Produção de espuma | surfactantes práticos Ciência / Prof. Steven Abbott

as regras para a criação de uma boa espuma estável (ou, na verdade, as regras para garantir que tal espuma não é criada) são simples e claras. Então por que é tão difícil criar novas formulações de espuma? A resposta é que se você tem a configuração certa para medir todos os fundamentos: CMC, Γm, saindo de pressão v espessura do filme, interfacial a elasticidade e a entrada de barreira, em seguida, é bem simples fazer o melhor de qualquer conjunto de surfactantes e espuma de reforços acontecer de você desejar usar. As medições podem, em grande parte, ser automatizadas para que muitas misturas de formulação possam ser rastreadas rapidamente. Um problema, como mencionado acima,são os prazos. A maioria das medições são feitas depois de tempos relativamente longos, por isso precisa de experiências dependentes do tempo extra para ver se as partes apropriadas de uma mistura surfactante vai chegar à superfície suficientemente rápido para criar uma espuma que, em seguida, torna-se estabilizada à medida que os componentes mais lentos chegam a formar uma camada surfactante mais resistente. O outro problema é que pequenas adições de co-surfactantes, boosters de espuma, etc. pode fazer uma grande diferença, por isso é necessário realizar medições em grande número de amostras. Um laboratório robótico criado para fazer muita triagem de alta capacidade pode fazer muito do trabalho duro, mas a maior parte do uso não tem acesso a tal laboratório.a longo prazo, uma teoria que pudesse prever o comportamento interfacial de misturas de ingredientes tornaria o desenvolvimento de espuma muito mais racional. Mas essa teoria parece estar muito longe.

a visão de 2020

eu escrevi esta página em 2014-15 e não tinha nenhuma razão para atualizá-la até 2020. Para minha surpresa, o que escrevi resistiu ao teste do tempo. Eu não mudei nenhum do texto anterior, a não ser a frase DST que remete o leitor para aqui. Mas uma revisão magistral2, apoiada por uma séria quantidade de experimentos e teoria, nos permite ser um pouco mais específicos. Mais uma vez é a equipe em Sofia, liderada por Prof. Tcholakova, que esclareceu a situação com cinco pontos-chave.

1. Apesar de tanto não-iônica e iônica pode produzir excelente formação de espuma, não-iônica precisa ser acima de 95% da superfície total de cobertura da interface (com um Gibbs Elasticidade mais de 150 mN/m) antes de espuma bem – é uma espécie de tudo ou nada. Os íônicos podem começar a produzir espuma credível a 30% de sua cobertura de superfície (mesmo com elasticidade de Gibbs de apenas 50 mN/m), com um aumento constante na produção à medida que você vai para 100%. A razão é clara: a estabilização estérica da interface de espuma funciona bem, mas apenas quando há uma cobertura quase completa; a interface pode quebrar facilmente se houver mesmo uma diferença de 5% na cobertura. A carga estabilizada iónica é muito mais indulgente.
2. a velocidade a que os tensoactivos geram a cobertura da superfície é crítica. Basicamente, se eles chegarem à interface em alguns 10s de ms, você vai facilmente obter muita espuma boa. Esta velocidade depende da concentração, CMC, mobilidade superficial, concentratioína salina de nenhuma forma que seja facilmente extraível com a teoria/experimento de 2020 (para algumas dicas da complexidade, veja DST-Choice, e leia a classe mestre sobre a teoria dentro do artigo, que conclui que não é muito útil). Isto é triste de uma forma, mas Libertador de outra. Basta medir a tensão superficial dinâmica a uma escala de tempo de 10ms e ajustar a formulação até encontrar uma grande redução na tensão superficial. Num Tensiómetro típico de Pressão máxima de bolha, esta escala de tempo de 10ms é medida em ~300ms (existe um factor fixo para um determinado dispositivo MBPT) porque a idade real de uma bolha de 300ms (está a expandir-se o tempo todo) é de apenas 10ms. a tradição da Escola de Sofia é chamar o tempo medido (por exemplo, 300ms) de tage e o tempo científico (por exemplo, 10ms) tu para universal.
3. A espuma em intervalos de tempo mais curtos (neste artigo, 10 tremores do seu cilindro de medida) não é necessariamente um guia fiável para a formação de espuma após períodos mais longos (100 tremores). Os surfactantes de ação mais rápida, não surpreendentemente, dão mais espuma em curtos períodos de tempo, mas os mais lentos podem alcançar. Como discutido no ponto seguinte, as espumas tendem a ser auto-limitantes, então uma vantagem inicial não leva necessariamente a uma vantagem de longo prazo. Claro que, para aplicações como cuidados pessoais, a espuma rápida é um requisito para que esta diferença de desempenho é importante. A questão é que temos de ter o cuidado de distinguir diferentes tipos de factores limitativos. isto só é mencionado no artigo, mas Está ligado a outro trabalho de Sófia, com mais resultados publicados prometidos. A quantidade e a estabilidade da espuma são limitadas pelo seu próprio método de produção. Para fazer mais espuma você geralmente precisa de lotes de bolhas menores. Estas são criadas por todas as forças que são capazes de prender ar e squash, ou bolhas de cisalhamento para que eles fiquem menores. Como a espuma fica mais rica com bolhas menores, ela fica mais viscosa (dependendo de 1/raio, ver Rheologia da espuma), então em algum ponto as forças não são grandes o suficiente para deformar as bolhas para algo menor. O efeito depende um pouco da rigidez da interface e, portanto, do surfactante, mas é principalmente dominado pela capacidade de criar a espuma fina em primeiro lugar, ou seja, a estabilidade interfacial e a velocidade de alcançá-la. É por isso que muitos tensioactivos podem produzir quantidades semelhantes de espuma, desde que estejam presentes em concentração suficiente para satisfazer os dois requisitos anteriores. Olhando para trás para muitos outros papéis de espuma eu vejo que há muita confusão de causa e efeito, porque como não estava sendo comparado a como. E porque há (justamente) um foco separado na estabilidade da espuma, para o qual temos os outros aplicativos neste site.a equipa usou deliberadamente tensioactivos “como está” porque as suas impurezas mostram-se bastante interessantes nos dados. As medições de % de cobertura da superfície provêm, naturalmente, de isotérmicas de adsorção CMC e Γ, que apresentam frequentemente comportamentos estranhos devido aos baixos níveis de outros componentes. Isso geralmente não nos incomoda, os surfactantes são o que são, mas certamente complicam as análises acadêmicas quando é necessário saber, por exemplo, se você tem 50% ou 60% da cobertura superficial.

técnicas de formação de espuma

geralmente tinha prestado pouca atenção às diferentes técnicas de formação de espuma, mas a observação na secção anterior sobre as espumas serem auto-limitantes fez-me perceber que me deparei com vários métodos diferentes.cilindro agitador. Colocar, digamos, 10 ml de solução em um cilindro de medição de 130 ml e oscilá-lo, verificando o volume de espuma após um determinado número de tremores. Se você tem 90% de ar preso, então você está em 100ml, então descobrir se você tem 91, 92 … fica complicado num cilindro de 130 ml. Minha impressão é que este tipo de espuma é relativamente grosseira, mas eu posso estar errado Ross-Miles. Colocar uma solução de ensaio no fundo de um cilindro alto. Agora dropwise adicione mais da solução a partir do topo. As gotas que esmagam o líquido abaixo produzem uma espuma. Medir o volume no final da adição, em seguida, para a estabilidade, o volume após alguns minutos. Surpreendentemente, este é um teste padrão da indústria.Misturador. Arranja um liquidificador grande e põe líquido suficiente para cobrir as lâminas. Pulverizar e medir o volume, vertendo o conteúdo para um cilindro de medição. O fato de que isso pode ser feito sugere que a espuma é bastante grosseira, porque uma espuma fina seria difícil de verter..misturador planetário. Leve você Chef Kenwood ou equivalente com um batedor de fio e veja o que acontece quando o batedor gira em seu eixo enquanto se move em torno do outro eixo. Um artigo do Grupo Sofia mostra um efeito auto-limitante claro, uma vez que a espuma fica grossa o suficiente para esmagar as ondas de superfície que inicialmente aprisionaram o ar, então isso parece bom para testar a capacidade de criar Espumas mais finas.coluna de fixação. Soprar ar através de uma frigideira na parte inferior de uma coluna contendo a sua solução de espuma. Você tem alguma idéia da espuma e estabilidade a partir da altura estável da espuma, e/ou você pode medir o peso da espuma que vem sobre o topo em um determinado tempo. Mais detalhes estão disponíveis na página de fraccionamento de espuma. ensaio de micro-espuma. Uma vez tive de medir a espuma utilizando mg de surfactante e µl de solução. Isto foi extremamente fácil de fazer com um fluxo constante de ar que sopra através de uma agulha de seringa muito fina para as soluções em placas de micro-título. É uma técnica de alta produção muito boa (e é por isso que a desenvolvemos) para distinguir espuma de baixa, média e alta e espuma de vida curta, média e longa. É grosseiro, mas incrivelmente eficaz.espuma de ar comprimido. Misture a sua solução surfactante com ar de alta pressão, deixe-a descer por um tubo, expandindo-se à medida que vai, e irrompe para, digamos, um recipiente de armazenamento de petróleo em chamas. Uma vez escrevi um aplicativo para um projeto de combate a incêndios que requeria a teoria de tal espuma e precisava de algumas medidas para parameterizar a teoria. Infelizmente, as experiências ao vivo de uma plataforma de testes em tamanho real falharam porque a plataforma ardeu durante um dos testes…Espumas aerossóis. Esta é uma variante da anterior, em menor escala. O propelente em uma lata (tipicamente uma mistura de gás hidrocarbonado) é maravilhosamente misturado na mistura surfactante assim cria uma massa de bolhas finas quando subitamente se expande. Um exemplo típico é uma espuma de barbear que tem que ser fina, a fim de ter a alta viscosidade e tensão de rendimento para permanecer na face.fricção nas mãos. Eu sei que a espuma não tem significado em termos de lavagem – o desejo por ela é psicológico, não física. Nunca me preocupei em ver quanta espuma se pode criar com uma mão imaginativa a esfregar. É bastante, mas na minha opinião não vale a pena o esforço. Escova De Barbear. Nunca tinha entendido Pincéis de barbear. Eles não produziram uma quantidade interessante de espuma e apenas parecia uma maneira complicada de espalhar sabão sobre a minha cara. Mas nunca me preocupei em aprender a fazê-lo. Se você levar para fora em uma bolha de sabão molhado em uma mão, nada muito parece estar acontecendo. Isso é porque toda a espuma está no mato. Basta apertar o pincel de qualquer maneira, e para fora vem uma massa de espuma muito fina, estável, perfeito para colocar na face. Fiquei muito impressionado.Rede De Espuma. Pegue alguns centímetros de uma rede fina e esfregue-a com força entre as mãos com o sabão molhado. Como com o pincel de barbear, nada acontece muito se você não sabe o que está tentando fazer – eu tive que ir ao YouTube para descobrir. Se você puxar a rede entre os dedos, uma grande quantidade de espuma emerge. Repita isso algumas vezes e você recebe uma quantidade incrível de espuma fina e estável. A rede fina é claramente boa em quebrar bolhas maiores em bolhas menores. Porque é que alguém se preocupa em gastar o seu tempo a criar esta massa de bolhas de espuma não é uma pergunta a que estou qualificado para responder.medições dos principais parâmetros.obviamente a altura da espuma, quando apropriado, e a relação entre a altura total e a quantidade de líquido no fundo do recipiente, e a forma como isso muda ao longo do tempo.um medidor de condutividade através de uma lacuna conhecida, calibrado com a condutividade da água usada no experimento, dá-lhe uma boa ideia da fração de volume de ar.coloque um grande prisma em contacto com a espuma e acenda a luz para dentro e para fora dela. Um vídeo mostra um forte contraste entre o contato com água (branca) e ar (preto) e, em seguida, é fácil usar a análise de imagem para medir a espuma. Experimentos têm mostrado que o prisma tem uma perturbação surpreendentemente pequena na própria espuma, de modo que as medições são relevantes. É incrivelmente difícil obter uma boa análise de imagem a partir de imagens de espuma livre, porque raramente há um bom contraste confiável entre as paredes e o resto.parece óbvio que não se pode fazer Espumas nos óleos. As tensões superficiais dos óleos são baixas e um surfactante não pode fazer muita diferença e, portanto, o efeito crucial de estabilização da elasticidade não pode entrar em funcionamento. Isto é geralmente verdade para óleos de hidrocarbonetos simples. Para produzir Espumas nestas, você precisa usar truques de partículas inteligentes, tais como fases lyotrópicas de surfactantes específicos (tais como monoimristilglicerato) ou silicas hidrofobizadas (procurar Binks no Google Scholar). Mas a verdadeira indústria petrolífera tem enormes problemas com Espumas e a arte/ciência de encontrar defoamers para cada petróleo bruto específico é um grande desafio. Porque é que muitos óleos brutos espumam? a descrição científica mais clara disto vem do trabalho de Callaghan e colegas da BP3. Eles cuidadosamente extraíram todos os componentes ácidos de uma ampla gama de óleos (estes tipicamente representavam apenas 0,02% em peso) e descobriram que o óleo mostrou (a) nenhuma elasticidade e (B) nenhuma espuma. Se eles adicionaram os extratos de volta ao óleo sem espuma, então tanto elasticidade e espuma voltou. Os ácidos eram ácidos alcanóicos de cadeia longa(ish) simples, como o dodecanóico. Embora este artigo não registre as tensões de superfície do crude, outros trabalhos mostram valores típicos no baixo 30mN/m, mas que podem ser reduzidos a meados dos anos 20 por adições de surfactantes simples ou defoamers. Não se trata de uma diminuição enorme e, por conseguinte, os efeitos de elasticidade não podem ser grandes. No entanto, em óleos brutos as pressões podem ser muito altas para que a borbulhagem pode ser muito violenta quando o crude atinge a pressão atmosférica, de modo que não precisa de um efeito de surfactação muito forte para causar espuma maciça.voltando ao outro tipo de estabilização da espuma, o petróleo bruto é geralmente complicado pela presença de asfaltenos que podem cristalizar-se facilmente na interface ar/óleo e fornecer espuma dessa forma. E, como veremos, a estabilidade da espuma é grandemente aumentada pela alta viscosidade que muitos óleos podem prontamente suprir. Mas nada é simples: os asfaltenos demonstraram ser tensioactivos muito modestos que podem produzir espuma em tolueno onde são (por definição) solúveis.este é um assunto enorme. O único ponto aqui levantado é que para os incêndios de óleo / gasolina o surfactante não deve ser bom para emulsionar o óleo com a água na espuma. A teoria padrão, portanto, afirma que o sistema precisa de um grande “coeficiente de propagação” (ver a seção Antifoam) que na prática só pode ser alcançado com fluorosurfactantes. Tais espumas são surpreendentemente boas a serem atiradas através de enormes chamas para pousar bem na superfície do líquido em chamas (que, para surpresa de muitos, é “apenas” em seu ponto de ebulição – não alguma temperatura super alta) e apagar o fogo. Para espumas realmente robustas adicionando um surfactante de proteína é uma boa idéia-geralmente como parte de uma mistura rápida/lenta de um surfactante rápido normal para obter a espuma indo e a proteína lenta que atinge a interface após um tempo e torna toda a coisa notavelmente sólida. Alternativamente, alguns polímeros MWt elevados podem desempenhar esta função para criar uma espuma aquosa resistente ao álcool AR-AFF formando Película, o que significa que funciona não só em incêndios não polares, mas também em incêndios polares para os quais uma espuma convencional pode ser demasiado compatível com o líquido.

no entanto, com a mudança de fluorosurfactantes (aparentemente inevitável, justificável ou não), a minha opinião é que é necessário concentrar-se na criação do que eu chamo de espumas LRL, baixo raio e baixa permeabilidade, criado com surfactantes padrão. Se você explorar a espuma rheologia, drenagem, Ostwald amadurecendo você vai ver que as espumas de pequeno raio são mais duras e mais duras. Para ganhares tempo de vida com espuma através de bolhas mais pequenas. E com truques como adicionar ácido mirístico, você pode fazer uma espuma baixa permeabilidade, tornando a interface mais rígida. Isto ajuda a reduzir a velocidade a que os vapores quentes podem mover-se através da espuma, reduzindo o risco de eles reacenderem.