Пенобетоны и другие теплоизоляционные материалы (стр. 6 )

2. Кратность пены - , представляет собой отношение объема пены к объему раствора , пошедшего на ее образование, где - объем газа в пене.

3. Стабильность или устойчивость пены - ее способность сохранять общий объем, дисперсный состав и препятствовать истечению жидкости (синерезису). Часто в качестве меры стабильности пены используют время существования или «жизни» элемента пены или определенного ее объема.

4. Дисперсность пены - задаваемая средним размером пузырька, распределением пузырьков по размерам или поверхностью раздела раствор-газ в единице объема пены.

Для получения устойчивых пен жидкая фаза должна содержать по крайне мере два компонента, один из которых обладает поверхностно- активными свойствами и способен адсорбировать на межфазной поверхности. Строение молекул ПАВ влияет на пенообразующую способность растворов, например для натриевых солей жирных кислот нормального строения она повышается с увеличением длины цепи углеводородного радикала [67]. Наибольшей пенообразующей способностью в ряду растворов солей насыщенных жирных кислот обладают водные растворы солей миристиновой кислоты с концентрацией 0,5 г/л (25-30 °С). Растворы натриевой соли каприновой кислоты не пенятся при концентрации до 1,7 г/л, а растворы солей лауриновой кислоты при этой концентрации дают относительно небольшой объем пены. Растворы стеарата натрия пенятся еще хуже. Наибольшую пенообразующую способность в ряду солей ненасыщенных кислот имеют растворы олеата, для линолеата она значительно меньше, а растворы лицинолеата вспениваются очень слабо. Разветвленность молекул солей жирных кислот положительно влияет на пенообразующую способность их растворов.

Пенообразующая способность водных растворов первичных алкилсульфонатов (20 °С) возрастает с увеличением длины углеводородного радикала, достигая максимального значения для додецилсульфата. У более высокомолекулярных гомологов пенообразующая способность при комнатной температуре ниже из-за меньшей их растворимости в воде. Вторичные алкилсульфонаты в этом отношении ведут себя подобно первичным.

Растворы алкилсульфонатов, начиная с С11, обладают высокой пенообразующей способностью при концентрациях около 0,5 г/л, причем максимальное значение достигается для гомолога С15, а у более высокомолекулярных алкилсульфонатов она ниже. Пенообразующая способность растворов ПАВ зависит от расположения в молекуле гидрофильной группы: чем ближе она расположена к середине молекулы, тем активность растворов выше. Присутствие дисульфонатов, образующихся при производстве алкилсульфонатов, вызывает уменьшение пенообразующей способности. Увеличение рассматриваемых свойств данных соединений с ростом длины цепи углеводородного радикала обусловлено повышением их поверхностной активности вследствие усиления «выталкивания» из воды гидрофобных частей молекул. Однако с удлинением алкильной цепи свыше 14 атомов углерода возрастает роль агрегирования молекул внутри раствора, что способствует увеличению поверхностного натяжения и уменьшению пенообразующей способности. Считается, что вещества, содержащие в алкильной цепи 8-10 атомов углерода, как правило, либо обладают низкой пенообразующей способностью, либо не обладают ею вообще; это же относится к соединениям с С16 – С19. Максимальной вспениваемостью обладают вещества с 12-15 атомами углерода, причём различий между сульфатами и сульфонатами не обнаруживается.

Пенообразующая способность растворов ПАВ зависит также от вида катиона, например высота столба пены (в мм) для различных мыл (соответственно натриевого и калиевого): лаурат – 169, 232; миристат - 489, 494; пальмитат – 54,204; стеарат – 16,73; олеат – 154, 212; линолеат - 11,62. Причем наблюдается более низкая пенообразующая способность аммонийных солей сульфонафтеновых кислот по сравнению с натриевыми солями этих же кислот, что связывают с сольватацией катиона.

Пенообразующая способность растворов неионогенных ПАВ зависит как от длины гидрофобной цепи, так и от числа групп СН2СН2О-. В ряду оксиэтилированных жирных спиртов пенообразующая способность увеличивается от С4 до С10 – С12, а затем уменьшается. Спиртам нормального строения присуща большая пенообразующая способность, причем максимум ее приходится на высшие спирты с разветвленной цепью. Оксиэтиленовые группы влияют на пенообразующую способность неионогенных ПАВ таким образом [68], что с ростом числа этих групп данное свойство увеличивается, однако только до некоторого значения, после чего она остается практически постоянной. Число этих групп, которому соответствует максимальная пенообразующая способность при данной гидрофобной цепи, называют критическим гидрофильно–липофильным балансом (ГЛБ). Считается, что молекулы веществ, обладающие критическим значением ГЛБ, образуют пленки, сопротивление разрыву которых максимально (т. е. силы сцепления молекул максимальны).

В целом, анионоактивные ПАВ обладают большей пенообразующей способностью, чем неионогенные что связывают с различием скоростей образования адсорбированного слоя, которая больше для анионных ПАВ. Хотя неионогенные ПАВ обладают лишь средней пенообразующей способностью, но они пригодны для использования в качестве веществ, усиливающих вспениваемость.

С увеличением концентрации ПАВ вспениваемость растворов сначала обычно увеличивается до максимального значения, затем остается практически постоянной вплоть до предела растворимости данного ПАВ или понижается. С увеличением длины молекул пенообразователя такого типа концентрация, которой соответствует максимальное пенообразование, уменьшается.

В области положительных температур вспениваемость анионоактивных ПАВ с повышением температуры обычно увеличивается, а затем, пройдя через максимум, начинает снижаться. В ряду щелочных солей жирных кислот пенообразование при повышении температуры растет. Такая закономерность, характерная для натриевых и калиевых мыл, соблюдается и для растворов анионных ПАВ типа алкилсульфатов, причем даже при температуре 90 °С пенообразующая способность не всегда достигает максимального значения. Изменение пенообразующей способности с изменением температуры связано с влиянием большого числа противоречивых факторов, чем и объясняется различное поведение пен с изменением температуры: увеличение объема пены с повышением температуры от 20 до 40-50 °С связанно с ростом давления внутри пузырьков, увеличением растворимости ПАВ, уменьшением поверхностного натяжения, а уменьшение объема пены при высоких температурах обусловлено снижением прочности пленок пены. Для неионогенных ПАВ (например ОП-10) характерна так называемая точка помутнения, соответствующая определенной температуре. Пенообразующая способность растворов неионогенных ПАВ при достижении точки помутнения резко снижается до определенного значения, которое остается постоянным при дальнейшем повышении температуры.

На пенообразующую способность оказывает влияние pH среды, например жирные кислоты и их щелочные соли в кислой среде практически не образуют пену. Максимальное пенообразование для них наблюдается при pH = 8-9. С увеличением длины гидрофобной цепи в ряду натриевых солей насыщенных жирных кислот максимум пенообразующей способности сдвигается в щелочную область (например, если для лаурата натрия оптимальное значение составляет pH = 7, то для пальмитата натрия – pH = 10). Для алкилбензолсульфонатов пенообразующая способность не зависит от кислотности раствора, и только при pH > 12 вспениваемость снижается, что особенно характерно для соединений с длинной углеводородной цепью. Растворы алкилсульфатов хуже вспениваются в кислой среде, чем - в нейтральной и щелочной. Пенообразующая способность неионогенных ПАВ не зависит от pH в интервале 3-9 [65].

С уменьшением поверхностного натяжения раствора его пенообразующая способность увеличивается, так как с уменьшением s затрачивается меньшая работа для получения одинакового объема пены. Эта закономерность подтверждается для солей жирных кислот, сульфонатов калия и натрия. Максимум высоты столба пены из растворов алкилсульфатов натрия соответствует определенной концентрации электролита, причем пенообразующая способность обратно пропорциональна радиусу гидратированных одновалентных катионов электролита. Увеличение заряда катиона повышает пенообразующую способность и стабильность слоя пены для алкилсульфатов С12 – С14, так как электролит способствует возрастанию плотности заряда в поверхностном слое и сжатию диффузной части двойного электрического слоя.

Пенообразующая способность растворов алкилбензолсульфонатов в жесткой воде значительно меньше, чем в обессоленной, причем влияние солей жесткости особенно заметно для соединений, содержащих в алкильной цепи 12 и более атомов углерода. Растворы соединений с десятью атомами углерода в молекуле менее подвержены действию солей жесткости. Первичные и вторичные алкилсульфаты и алкилсульфонаты обладают значительно пониженной вспениваемостью в жесткой воде, а неионогенные ПАВ не снижают в ней пенообразующую способность. Для увеличения объема пены и ее стабильности в жесткой воде в раствор вводят фосфаты в оптимальной концентрации. Для увеличения пенообразующей способности в ПАВ вводят 0,2-0,75 % карбоксиметилцеллюлозы. Также для повышения пенообразующей способности ПАВ в них добавляют моно - и диэтаноламиды жирных кислот, растворимые в воде полиэтаноламиды, некоторые жирные спирты и эфиры глицерина.

По способности образовывать устойчивые пены пенообразователи делятся на следующие типы [69]:

1. Пенообразователи первого рода - соединения (низшие спирты, кислоты, анилин, крезолы), которые в объеме раствора и в адсорбционном слое находятся в молекулярно-дисперсном состоянии. Пены из таких пенообразователей быстро распадаются по мере истечения междупленочной жидкости. Стабильность пен увеличивается с повышением концентрации таких пенообразователей, достигая максимального значения до насыщения адсорбционного слоя, и затем снижается почти до нуля.