Піноутворювачі Способи контролю і управління процесом пеногенерации Частина 1

Багато виробників вже зіткнулися з тим фактом, що далеко не всяка піна годиться для виробництва пінобетону. Пробні експерименти по самостійному виготовленню пінобетону, як правило, спочатку викликають тільки розчарування — нічого не виходить. Зазвичай звинувачують погану піну. І дійсно, з піни для гоління або засоби для миття посуду, що опинилися під рукою, неможливо отримати що-небудь, хоч віддалено нагадує пінобетон.

Усвідомлення факту, що для пінобетону потрібна спеціальна піна, отримана на спеціальному обладнанні і з настільки ж спеціальних піноутворювачів виводить на якісно новий рівень экспериментирований — щось таке «дірчастих-ноздреватое» починає виходити. — Напевно це пінобетон і є? — Навряд чи, швидше якась пародія на нього.

Після цього слід ще більш поглиблена стадія освоєння виробництва — купується спеціальне обладнання, і відповідно з доданим технологічним регламентом вже проводяться перші товарні партії пінобетону. Ось вона вікторія?!

Це епохальний для будь-якого пенобетонщика етап — виявляється мало зробити продукцію, той же пінобетон. Потрібно його ще й продати. Тут то і починаються самі головні труднощі. Відпускну ціну формує ринок, її не зміниш. А ось власні витрати формують собівартість можна (принаймні дуже хочеться) мінімізувати. Зараз же починаються нескінченні експериментування, загальна суть яких описується визначеннями економічного порядку — збільшення рентабельності виробництва.

На цьому тлі, наприклад, «незрівнянна піна» отримана з «кращого в галактиці» піноутворювача — виявляється, нічого не означає, пустощами, оскільки вона «не дружить» з прискорювачами або пластифікаторами. А раз так то кінетика набору міцності пінобетонної маси до моменту розпалублення може розорити на формоснастке.

Після тривалих і дорогих зусиль щодо освоєння технології виробництва пінобетону виявляється, що починати треба було не з того».

— А з чого? — запитаєте Ви.

— З самого початку, з азів, з букваря.

Вивчати піноутворювачі і піноутворення взагалі, стосовно до технології виробництва пінобетону потрібно теж з азів — з першооснов колоїдної хімії.

1. Поверхневі явища та їх природа.

Поверхня рідини, що прилягає з іншого середовищем, наприклад з її власним парою, з якою-небудь іншою рідиною або твердим тілом (зокрема, зі стінками посудини, в якому вона міститься), знаходиться в особливих умовах порівняно з іншою масою рідини.

Ці «особливі умови» складаються з-за того, що молекули прикордонного шару рідини, на відміну від молекул в її глибині, сусідять з молекулами іншої середовища. Відповідно і прояв міжмолекулярної взаємодії в глибині рідини і на її кордоні з іншого середовищем будуть різними — виникає неврівноважена результуюча сила, яка спрямована або у всередину рідини, або назовні.

Внаслідок цього переміщення молекули з поверхневого шару вглиб рідини або вглиб середовища, з якою вона межує, супроводжується вчиненням роботи, величина і знак якої цілком залежать від співвідношення між силами взаємодії молекул поверхневого шару зі «своїми» ж молекулами, розташованими в глибині рідини і з «чужими» молекулами з прикордонної середовища.

У випадку, якщо рідина межує з газом, на молекули поверхневого шару діє сила спрямована всередину рідини.

Це пояснюється тим, що щільність молекул в рідині багато більше, ніж газі, і тому сила тяжіння, випробовуване молекулою поверхневого шару з боку молекул рідини, більше, ніж з боку молекул пара

Рис. 1 Сили що діють на молекулу А — врівноважені, сили що діють на молекулу В — не врівноважені.

Звідси випливає, що, переміщаючись з поверхневого шару всередину рідини, молекула здійснює позитивну роботу. Навпаки, перехід молекул з об'єму рідини до поверхні супроводжується її поглинанням, тобто вимагає витрати зовнішньої роботи.

Уявімо собі, що по тим або іншим причинам поверхню рідини збільшується (розтягується). Це означає, що деяка кількість молекул переходить з об'єму рідини в поверхневий шар. Для цього, як ми тільки що бачили, треба затратити зовнішню роботу.

Іншими словами, скорочення площі поверхні, що супроводжується виділенням енергії, а її збільшення вимагає підведення енергії ззовні.

Кількість роботи, яку потрібно затратити щоб «виштовхати» молекули з глибини рідини на її поверхню і збільшити площа міжфазної поверхні на 1 квадратний метр виражається через коефіцієнт поверхневого натягу. Для чистої води знаходиться при температурі +20оС його величина становить 72.75 Дж/м2

Другий закон термодинаміки говорить, що в будь-якій замкнутій системі можливі мимовільні зміни, але тільки в тому випадку, якщо вони ведуть до зменшення вільної енергії системи. Якщо виходити з того, що природа рідини незмінна і її поверхневий натяг постійно, — мимоволі можуть протікати тільки процеси, що супроводжуються зменшенням площі міжфазної поверхні.

До поверхневих явищ, пов'язаних зі зменшенням поверхні, можна віднести:

— прагнення крапель рідини або бульбашок газу прийняти сферичну форму (сферичні частинки мають найменшу питому поверхню;

— злипання твердих частинок дисперсної фази (коагуляція);

— злипання крапель в емульсіях або бульбашок газу в пенах (коалесценция);

— зростання кристалів.

1. Адсорбція на межі «рідина — газ».

Цілком можлива і ситуація, коли площа міжфазної поверхні не має можливості змінюватися. Тоді повинен змінюватися коефіцієнт поверхневого натягу. І якщо для рідини моно складу (дистильована вода) це неможливо в принципі, то в розчинах, що складаються з кількох рідин з різним коефіцієнтом поверхневого натягу цей процес здійснюється легко — шляхом зміни концентрації одного з компонентів у поверхневому шарі в порівнянні з його концентрацією у всьому іншому обсязі. Цей ефект називається адсорбцією.

В залежності від природи адсорбційних сил, адсорбція може бути фізичною і хімічної (хемсорбция). Фізична адсорбція оборотна, а хімічна — ні.

Як бачимо адсорбційні процеси можливі тільки в сумішах з двох і більше рідин з різним поверхневим натягом — в розчинах.

Завдяки адсорбції складається ситуація, коли один з компонентів розчину, навіть якщо його кількість мізерно мало по відношенню до іншого компонента, що концентрується на поверхні і тим самим змінює поверхневий натяг.

Речовини, що знижують поверхневий натяг, називаються поверхнево-активними (ПАР). Такими, по відношенню до води, є речовини менш полярні, ніж вода. Вони взаємодіють з водою слабкіша, ніж молекул води між собою, значить, потрапляючи на поверхню, вони зменшують поверхневий натяг. До них відносяться спирти, жирні, нафтові, нафтенові та смоляні кислоти та їх солі, аміни і безліч інших речовин, що мають т. зв. дефильное будову, тобто полярну частину (функціональні групи) та неполярних частина (вуглеводневий радикал). Молекулу ПАР прийнято схематично зображати у формі пуголовка (дивись Рис. 2)

Рис. 2 У такий спосіб схематично зображують молекули ПАР.

Речовини, що знижують поверхневий натяг, називаються поверхнево-инактивными (ПШВ).

По відношенню до води до них відносяться сильні електроліти: солі, луги, кислоти.

Всі ці сполуки у воді диссоциируются на іони, які взаємодіють з молекулами води сильніше, ніж молекули води самі між собою. Тому значна частина цих іонів захоплюється молекулами води в об'єм розчину. Однак мало хто залишилися на поверхні іони створюють поблизу поверхні силове поле, тим самим підвищуючи поверхневий натяг.

Речовини які не здатні розчинятися у воді, або розчинення яких практично не призводить до зміни поверхневого натягу називаються поверхнево неактивними речовинами (ПНВ).

Рис. З Залежність поверхневого натягу від концентрації З розчиненої речовини.

для I — поверхнево активних речовин (ПАР), II — поверхнево неактивних речовин (ПНВ), III — поверхнево инактивных речовин (ПШВ)

?0 — коефіцієнт поверхневого натягу розчинника (води)

Аналіз графіка показує, що збільшення поверхневого натягу під впливом ПІВ спочатку відбувається незначно, що пов'язано з тим, що концентрація іонів в поверхневому шарі також незначна і за складом він близький до чистого розчинника. А ось для ПАР характерно різке зниження поверхневого натягу навіть в дуже малих концентраціях — це обумовлено концентрацією молекул ПАР в приповерхневому шарі завдяки адсорбційним процесів. По мірі зростання концентрації ПАР зниження поверхневої активності зменшується і стабілізується на певному етапі.

Молекули ПАР, адсорбуючись на поверхні розділу рідини з повітрям, утворюють своєрідний поверхневий шар, в якому вони розташовуються строго певним чином. Орієнтація молекул ПАР відбувається так, що гідрофільна частина молекули (головка) знаходиться у водній фазі, а гідрофобна частина (хвостик) прагне назовні.

Лише при дуже невеликій концентрації ПАР у розчині молекули можуть розташовуватися відносно довільно (дивись Рис. 4, а). По мірі підвищення концентрації ПАР їх розташування в поверхневому шарі все більш впорядковується (дивись Рис. 4, б). У практично застосовуваних розчинах вміст ПАР зазвичай таке, що його молекули утворюють на поверхні розділу щільно упакований шар з молекул, орієнтованих перпендикулярно поверхневого шару (дивись Рис. 4, в).

Рис. 4 Орієнтація молекул ПАР на поверхні водних розчинів

а — при малих концентраціях;

в — при помірних концентраціях;

в — у насиченому адсорбційному шарі

Завдяки явищу адсорбції концентрація молекул ПАР у поверхневому шарі навіть для сильно розведених розчинів в мільйони разів перевищує їх концентрацію у всьому об'ємі розчину.

По досягненню певної концентрації, окремі молекули ПАР в розчині починають об'єднуватися в агрегати — міцели (дивись Рис. 5). Величина такої концентрації, коли кількісні критерії переходять в якісні називається критичною концентрацією міцелоутворення — ККМ. В області ККМ відбувається різка зміна властивостей розчинів ПАР — поверхневого натягу, електропровідності, щільності та ін. На величину ККМ значним чином впливає вид і кількість розчинених у воді домішок і в першу чергу водорозчинних солей.

Рис. 5 Схема утворення міцел у розчинах ПАР

а — розбавлений розчин, що містить окремі молекули ПАР;

б — більш концентрований розчин, що містить сферичні міцели;

в, г — концентровані розчини, що містять пластинчасті міцели.

1. Формування пінного бульбашки

Розглянемо на прикладі одного пінного бульбашки як формується піна. Уявімо собі, що бульбашка повітря потрапив у розчин, що містить ПАР. Завдяки ефекту адсорбції на межі поділу фаз «рідина-газ» відразу ж починають концентруватися молекули ПАР. Швидкість формування такого адсорбційного шару цілком залежить від природи ПАР. Так для одних ПАР (синтетичних) вона дуже велика, для інших (білкових) — мала. У будь-якому випадку повітряний пухирець одягається своєрідною «шубою» складається з одного шару молекул ПАР (дивись Рис. 6, а).

Спливаючи, такий пухирець досягає поверхні рідини і там зустрічає ще один адсорбційний шар молекул ПАР. Повітряний пухирець тисне на поверхню рідини і розтягує її (дивись Рис. 6, б). Молекули ПАР з розчину спрямовуються до зростаючої поверхні, запобігаючи розрив плівки рідини.

Таким чином при виході з води пухирець виявляється оточеною оболонкою вже з двох моношарів ПАР, між якими знаходиться плівка рідини (дивись Рис. 6, в).

Рис. 6. Етапи формування пінного бульбашки

Коли в розчин залучається багато повітря, утворюються бульбашки, спливаючи, створюють на поверхні рідини пінний шар, товщина якого збільшується в процесі змішування рідини і газу. Зрештою вся рідка фаза перетворюється в піну.

Але одночасно з процесом піноутворення і починається процес руйнування піни. Причому з точки зору класичної термодинаміки якщо акт генерації піни є інспірованим ззовні, то її руйнування — природний і неминучий процес, яким ми можемо в певних межах управляти, але повністю запобігти його — безсилі. Виходячи з цих позицій — неминучість руйнування піни і слід виходити при розгляді питань її застосування в технології ніздрюватих бетонів.

Процес піноутворення вкрай складний за сумісного впливу численних фізико-технічних, фізико-хімічних та інших факторів. Безліч змінних параметрів, що впливають на перебіг і характер піноутворення в реальних умовах, представлено на нижченаведеній схемі (дивись малюнок 7).

Рис. 7 Схема впливу різноманітних факторів на властивості піни в реальній схемі виробництва пінобетону.

Як видно з цієї схеми лабораторні методи контролю піноутворення, засновані на вивченні основних характеристик використовуваного піноутворювача і одержуваної з нього піни, можуть зазнати серйозні коригування в процесі реального виробничого процесу, аж до отримання прямо протилежних результатів.

Ця схема показує також і практичну неможливість чисельного вираження процесів, що протікають методами математичного аналізу та моделювання, а також практично виключає можливість масштабного перенесення або апроксимації лабораторних досліджень на натурні зразки без глибокого розуміння процесів, що описуються положеннями фізичної та колоїдної хімії.

Тому практика експериментальних досліджень в області піноутворення в реальних середовищах можлива тільки емпіричним шляхом.

Вони будуть розглянуті в наступних публікаціях.

(Продовження слідує)

Використана література.

1. Гельфман М. І., Ковалевич О. В., Юстратов В. П. Колоїдна хімія. Москва, 2004 р.

2. Меркин А. П., Таубе П. Р. Нетривка диво. Москва, 1983 р.

3. Стольников Ст. Ст. Воздухововлекающие добавки в гідротехнічному бетоні. Москва, 1953 р.

4. Тихомиров В. К. Піни. Теорія і практика їх отримання і руйнування. Москва, 1983 р.

5. Клейтон Ст. Емульсії їх теорія і технічні примененияю. Ленінград, 1950 р.

6. Шахова Л. Д. Деякі аспекти досліджень структуроутворення ніздрюватих бетонів неавтоклавного твердіння. //Будівельні Матеріали — Наука, № 2, 2003 р.

Статті pp-budpostach.com.ua Все про лазні

Статті по пїноблоку,пінобетону,пінобетонним блокам

Статті pp-budpostach.com.ua Статті по бетону

Статті Все про парканах

Статті pp-budpostach.com.ua Все про дахах ( види, матеріал, як краще вибрати)

Статті Все про Фундаменті

Статті по газобетону ( газоблокам ), газобетонних блоків, блоків газосиликатнных

Новини, статті, чутки, факти, різне і по чу-чуть

Статті по цеглині ( рядовому, особового,облицювальної,клинкерному, шамотною, силікатній,)