Методы пеногашения при повышении концентрации ПАВ и образовании избыточного пенообразования

Введение

Образование пены является распространенной проблемой во многих промышленных составах, особенно в покрытиях на водной основе , где широко используются поверхностно-активные вещества. Хотя поверхностно-активные вещества играют решающую роль в стабилизации эмульсий, диспергировании пигментов и изменении поверхностного натяжения, они также непреднамеренно способствуют образованию и стабилизации пены , особенно при использовании в высоких концентрациях. В этой статье исследуется, как концентрация поверхностно-активных веществ влияет на образование и стабильность пены, а также почему пеногашение в этих системах становится более трудным.

Как образуется пена в жидкостях, содержащих ПАВ

Когда воздух попадает в жидкую систему , например, во время смешивания или взбалтывания, он разделяется на крошечные пузырьки из-за его низкой растворимости в воде . Эти пузырьки образуют гетерогенную систему , увеличивая границу раздела газ-жидкость и свободную энергию системы..

По мере увеличения концентрации поверхностно-активного вещества поверхностное натяжение сначала быстро снижается. Однако после определенной концентрации поверхностное натяжение выходит на плато. Эта критическая точка известна как критическая концентрация мицелл (ККМ) — ключевое понятие в науке о поверхностно-активных веществах. В КМЦ молекулы ПАВ образуют на поверхности плотно упакованный монослой , сводя к минимуму поверхностное натяжение и снижая энергетический барьер для образования пены.

Почему высокая концентрация поверхностно-активных веществ способствует стабильности пены

1. Поверхностное натяжение и молекулярная упаковка.

При превышении ККМ избыточные молекулы ПАВ не только насыщают границу раздела, но и окружают пузырьки воздуха, создавая упругую жидкую пленку . Это затрудняет схлопывание пузырьков, что повышает стабильность пены..

2. Сосуществующие добавки в покрытиях на водной основе

Покрытия на водной основе представляют собой сложные системы. Они содержат не только воду и поверхностно-активные вещества (например, эмульгаторы, диспергаторы и смачиватели ), но также загустители и другие добавки. Эти компоненты могут работать вместе для:

• Стимулировать образование пены

• Укрепить стены пенопластовой пленкой

• Запретить схлопывание пузыря

Механизмы, стабилизирующие пену в системах покрытий

(1) Ориентация поверхностно-активного вещества и эластичность пленки

Поверхностно-активные вещества адсорбируются на стенках пузырьков , причем гидрофильные группы обращены к жидкости, а гидрофобные хвосты обращены внутрь к воздуху. Это образует структурированную эластичную пленку, предотвращающую разрыв.

По мере того, как пузырь опустошается и истончается, два ключевых механизма самовосстановления поддерживают его стабильность:

• Эластичность Гиббса : когда пленка растягивается, поверхностное натяжение увеличивается, что приводит к сокращению, препятствующему разрыву.

• Эффект Марангони : Молекулы ПАВ перемещаются из областей с низким напряжением в области с высоким, восстанавливая баланс и укрепляя пленку.

В совокупности эти эффекты делают пену долговечной и эластичной..

(2) Эффекты ионных эмульгаторов

Ионные поверхностно-активные вещества придают электрический заряд пенопластовой пленке. Электростатическое отталкивание между одинаково заряженными пузырьками предотвращает их слияние (коалесценцию), препятствуя распаду пены . В результате мелкие пузырьки сохраняются, и удаление пены становится затруднительным..

(3) Поверхностно-активные вещества с длинной цепью и прочность пены

Когда эмульгаторы имеют длинные молекулярные цепи , они создают сильные межмолекулярные силы , увеличивая механическую прочность и эластичность стенок пены. Эти улучшенные свойства пленки предотвращают разрыв пузырьков , дополнительно стабилизируя пену.

(4) Вязкость и удержание пены

Для улучшения характеристик в покрытия на водной основе часто добавляют Однако более высокая вязкость: загустители .

• Ограничивает дренаж жидкости в пузырьковой пленке.

• Предотвращает истончение пленки

• Задерживает схлопывание пузыря

Таким образом, повышенная вязкость напрямую способствует стабильности пены и снижает эффективность пеногашения..

Заключение

Хотя поверхностно-активные вещества и другие добавки необходимы для функционирования покрытий на водной основе , они также способствуют образованию пены и стабильности , особенно при использовании в высоких концентрациях. эффект Эластичность Гиббса, , Марангони, , электростатическое отталкивание, , длинноцепочечные эмульгаторы и повышенная вязкость способствуют образованию стойкой пены, которую трудно устранить..

Понимание этих механизмов имеет решающее значение для разработчиков рецептур и производителей, стремящихся оптимизировать стабильность продукта, не жертвуя при этом эффективностью пеногашения..