piana

Płynna pianka
Sześciokątny porządek i chaos w jednej piance
Stała pianka: pumeks

Piana (z średnio-wysoko-niemieckiego schūm z łacińskiej spumy ) składa się z pęcherzyków gazowych otoczonych ściankami stałymi lub płynnymi. Piana używana do gaszenia pożarów nazywana jest pianą gaśniczą . Tworzenie się piany nazywa się spienianiem .

Płynne ściany z pianki

Płynna piana składa się z małych pęcherzyków gazu, które są oddzielone ścianami cieczy, które tworzą środki powierzchniowo czynne i głównie woda. Surfaktanty mają dwa końce o różnych strukturach. Jeden koniec jest hydrofilowy , co oznacza „kochający wodę”. Na poniższych rysunkach końce te są oznaczone znakiem minus lub czerwoną kropką. Drugi koniec jest hydrofobowy (wodoodporny) lub lipofilowy (kochający tłuszcz).

Ta struktura sprawia, że cząsteczki są powierzchniowo aktywne, tj. to znaczy starają się ułożyć w taki sposób, aby część hydrofobowa nie stykała się z wodą. Można to zrobić na trzy główne sposoby:


(1) Cząsteczki gromadzą się na granicy faz wody i powietrza i obniżają napięcie powierzchniowe wody.	(2) Cząsteczki skupiają się razem, tworzą micele i dzięki temu są „rozpuszczalne” w wodzie.	(3) Jeśli ciecz tworzy cienką warstwę, cząsteczki są osadzane w dwóch płaskich warstwach. Końce hydrofilowe wystają do roztworu, jak na rys. (1).

Środki powierzchniowo czynne gromadzą się na granicy faz wody i powietrza. W ten sposób obniżasz napięcie międzyfazowe . O napięciu międzyfazowym mówimy w przypadku obszaru pomiędzy fazą ciekłą i gazową oraz napięciem powierzchniowym .
Środki powierzchniowo czynne mogą zwykle „rozpuszczać się” w wodzie przez aglomerację i tworzenie małych kulek. Hydrofobowe końce wskazują na środek. Powstają tak zwane micele . Oznacza to, że środki powierzchniowo czynne są dostępne „w rezerwie”, aby wypełnić nową powierzchnię cząsteczkami, gdy powierzchnie graniczne są powiększone.
W przypadku środków powierzchniowo czynnych łatwiej tworzy się film wodny z dwiema warstwami powierzchniowymi. Film jest z. B. przed bańką mydlaną . Tutaj również hydrofilowe końce wystają do fazy wodnej.

Obniżenie napięcia powierzchniowego fazy wodnej poprzez gromadzenie się środków powierzchniowo czynnych na granicy faz woda / powietrze oznacza, że powietrze można wprowadzić do takiego roztworu metodą ubijania, przedmuchiwania lub podobnymi metodami, a powstałe w ten sposób pęcherzyki powietrza są częściowo stabilizowane przez utworzenie warstwy powierzchniowej może bez szybkiego łączenia . Piana jest zatem dyspersją powietrza w roztworze zawierającym środek powierzchniowo czynny, z trójwymiarową siecią płynnych lameli otaczających powietrze jako fazę ciągłą, tworząc w ten sposób wielościany . Dlatego taka pianka nazywana jest również pianką wielościanową .


Tworzenie piany przez wprowadzane powietrze. Kuliste bąbelki tworzą się, gdy jest wystarczająco dużo miejsca między nimi a innymi bąbelkami. Jeśli pęcherzyki zbliżą się dostatecznie blisko, tworzą zwykłe, prawie płaskie powierzchnie styku (tworzenie się wielościanów ).	Piana na powierzchni skanera . Widoczny jest tutaj wielościan wewnątrz pianki. (Zobacz także tutaj i zasady płaskowyżu .)	Powstaje bańka piankowa, „ bańka mydlana ”. Nawet w warstwie wody (cieczy międzywarstwowej) wciąż znajdują się „rozpuszczone” środki powierzchniowo czynne.

W zależności od właściwości strukturalnych i elektrostatycznych cząsteczek powierzchniowo czynnych powstają pęcherzyki piany o różnych rozmiarach, grubościach ścianek i żywotności. Zasadniczo żywotność płynnej pianki jest ograniczona. Z termodynamicznego punktu widzenia, pianki są systemami metastabilnymi , ponieważ cały system będzie dążył do zredukowania bardzo dużej granicy faz woda / powietrze do minimalnej wartości. Pod wpływem siły grawitacji płyn międzywarstwowy powoli spływa w dół pomiędzy pęcherzykami piany. Ściana staje się cieńsza i cieńsza w górnej części, aż tam pęka.

Inhibitory piany i środki przeciwpieniące przyspieszają rozkład piany. Z drugiej strony efekt Marangoni pomaga stabilizować pianki w warunkach dynamicznych.

Oprócz opisanych powyżej pianek wielościanowych , które powstają tylko w obecności środków powierzchniowo czynnych, istnieją również pianki kuliste . Składają się z niezależnych bąbelków, które mogą się łączyć ze sobą w kontakcie. Żywotność tych pianek zależy od twardości ( lepkości ) cieczy. W cieczach o niskiej lepkości, takich jak woda, piana rozpada się w ciągu kilku sekund. (Przykład: otwarcie butelki z wodą mineralną zawierającą CO ₂ )

Problemy z płynną pianą

Tworzenie się piany w cieczach często powoduje problemy w zakładach inżynierii procesowej, ponieważ piana przenika do obszarów instalacji, do których ciecz nie powinna dotrzeć. Jest to na przykład w oddestylowanie z rozpuszczalnika do produkcji żywic syntetycznych , w przypadku, gdy rozpuszczalnik już gazowe powoduje spienianie żywicy. Zazwyczaj dodaje się tutaj środki przeciwpieniące .

Dwuwymiarowa pianka

Jako dwuwymiarowa pianka nazywana jest Polyederschäume, w której tylko wielościany sąsiadują ze sobą. Aby to zrobić, pianka jest ściskana między dwiema szklanymi płytkami, więc pęcherzyki są ograniczone do dwóch wymiarów. Odległość między płytami musi być mniejsza niż średnica najmniejszego pęcherzyka. Ponieważ nie ma nałożonych na siebie bąbelków, łatwo można zaobserwować dwuwymiarową piankę.

Komórki piankowe z liczbą narożników

Płytka biegnie prosto między dwiema sąsiednimi komórkami z taką samą liczbą rogów. Jeśli dwie sąsiednie komórki mają różną liczbę rogów, blaszka między nimi jest zakrzywiona w kierunku komórki o większej liczbie rogów. W komórkach o większej liczbie rogów występuje zatem niższe ciśnienie powietrza . Prawo von Neumanna opisuje, jak zmienia się rozmiar komórek piankowatych w czasie.

Ściany z litej pianki

Stała piana składa się z małych pęcherzyków gazu, które są oddzielone stałymi (tj. Niepłynnymi) ścianami. Obejmuje to zarówno gąbki odkształcalne sprężyście, takie jak gąbka garnkowa , jak i tylko odkształcalne plastycznie „twarde” pianki, takie jak płyta z pianki sztywnej .

Przykłady:

Pumeks , porowata szklista skała wulkaniczna, której ciężar właściwy jest mniejszy niż wody.
Pianka , guma piankowa , styropian jako materiał izolacyjny i opakowaniowy
Pianka montażowa do montażu w budownictwie (np. Okna, drzwi)
Sztywne płyty piankowe do izolacji termicznej w budownictwie oraz jako ścianka działowa w budownictwie targowym
Pianka in-situ
Szkło piankowe
Aerożele
Pianki metalowe , np B. Pianka aluminiowa do wytrzymałych, ale lekkich konstrukcji metalowych
Beton piankowy
Pianka warstwowa do kompozytów włóknistych (np. Sztywna pianka PVC)
Czekolada powietrzna