Пены и пенообразователи.
Пена - одна из разновидностей дисперсий (см. словарь терминов), дисперсия газа в жидкости. В нашем, "пенобетонном", случае газом является воздух. Образуется пена при движении пузырьков воздуха в воде. Скопление пузырьков в верхнем слое приводит к увеличению их концентрации и образованию связной системы. Таким образом, получается двухфазная (пустая) пена. При введении в водный раствор твёрдых дисперсных частиц, появляется третья фаза, которая размещается в промежутках между ячейками. Частицы попадают в промежуточные плёнки путём механического воздействия либо прилипнув к пузырькам воздуха, минерализировав эмульсию. Скапливаясь в верхних слоях, пена отделяется от жидкости, образуя концентрат. Создаётся устойчивая трёхфазная пена.
Способов получения пен довольно много, как и веществ, их образующих. Нас же интересуют только пены, полученные из водных растворов поверхностно - активных веществ, так как именно они используются в производстве пенобетона. ПАВ - это собирательное понятие, объединяющее тысячи различных веществ, каждое из которых в той или иной мере обладает пенообразующей способностью. Структуру и свойства ПАВ можно объяснить следующим образом.
Молекула его состоит из полярной (гидрофильной) и неполярной (гидрофобной) частей. Одна часть молекулы тяготеет к воде, другая наоборот. Именно поэтому эти вещества склонны скапливаться на поверхности раствора (поверхности раздела фаз), образуя слой вещества толщиной в одну молекулу, гидрофильной частью к воде, гидрофобной наружу. Даже в очень разбавленных растворах ПАВ под влиянием адсорбции и ориентации молекул на поверхности раздела фаз наблюдается понижение поверхностного натяжения. В таких растворах легко осуществляются процессы эмульгирования, смачивания, диспергирования, пенообразования. Адсорбция молекул ПАВ на поверхности раствора приводит к понижению свободной поверхностной знергии и к появлению некоторых особых свойств: вязкости, эластичности и др.
Величину взаимодействия молекул жидкости характеризуют понятием "внутреннее давление", для полярных жидкостей оно особенно велико. Известно, что вода практически несжимаема, что обусловленно именно внутренним давлением молекул воды. Эти силы достигают астрономических величин, у воды внутреннее давление превышает 1.1 Гпа, что соответствует 11 000 атмосфер. Силы молекулярного притяжения в поверхностном слое жидкости (как, впрочем, и у твёрдых тел) не скомпенсированы, в нём появляется свободная поверхностная энергия, называемая поверхностным натяжением. Вряд ли у Вас получится рассыпать как песок молекулы воды на достаточно длительное время, посредством ПАВ эта задача частично решается, образованием устойчивой пены.
Итак. Возух, заключённый в оболочку из воды, при определённых условиях образует скопление пузырьков. Поверхностное натяжение воды некоторое время противодействует соединению молекул до уравновешенного состояния. При добавлении ПАВ, его молекулы, распределяясь по стенкам пузырьков, компенсируют силы внутреннего давления молекул воды. Получается относительно устойчивая пена.
Исследовать пены целесообразно по двум количественным характеристикам: пенистость и устойчивость. В первом случае, это максимальная высота столба пены или её начальный объём при постоянных условиях пенообразования. Второе - величина, обратная скорости саморазрушения (коалесценции). Обе эти величины, прежде всего, зависят от концентрации пенообразователя в водном растворе и имеют важнейшее практическое значение.
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Практика. Создайте на своём производстве мини-лабораторию изучения пены! Для этого Вам понадобится цилиндрическая трубка (можно пэт-бутылку без верха использовать или даже ведро), журнал для записи наблюдений и построения кинетических кривых, часы. Выберите для себя постоянные условия создания пены (концентрация пенообразователя, температура наблюдений, качество воды).
Сделайте пену наберите её в ёмкость, поставте в выбранное место, измерьте высоту и объём, запишите исходные данные в журнал. Нарисуйте систему координат и поставьте в ней первую точку будующей кинетической кривой. Через выбранные Вами промежутки времени добавляйте точки в систему координат и стройте кривую. На рисунке показано построение кинетической кривой. Для наглядн
ости в одну систему координат можно заносить графики нескольких опытов. Вдальнейшем, при сравнении, построеных Вами кривых делайте выводы о качестве того или иного пенообразователя.
Особенно важны такие исследования при выборе пенообразователя для использования в холодные сезоны. Пенообразователь, не очень шорошо себя показавший в тёплое время, стойко держит пенобетонную массу при невысоких температурах. Обращайте внимание на величину пузырьков и их однородность в готовой пене, они позволяют сделать некоторые выводы. На пенах с большим размером пузырьков можно при равной концентрации сделать пенобетон меньшего объёмного веса (D250, D300).
Незаменимы такие исследования при использовании разных добавок, испытав их на пене, можно сразу же сделать выводы. Данные исследования не дают представления о влиянии добавок на свойства цемента!
Изучение взаимодействия цемента, ПАВов и добавок, так же можно проводить по построению кинетических кривых. Одинаковые объёмы пены и цементного теста (например 1 литр и 1 литр) смешать до получения пенобетонной массы, разлить по ёмкостям и создать температурные условия для затвердевания. Правда есть одно большое "НО" - при каждом исследовании Вы должны иметь цемент одного и того же качества и свойств. В противном случае изменение кинетики можно будет списать на отклонение характеристик цемента в разных пробах, а не на влияние добавок.
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Синтетические и белковые пенообразователи. Тема древняя, на Руси ещё в ХIII веке было налажено промышленное производство и даже экспорт мыла, получаемого из животных и растительных жиров. Само же мыло, естественно, было придумано значительно раньше (тысячелетия назад). В 1912 году русский учёный Г.С.Петров путём сульфирования нафтеновых кислот создал первое синтетическое моющее средство, получившее название "контакт Петрова", до сих пор в производстве СМС (синтетических моющих средств) используется этот метод.
Синтетические пенообразователи можно поделить на несколько групп, анионоактивные (самые распрастранённые, 80% из всех ПАВ), катионоактивные (редко-специальные, 3-4%), неионогенные (косметическая, пищевая промышленность, 15%), амфолитные (1-2%, в сависимости от среды применения могут вести себя как любая из трёх предшествующих групп - "хитрые"). Дешёвые, удобные, долго хранятся, долго разлогаются, неэкологичные.
Белковые пенообразователи. Классифицировать вкратце невозможно из-за множества способов получения и огромного количества природных веществ, используемых для их приготовления (животные и растительные жиры и масла, плоды некоторых деревьев, сами деревья, коренья, водоросли, рога, копыта и пр. пр.). Если только на два типа, по образующим и необразующим мицеллы (сильные и слабые). Обладают такими характеристиками, как относительная дороговизна, небольшие сроки хранения (требуют применения консервантов и стабилизаторов), высокая устойчивость пены, однородность её, эгологичны за счёт быстрой разлогаемости.
При работе над статьёй была использована следующая литература.
А.П.Меркин, П.Р.Таубе "Непрочное чудо" 1983 г.
П.А.Ребиндер "Поверхностные явления".
