Steven Abbott

Schaumherstellung

Es ist trivial einfach, einen Schaum zu machen – mischen Sie einfach Luft und Flüssigkeit mit etwas Energie und Blasen bilden sich. Wenn diese Blasen mit einem flüssigen Anteil ε im Bereich von 0,1-0,2 an die Oberfläche gelangen, handelt es sich um einen Kugelschaum („kugel“ bedeutet „Kugel“ und „Schaum“ bedeutet Schaum). Diese Schäume werden in diesen Apps nicht wirklich berücksichtigt. Wenn ε <0.1 dann haben wir einen Polyederschaum, den klassischen Schaum, der das zentrale Anliegen der praktischen Schäume ist. Obwohl es einfach ist, einen Schaum zu erzeugen, ist er in den meisten Fällen völlig instabil. Bei der Herstellung von Schaum geht es also nicht so sehr darum, wie man sie herstellt (was trivial ist), sondern wie man sie stabil macht (was nicht der Fall ist). Im Entschäumerabschnitt werden wir die noch schwierigere Frage diskutieren, wie man einen stabilen Schaum instabil macht.

Wie in Grundlagen erwähnt, ist die Energie, die benötigt wird, um einen Schaum zu erzeugen, umgekehrt proportional zur Oberflächenspannung γ. Die niedrige Oberflächenspannung hilft sicherlich, aber wenn γ von 40 (ein „schlechtes“ Tensid) auf 20mN / m (ein „sehr gutes“ Tensid) wechselt, wird die benötigte Energie nur halbiert, was nicht so wichtig ist. Betrachten Sie niedrige γ als notwendig (schließlich kann reines Wasser keinen Schaum bilden), aber nicht ausreichend. Also, welche Dinge sind erforderlich?

1. Elastizität. Der erste Grund, warum Tenside zur Bildung von Schäumen beitragen, ist, dass die Oberfläche elastisch wird. Dies bedeutet, dass die Blasen Stößen, Quetschungen und Verformungen standhalten können. Eine reine Wasseroberfläche hat keine solche Elastizität und die Blasen brechen schnell. Es bedeutet auch, dass diejenigen Systeme, die mehr Elastizität erzeugen (siehe Abschnitt Elastizität), bei sonst gleichen Bedingungen stabilere Schäume produzieren. Wie im Abschnitt Rheologie erörtert, liefert im Allgemeinen eine Wand, die sowohl steif als auch elastisch ist, einen Schaum mit einer größeren Fähigkeit, einer Schubkraft und damit einer höheren Streckspannung zu widerstehen. Kleinere Blasen ergeben auch eine höhere Fließspannung
2. Trenndruck. Der zweite Grund, warum Tenside zur Schaumbildung beitragen, besteht darin, dass die Flüssigkeit in den Schaumwänden auf natürliche Weise aus den Wänden in die Kanten gesaugt wird. Dies hat nichts mit Drainage zu tun (wie in Drainage erklärt, enthalten die Wände einen irrelevanten Anteil der Flüssigkeit), es ist nur eine einfache Kapillarität. Der Kapillardruck zieht weiterhin Flüssigkeit heraus, es sei denn, ein Gegendruck („Disjoining pressure“) wirkt dagegen. Dies kann durch Ladungen auf dem Tensid beidseitig der Wand und/oder durch sterische Wechselwirkungen zwischen Tensidketten erzeugt werden. Diese Effekte werden in DLVO diskutiert, aber da der Ladungseffekt über große Entfernungen (50 nm) im Vergleich zu den kleinen Entfernungen (5 nm) sterischer Effekte wirkt, sind ionische Tenside im Allgemeinen viel besser in der Lage, stabile Schäume zu erzeugen.
3. Resistenz gegen Reifung. Der Ostwald-Reifungseffekt bedeutet, dass kleine Blasen schrumpfen und große wachsen. Wie der Ostwald-Abschnitt zeigt, wird dies teilweise durch das Gas gesteuert (CO2 zerfällt schnell, Luft / N2 ist langsamer und C2F6 viel langsamer), aber auch dadurch, wie gut eine Barriere gegen die Gasdiffusion ist die „Wand“ des Tensids an der Oberfläche bietet.
4. Widerstand gegen Drainage. Je mehr Wasser um den Schaum herum ist, desto geringer ist (im Allgemeinen) das Risiko, dass er beschädigt wird. Ein Schaum, der schnell abfließt, wird also eher beschädigt. Wie wir sehen werden, um der Drainage zu widerstehen, benötigen Sie eine hohe Viskosität und kleine Blasen, obwohl die Tensidwand einen gewissen Einfluss auf den Drainageprozess hat, wobei steifere Wände (normalerweise) eine langsamere Drainage ergeben.
5. Beständigkeit gegen Defekte. Wenn Öl oder ein hydrophobes Partikel in die Schaumwand eindringen kann, kann dies dazu führen, dass die Wand (und damit der Schaum) bricht. Obwohl es plausible und einfache Theorien gibt (diskutiert in Entschäumer) von Eintritts-, Brücken- und Ausbreitungskoeffizienten Sie erweisen sich als von begrenztem Vorhersagewert. Wieder einmal sind sie notwendig, aber nicht ausreichend. Das Hauptproblem ist die Eintrittsbarriere. Wenn dieser hoch ist, ist der Schaum defektbeständig.

Diese Prinzipien sind so einfach, dennoch ist es überraschend schwierig, Schaumstoffe effizient herzustellen. Warum? Das Hauptproblem sind die Zeitskalen. Wenn ein Tensid wunderbar elastisch ist und einen starken Trenndruck hat und eine gute Gasbarriere und eine hohe Eintrittsbarriere aufweist, kann es (und tut es normalerweise) keinen Schaum bilden, weil es zu lange dauert, um die Flüssigkeits-Luft-Grenzfläche zu erreichen und seine starke resistente Domäne zu bilden, so dass der Schaum bereits zusammengebrochen ist. Auf der anderen Seite erzeugt ein Tensid, das schnell an die Oberfläche gelangt, um eine ausreichende Elastizität und einen zusammenhängenden Druck zu erzeugen, große Schaumvolumina – obwohl der Schaum schnell zusammenbricht, insbesondere in Gegenwart von öligen Verunreinigungen wie Fett, das von den Händen gewaschen wird.

Dies führt uns zum Problem der dynamischen Oberflächenspannungen. Es wäre wunderbar, eine App bereitzustellen, die die Komplexität von DST vollständig beschreibt und es Ihnen daher ermöglicht, eine Mischung mit sehr schneller Abnahme von ST herzustellen, um das schnellstmögliche Schaumverhalten zu erzielen. Aber meine Lektüre der Literatur ist, dass es schneller ist, das DST-Verhalten mit (meistens) einem maximalen Blasendruckgerät zu messen (das Blasen über verschiedene Zeitskalen erzeugt und daher die Oberflächenspannung in jedem dieser Zeitskalen angibt), als es ist zu versuchen, das Verhalten über Theorien zu beschreiben. Insbesondere gibt es große Debatten darüber, ob DST durch Diffusion, durch Barriereeintritt und / oder durch die Notwendigkeit begrenzt ist, aus einer Mizelle herauszukommen, bevor sie in die Grenzfläche eintritt. Meine Lektüre der ausgezeichneten Rezension von Eastoe1 ist, dass einfache Diffusion dominiert und dass die Existenz von Mizellen weitgehend keinen Unterschied macht, weil die Zeitskala für ein Tensidmolekül, um sich von der Mizelle zu trennen, sehr schnell ist, obwohl die Zeitskala für die Bildung / den Kollaps von Mizellen sehr langsam ist. Natürlich kann man echte Fälle von Eintrittsbarrieren und echte Fälle von mizellenbegrenzter Diffusion finden. Aber es ist noch komplizierter. Eine umfangreiche Analyse von U. Sofia zeigt, dass es 4 mögliche Ergebnisse in Systemen gibt, die Mizellen enthalten, von denen zwei (für den zufälligen Beobachter) nicht von der einfachen Diffusionskinetik zu unterscheiden sind und von denen zwei mit der Barrierekinetik verwechselt werden könnten. Schließlich ist es überraschend schwierig, Eintrittsbarriere- und Mizelleneffekte von den Effekten geringer Mengen von Verunreinigungen in den Tensiden zu unterscheiden, und für den praktischen Formulierer, der kommerzielle, ungereinigte Tenside verwendet, besteht wenig Hoffnung, die Feinheiten von DST-Kurven zu verstehen. Die Botschaft zum Mitnehmen lautet: „Formulieren Sie keine Schäume, ohne die Sommerzeit zu messen, aber verbringen Sie nicht zu viel Zeit damit, darüber zu theoretisieren, warum Sie für eine bestimmte Tensidkombination hervorragende Ergebnisse erzielen.“ Ich mag es nicht, solche Ratschläge zu schreiben, da ich normalerweise finde, dass gute Modelle der beste Weg sind, um viele Laborexperimente zu vermeiden. Das im Folgenden diskutierte Übersichtsartikel 2020 enthält jedoch eine Meisterklasse zur relevanten Theorie und kommt zu dem Schluss, dass „Die Theorie nicht wirklich hilft – messen Sie einfach die DSTs“ .

Die harte Realität ist, dass erfolgreiche Treibmittel in der Regel Mischungen sind, mit all den Komplexitäten, die sie hervorrufen. Die allgegenwärtige SLES / CAPB-Mischung (Sodium Laureth Sulfate / CocoAmidoPropyl Betaine) wird zufällig aus zwei ausgezeichneten Schnellschäumern hergestellt. Der CAPB selbst produziert viel stabilen Schaum, ist aber ziemlich teuer. CAPB ist besonders gut darin, eine hohe Eintrittsbarriere zu schaffen, so dass es während der Schaumbildung beständig gegen Öle ist. SLES allein produziert viel relativ instabilen Schaum. Eine Mischung aus beidem bietet ein gutes Gleichgewicht zwischen Kosten, Schaum und Stabilität. Die Zugabe eines geringen Anteils an Laurin- oder Myristinsäure hat jedoch einen dramatischen Effekt auf die Schaumstabilität. Es erhöht die Elastizität, verlangsamt aber auch das Blasenwachstum (Ostwald-Reifung) dramatisch, so dass der Schaum klein bleibt. Dies hat einen großen Einfluss auf die Fähigkeit des Wassers, aus dem Schaum abzufließen – die Entwässerungsgeschwindigkeit gilt als Durchmesser2 – und je trockener der Schaum ist, desto einfacher (wenn andere Dinge gleich sind) ist es, ihn auseinander zu brechen. Die langkettigen Säuren allein sind als Schaummittel unbrauchbar (und als Natriumsalze sind sie von bescheidener Schaumbildung als gewöhnliche Seife, die leicht durch hartes Wasser zerstört werden kann). Die Kombination von SLES / CAPB / langkettiger Säure ist eine potente Mischung zur Herstellung eines Schaums mit kleinen Blasen und langer Lebensdauer. In der Tat besteht eine einfache Möglichkeit, eine Handseife in einen Rasierschaum umzuwandeln, darin, einige% der langkettigen Säure hinzuzufügen.

Aber was ist mit meinem Tensidsystem?

Die Regeln für die Herstellung eines guten, stabilen Schaums (oder tatsächlich die Regeln, um sicherzustellen, dass kein solcher Schaum entsteht) sind einfach und klar. Warum ist es so schwierig, neue Schaumformulierungen zu entwickeln? Die Antwort ist, wenn Sie das richtige Setup haben, um alle Grundlagen zu messen: CMC, Γm, Trenndruck, Filmdicke, Grenzflächenelastizität und Eintrittsbarriere Dann ist es ziemlich einfach, das Beste aus jedem Satz von Tensiden und Schaumverstärkern herauszuholen, die Sie zufällig verwenden möchten. Die Messungen können weitgehend automatisiert werden, so dass viele Formulierungsmischungen schnell gescreent werden können. Ein Problem sind, wie oben erwähnt, die Zeitskalen. Die meisten Messungen werden nach vergleichsweise langen Zeiten durchgeführt, so dass zusätzliche zeitabhängige Experimente erforderlich sind, um zu sehen, ob die entsprechenden Teile einer Tensidmischung schnell genug an die Oberfläche gelangen, um einen Schaum zu erzeugen, der sich dann stabilisiert, wenn die langsameren Komponenten ankommen, um eine härtere Tensidschicht zu bilden. Das andere Problem ist, dass kleine Zusätze von Co-Tensiden, Schaumverstärkern usw. kann einen großen Unterschied machen, daher ist es notwendig, Messungen an einer großen Anzahl von Proben durchzuführen. Ein Roboterlabor, das für viele Hochdurchsatz-Screenings eingerichtet ist, kann viel harte Arbeit leisten, aber die meisten von uns haben keinen Zugang zu einem solchen Labor.Längerfristig würde eine Theorie, die das Grenzflächenverhalten von Inhaltsstoffgemischen vorhersagen könnte, die Entwicklung von Schaum wesentlich rationeller machen. Aber eine solche Theorie scheint in weiter Ferne zu liegen.

Die Ansicht von 2020

Ich habe diese Seite in den Jahren 2014-15 geschrieben und hatte keinen Grund, sie bis 2020 zu aktualisieren. Zu meiner Überraschung hat das, was ich geschrieben habe, den Test der Zeit bestanden. Ich habe keinen der vorherigen Texte geändert, außer dem DST-Satz, auf den sich der Leser hier bezieht. Aber eine meisterhafte Überprüfung2, unterstützt von einer ernsthaften Menge an Experimenten und Theorien, erlaubt es uns, etwas spezifischer zu sein. Auch hier ist es das Team von Sofia unter der Leitung von Prof. Tcholakova, das die Situation mit fünf Schlüsselpunkten geklärt hat.

1. Obwohl sowohl Non-Ionics als auch Ionics eine ausgezeichnete Schaumbildung erzeugen können, müssen die Non-Ionics über 95% der gesamten Oberflächenbedeckung der Grenzfläche liegen (mit einer Gibbs-Elastizität über 150 mN / m), bevor sie gut schäumen – es ist eine Art alles oder nichts. Ionics kann beginnen, glaubwürdigen Schaum bei 30% ihrer Oberflächenbedeckung zu produzieren (sogar mit Gibbs-Elastizität von nur 50 mN / m), mit einem mit einer stetigen Steigerung der Produktion, wenn Sie auf 100% zusteuern. Der Grund ist klar: Die sterische Stabilisierung der Schaumgrenzfläche funktioniert gut, jedoch nur bei nahezu vollständiger Abdeckung; Die Grenzfläche kann leicht brechen, wenn sogar eine Abdeckungslücke von 5% besteht. Ladungsstabilisierte Ionics sind viel verzeihender.
2. Die Geschwindigkeit, mit der die Tenside die Oberflächenbedeckung erzeugen, ist kritisch. Grundsätzlich, wenn sie in ein paar 10s von ms an die Schnittstelle gelangen, erhalten Sie leicht viele gute Ergebnisse. Diese Geschwindigkeit hängt von Konzentration, CMC, Oberflächenmobilität und Salzkonzentration ab und ist mit der Theorie / dem Experiment von 2020 in keiner Weise leicht extrahierbar (einige Hinweise auf die Komplexität finden Sie unter Sommerzeit und lesen Sie die Meisterklasse zur Theorie in der Arbeit, die zu dem Schluss kommt, dass dies nicht viel hilft). Das ist traurig in einer Weise, aber befreiend in einer anderen. Messen Sie einfach die dynamische Oberflächenspannung in einer Zeitskala von 10 ms und optimieren Sie die Formulierung, bis Sie eine starke Verringerung der Oberflächenspannung feststellen. Auf einem typischen maximalen Blasendruck-Tensiometer wird diese 10ms-Zeitskala bei ~ 300ms gemessen (es gibt einen festen Faktor für jedes gegebene MBPT-Gerät), da das tatsächliche Alter einer 300ms-Blase (sie dehnt sich ständig aus) nur 10ms beträgt. Die Tradition der Sofia-Schule besteht darin, die gemessene Zeit (z. B. 300ms) tage und die wissenschaftliche Zeit (z. B. 10ms) tu für universal zu nennen.
3. Der Schaum bei kürzeren Zeitskalen (in diesem Papier 10 Schüttelvorgänge ihres Messzylinders) ist nicht unbedingt eine zuverlässige Anleitung für das Schäumen nach längeren Zeitskalen (100 Schüttelvorgänge). Die schneller wirkenden Tenside geben nicht überraschend mehr Schaum in kurzen Zeiträumen, aber die langsameren können aufholen. Wie im nächsten Punkt besprochen, neigen die Schäume dazu, selbstlimitierend zu sein, so dass ein anfänglicher Vorteil nicht unbedingt zu einem langfristigen Vorteil führt. Für Anwendungen wie die Körperpflege ist natürlich schnelles Schäumen erforderlich, daher ist dieser Leistungsunterschied wichtig. Der Punkt ist, dass man vorsichtig sein muss, um verschiedene Arten von limitierenden Faktoren zu unterscheiden.
4. Dies wird in der Arbeit nur angedeutet, ist aber mit anderen Sofia-Arbeiten verbunden, wobei weitere veröffentlichte Ergebnisse versprochen werden. Die Menge und Stabilität des Schaums wird durch seine eigene Produktionsmethode begrenzt. Um mehr Schaum herzustellen, benötigen Sie im Allgemeinen viele kleinere Blasen. Diese werden durch Kräfte erzeugt, die Luft einfangen und quetschen oder Blasen scheren können, damit sie kleiner werden. Wenn der Schaum mit kleineren Blasen reicher wird, wird er viskoser (abhängig von 1 / Radius, siehe Schaumrheologie), so dass die Kräfte irgendwann nicht groß genug sind, um die Blasen zu etwas Kleinerem zu verformen. Der Effekt hängt etwas von der Steifigkeit der Grenzfläche und damit vom Tensid ab, wird jedoch hauptsächlich von der Fähigkeit dominiert, den feinen Schaum überhaupt zu erzeugen, d. H. Von der Grenzflächenstabilität und der Geschwindigkeit, mit der er erreicht wird. Aus diesem Grund können viele Tenside ähnliche Schaummengen erzeugen, solange sie in ausreichender Konzentration vorhanden sind, um die beiden vorherigen Anforderungen zu erfüllen. Wenn ich auf viele andere Schaumpapiere zurückblicke, sehe ich, dass es viel Verwirrung über Ursache und Wirkung gibt, weil like nicht mit like verglichen wurde. Und weil es (zu Recht) einen separaten Fokus auf die Schaumstabilität gibt, für die wir die anderen Apps auf dieser Seite haben.
5. Das Team verwendete bewusst Tenside „wie sie sind“, da ihre Verunreinigungen in den Daten ziemlich interessant sind. Messungen der% -Oberflächenbedeckung stammen natürlich von Adsorptionsisothermen CMC und Γ und diese zeigen oft seltsames Verhalten aufgrund geringer Konzentrationen anderer Komponenten. Das stört uns im Allgemeinen nicht, die Tenside sind, was sie sind, aber sie erschweren sicherlich akademische Analysen, wenn es notwendig ist, zum Beispiel zu wissen, ob Sie 50% oder 60% der Oberflächenbedeckung haben.

Schäumtechniken

Ich hatte den verschiedenen Schäumtechniken im Allgemeinen wenig Aufmerksamkeit geschenkt, aber die Bemerkung im vorherigen Abschnitt über selbstlimitierende Schäume ließ mich erkennen, dass ich auf einige verschiedene Methoden gestoßen bin.

1. Schüttelzylinder. Geben Sie beispielsweise 10 ml Lösung in einen 130 ml Messzylinder und schwingen Sie ihn, um das Schaumvolumen nach einer bestimmten Anzahl von Erschütterungen zu überprüfen. Wenn Sie 90% eingeschlossene Luft bekommen, dann sind Sie bei 100ml, also finden Sie, ob Sie 91, 92 haben … wird schwierig in einem 130ml Zylinder. Mein Eindruck ist, dass diese Art von Schaum relativ grob ist, aber ich könnte mich irren
2. Ross-Miles. Geben Sie etwas Testlösung in den Boden eines hohen Zylinders. Nun tropfenweise mehr von der Lösung von oben hinzufügen. Die Tropfen, die unten in die Flüssigkeit fallen, bilden einen Schaum. Messen Sie das Volumen am Ende der Zugabe und dann aus Stabilitätsgründen das Volumen nach einigen Minuten. Erstaunlicherweise ist dies ein Industriestandard-Test.
3. Blender. Nimm einfach einen großen Mixer und gib genug Flüssigkeit hinein, um die Klingen zu bedecken. Sausen Sie weg und messen Sie das Volumen, indem Sie den Inhalt in einen Messzylinder gießen. Die Tatsache, dass dies möglich ist, deutet darauf hin, dass der Schaum eher grob ist, da ein feiner Schaum schwer zu gießen wäre..
4. Planetenmischer. Nehmen Sie Kenwood Chef oder gleichwertig mit einem Schneebesen und beobachten Sie, was passiert, wenn sich der Schneebesen um seine Achse dreht, während Er sich auf der anderen Achse bewegt. Ein Papier aus der Sofia-Gruppe zeigt einen klaren selbstlimitierenden Effekt, sobald der Schaum dick genug wird, um die Oberflächenwellen zu zerquetschen, die anfänglich die Luft eingeschlossen haben, so dass dies gut für die Prüfung der Fähigkeit, feinere Schäume zu erzeugen, scheint.
5. Sparging Spalte. Blasen Sie Luft durch eine Fritte am Boden einer Säule, die Ihre schäumende Lösung enthält. Sie erhalten eine Vorstellung von der Schäumbarkeit und Stabilität aus der stabilen Höhe des Schaums, und / oder Sie können das Gewicht des Schaums messen, der in einer bestimmten Zeit über die Oberseite kommt. Weitere Details finden Sie auf der Seite Schaumfraktionierung.
6. Mikroschaum-Test. Ich musste einmal die Schäumbarkeit mit mg Tensid und µl Lösung messen. Dies war bemerkenswert einfach, indem ein stetiger Luftstrom durch eine sehr feine Spritzennadel in die Lösungen in Mikrotiterplatten geblasen wurde. Es ist eine sehr gute Hochdurchsatztechnik (weshalb wir sie entwickelt haben), um niedrige, mittlere und hohe Schäumer sowie kurze, mittlere und lange Schaumstoffe zu unterscheiden. Es ist grob, aber erstaunlich effektiv.
7. Druckluftschaum. Mischen Sie Ihre Tensidlösung mit etwas Hochdruckluft, lassen Sie sie ein Rohr hinunterlaufen, dehnen Sie sich aus und platzen Sie beispielsweise auf ein Öllagergefäß in Flammen. Ich habe einmal eine App für ein Feuerlöschprojekt geschrieben, das die Theorie eines solchen Schaums erforderte und einige Messungen benötigte, um die Theorie zu parametrisieren. Leider scheiterten die Live-Experimente auf einem Full-Size-Prüfstand, weil der Prüfstand während eines der Tests niederbrannte…
8. Aerosolschäume. Dies ist eine Variante des vorherigen in kleinerem Maßstab. Das Treibmittel in einer Dose (typischerweise eine Kohlenwasserstoffgasmischung) wird schön in die Tensidmischung eingemischt, so dass eine Masse feiner Blasen entsteht, wenn es sich plötzlich ausdehnt. Ein typisches Beispiel ist ein Rasierschaum, der fein sein muss, damit die hohe Viskosität und Streckgrenze im Gesicht bleibt.
9. Hand reiben. Ich weiß, dass das Schäumen keine Bedeutung für das Waschen hat – das Verlangen danach ist psychologisch, nicht physikalisch. Ich hatte mir also nie die Mühe gemacht zu sehen, wie viel Schaum man mit fantasievollem Handreiben erzeugen kann. Es ist ziemlich viel, aber aus meiner Sicht nicht die Mühe wert.
10. Rasierpinsel. Ich hatte Rasierpinsel nie verstanden. Sie produzierten keine interessante Menge Schaum und schienen nur eine komplizierte Art zu sein, Seife über mein Gesicht zu verteilen. Aber dann hatte ich mir nie die Mühe gemacht zu lernen, wie man es macht. Wenn Sie auf einen Klecks nasser Seife auf der Hand wischen, scheint nicht viel zu passieren. Das liegt daran, dass sich der gesamte Schaum in der Bürste befindet. Drücken Sie einfach die Bürste in irgendeiner Weise, und heraus kommt eine Masse von sehr feinen, stabilen Schaum, perfekt für die Platzierung auf dem Gesicht. Ich war sehr beeindruckt.
11. Schäumendes Netz. Nehmen Sie ein paar cm feines Netz und reiben Sie es mit der nassen Seife fest zwischen Ihren Händen. Wie beim Rasierpinsel passiert nicht viel, wenn Sie nicht wissen, was Sie versuchen zu tun – ich musste auf YouTube gehen, um es herauszufinden. Wenn Sie das Netz zwischen Ihren Fingern ziehen, entsteht eine große Menge Schaum. Wiederholen Sie dies ein paar Mal und Sie erhalten eine unglaubliche Menge an feinem, stabilem Schaum. Das feine Netz ist eindeutig gut darin, größere Blasen in kleinere zu zerlegen. Warum sich jemand die Mühe macht, diese Masse an Schaumblasen zu erzeugen, ist keine Frage, die ich beantworten kann.
12. Messungen von Schlüsselparametern.
    • Offensichtlich Schaumhöhe, gegebenenfalls, und das Verhältnis der Gesamthöhe zur Flüssigkeitsmenge im Boden des Behälters, und wie sich dies im Laufe der Zeit ändert.
    • Ein Leitfähigkeitsmesser über einen bekannten Spalt, kalibriert mit der Leitfähigkeit des im Experiment verwendeten Wassers, gibt Ihnen eine gute Vorstellung vom Volumenanteil der Luft.
    • Setzen Sie ein großes Prisma in Kontakt mit dem Schaum und koppeln Sie Licht hinein und aus ihm heraus. Ein Video zeigt einen starken Kontrast zwischen dem Kontakt mit Wasser (weiß) und Luft (schwarz) und es ist dann einfach, die Bildanalyse zu verwenden, um den Schaum zu messen. Experimente haben gezeigt, dass das Prisma eine überraschend kleine Störung am Schaum selbst aufweist, so dass die Messungen relevant sind. Es ist unglaublich schwierig, eine gute Bildanalyse aus Bildern von freiem Schaum zu erhalten, da es selten einen guten Kontrast zwischen Wänden und dem Rest gibt.

Ölschäume

Es scheint offensichtlich, dass man in Ölen keine Schäume herstellen kann. Die Oberflächenspannungen von Ölen sind gering und ein Tensid kann keinen großen Unterschied machen und daher kann die entscheidende elastizitätsstabilisierende Wirkung nicht zum Tragen kommen. Dies gilt im Allgemeinen für einfache Kohlenwasserstofföle. Um Schäume in diesen herzustellen, müssen Sie clevere partikuläre Tricks wie lyotrope Phasen bestimmter Tenside (wie Mono-Myristylglycerat) oder hydrophobierte Kieselsäuren (siehe Binks in Google Scholar) verwenden. Aber die reale Ölindustrie hat massive Probleme mit Schäumen und die Kunst / Wissenschaft, Entschäumer für jedes spezifische Rohöl zu finden, ist eine große Herausforderung. Warum schäumen viele Rohöle?

Die klarste wissenschaftliche Beschreibung stammt aus der Arbeit von Callaghan und Kollegen am BP3. Sie extrahierten sorgfältig alle sauren Komponenten aus einer Vielzahl von Ölen (diese stellten typischerweise nur 0,02 Gew.-% dar) und stellten fest, dass das Öl (a) keine Elastizität und (b) keine Schaumbildung zeigte. Wenn sie die Extrakte wieder dem No-Foam-Öl zusetzten, kehrten sowohl Elastizität als auch Schaumbildung zurück. Die Säuren waren eher einfache langkettige Alkansäuren wie Dodecansäure. Obwohl dieses Papier die Oberflächenspannungen des Rohstoffs nicht aufzeichnete, zeigen andere Papiere typische Werte im niedrigen Bereich von 30 mn / m, die jedoch durch Zugabe einfacher Tenside oder Entschäumer auf Mitte der 20er Jahre reduziert werden können. Dies ist kein großer Rückgang und daher können die Elastizitätseffekte nicht groß sein. In Rohölen können die Drücke jedoch sehr hoch sein, so dass das Sprudeln sehr heftig sein kann, wenn das Rohöl atmosphärischen Druck erreicht, so dass es keinen sehr starken tensidischen Effekt benötigt, um massives Schäumen zu verursachen.

Zurück zur anderen Art der Schaumstabilisierung: Rohöl wird in der Regel durch das Vorhandensein von Asphaltenen erschwert, die an der Luft-Öl-Grenzfläche leicht kristallisieren / clustern und auf diese Weise schäumen können. Und wie wir sehen werden, wird die Schaumstabilität durch die hohe Viskosität, die viele Öle leicht liefern können, erheblich verbessert. Aber nichts ist einfach: Asphaltene haben sich als sehr bescheidene Tenside erwiesen, die in Toluol schäumen können, wo sie (definitionsgemäß) löslich sind.

Feuerlöschschäume

Dies ist ein riesiges Thema. Der einzige Punkt, der hier angesprochen wird, ist, dass für Öl- / Benzinbrände das Tensid nicht gut sein sollte, um das Öl mit dem Wasser im Schaum zu emulgieren. Die Standardtheorie besagt daher, dass das System einen großen „Ausbreitungskoeffizienten“ benötigt (siehe Entschäumerabschnitt), der in der Praxis nur mit Fluortensiden erreicht werden kann. Solche Schäume sind erstaunlich gut darin, durch riesige Flammen gestrahlt zu werden, um schön auf der Oberfläche der brennenden Flüssigkeit zu landen (die zur Überraschung vieler „nur“ am Siedepunkt ist – nicht bei einer superhohen Temperatur) und löschte das Feuer. Für wirklich robuste Schäume ist die Zugabe eines Proteintensids eine gute Idee – normalerweise als Teil einer schnellen / langsamen Mischung aus einem normalen schnellen Tensid, um den Schaum in Gang zu bringen, und dem langsamen Protein, das nach einiger Zeit die Grenzfläche erreicht und das Ganze bemerkenswert fest macht. Alternativ können einige Polymere mit hohem MWt-Gehalt diese Funktion erfüllen, um einen AR-AFFF-alkoholresistenten, wässrigen filmbildenden Schaum zu erzeugen, der nicht nur bei unpolaren Bränden, sondern auch bei polaren Bränden wirkt, für die ein herkömmlicher Schaum möglicherweise zu kompatibel ist mit der Flüssigkeit.Mit der Abkehr von Fluortensiden (scheinbar unvermeidlich, gerechtfertigt oder nicht) ist es meiner Ansicht nach jedoch notwendig, sich auf die Herstellung von LRLP-Schäumen mit geringem Radius und geringer Permeabilität zu konzentrieren, die mit Standardtensiden hergestellt werden. Wenn Sie sich mit Schaumrheologie, Drainage und Ostwald-Reifung befassen, werden Sie feststellen, dass Schaumstoffe mit kleinem Radius steifer und zäher sind. So können Sie Schaumlebensdauer über kleinere Blasen gewinnen. Und mit Tricks wie der Zugabe von Myristinsäure können Sie einen Schaum mit geringer Permeabilität herstellen, indem Sie die Grenzfläche steifer machen. Dies trägt dazu bei, die Geschwindigkeit zu verringern, mit der sich warme Dämpfe durch den Schaum bewegen können, wodurch das Risiko einer erneuten Entzündung verringert wird.