำความสะอาดเครื่องจักร โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีของอุปกรณ์ที่ทำความสะอาดในระบบวงปิด โฟมสามารถบีบอัดได้ ดังนั้นหากเข้าไปในปั๊ม ตัวอย่างเช่น จะทำให้เกิดสิ่งที่เรียกว่า ‘การดักจับอากาศ’ (cavitation) และแรงดันการทำความสะอาดลดลง ซึ่งอาจนำไปสู่ความเสียหายของชิ้นส่วนแต่ละชิ้นได้
