شرح ثبات رغوة البولي يوريثان

أثناء عملية رغوة رغوة البولي يوريثان، تكون الفقاعات الأولية المتكونة مشابهة جدًا لتلك التي تتشكل في نظام محلول الصابون. لا يمتد هذا التشابه إلى المراحل اللاحقة من تكوين الفقاعات بسبب الزيادة السريعة في لزوجة ومرونة الطور السائل مع استمرار تفاعل البلمرة، ويختلف بشكل كبير عن الفقاعات في نظام محلول الصابون. تشير الأبحاث حول آلية الفقاعات في أنظمة الرغوة المائية إلى أنه للحصول على مسام دقيقة، يجب إضافة كمية معينة من الطاقة الحرة إلى النظام عندما يتم تشتيت حجم معين من الغاز في حجم معين من السائل لتكوين الفقاعات. يتم إعطاء العلاقة بواسطة:

△F = rA

أين:

△F = طاقة مجانية؛

ص = التوتر السطحي؛

A = إجمالي مساحة واجهة الفقاعة.

من هذه العلاقة، يمكن ملاحظة أنه بدون طاقة كافية، يميل نظام الرغوة السائلة إلى تقليل مساحة الواجهة، مما يؤدي إلى التحام أو تمزق الفقاعات. يمكن أن تساعد تدابير مثل التصلب السريع للرغوة قبل الاندماج أو التمزق، أو إضافة زيت السيليكون لتقليل التوتر السطحي، في تحقيق مساحة أكبر لواجهة الفقاعة A في ظل نفس ظروف الطاقة (δF)، مما يساعد في إنتاج فقاعات أدق.

بعد الرغوة وقبل التصلب، يتغير شكل الخلايا الرغوية بمرور الوقت عادةً بسبب الانتشار التدريجي للغاز المذاب في الطور السائل إلى الفقاعات والانتشار المتبادل للغاز بين الفقاعات، مما يؤدي إلى الاندماج. بشكل عام، يكون الضغط الداخلي للغاز في الخلايا الكروية أعلى من ضغط السائل المحيط، وهو ما تعطى بالعلاقة:

△P=2r/R

أين:

R = نصف قطر الفقاعة؛

ص = التوتر السطحي.

عادة، يكون ضغط الغاز في الفقاعات الصغيرة أعلى منه في الفقاعات الأكبر. فرق الضغط الداخلي بين الفقاعات ذات الأقطار المختلفة هو:

△ P ² = 2ر[(1/ر ₁ )-(1/R ₂ )

يؤدي اختلاف الضغط هذا إلى انتشار الغاز من الفقاعات الأصغر تدريجيًا إلى فقاعات أكبر، مما يؤدي إلى اختفاء الفقاعات الأصغر ونمو فقاعات أكبر بمرور الوقت. يساعد تقليل التوتر السطحي على تقليل فرق الضغط بين الفقاعات ذات الأحجام المختلفة، مما يساهم في استقرار الفقاعات وحجم المسام الموحد.

يعد منع تمزق الخلايا قبل أن يتصلب البوليمر أمرًا بالغ الأهمية لإنتاج الرغوة. وفي الحالة السائلة يمكن دراسة ذلك من خلال المفاهيم التالية:

بغض النظر عن التوتر السطحي للسائل، لا يمكن الحصول على رغوة مستقرة من أي سائل نقي وحده. لتحقيق رغوة مستقرة نسبيًا، يجب استيفاء شرطين: يجب أن يحتوي النظام على مكونين على الأقل، ويجب أن يتم امتصاص هذه المكونات بشكل تفضيلي على سطح الفقاعة. يتم تحديد التوتر السطحي من خلال نوع وكمية المواد المذابة الممتزة (مبدأ جيبس):

dr=-∑&غاما;dμ

أين:

μ = الإمكانات الكيميائية للمكون؛

&جاما؛ = الزيادة السطحية للمكون.

مع كمية محدودة من المذاب، فإن زيادة مساحة السطح تقل

&جاما؛ مما يؤدي إلى زيادة شد السطح مما يعيق المزيد من التمدد السطحي. تمنع هذه العلاقة ترقق غشاء الخلية، مما يساهم في استقرار الفقاعة.

تؤثر درجة الحرارة أيضًا على استقرار الفقاعة؛ تؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى تقليل التوتر السطحي، مما يؤدي إلى ترقق غشاء الخلية وتمزق الفقاعات. يعد التصريف الشعري داخل جدران الفقاعات عاملاً آخر يؤثر على الاستقرار. يمكن رؤية مقطع عرضي مكبر لجدار الفقاعة في الرسم البياني أدناه. من الرسم البياني يمكننا أن نرى أن الفعل الشعري يسبب التصريف من النقطة 3 إلى النقطتين 1 و 2، مما يؤدي إلى ترقق جدار الفقاعة.

تأثير التصريف الشعري في المرحلة المبكرة من تكوين الرغوة

نظرًا لانخفاض طاقة التنشيط لتمزق الرغوة، بمجرد أن يبدأ تمزق الخلية، فإنها غالبًا ما تتسارع، مما يؤدي إلى انهيار الرغوة. تأثير الطبقة المزدوجة الكهربائية ليس له تأثير يذكر على هذه العملية. إذا تراكمت الشحنات على جانبي غشاء الفقاعة، فإنها تتنافر، مما يحد من ترقق الغشاء. يكون هذا التأثير أقل أهمية في الوسائط العضوية ذات ثوابت العزل الكهربائي المنخفضة مقارنة بالأنظمة المائية. تعمل قوى فان دير فال أيضًا على مقاومة ترقق الغشاء، حيث يزداد التجاذب بين الأسطح مع ترقق الغشاء.

باختصار، تشمل العوامل التي تمنع ترقق الغشاء وتثبيت الرغوة ما يلي::

1  زيادة مساحة السطح، وبالتالي زيادة الطاقة الحرة؛

2  تقليل الفائض السطحي لزيادة التوتر السطحي؛

3  زيادة لزوجة المواد.

4  الحد الأدنى من تأثير تأثير الطبقة المزدوجة الكهربائية على ترقق الغشاء.

على العكس من ذلك، تشمل العوامل المسببة لترقق الغشاء وتمزق الفقاعة:

1  الصرف الشعري.

2  الصرف الناجم عن الجاذبية.

3  أي عامل يقلل من التوتر السطحي، مثل النقاط الساخنة أو مزيلات الرغوة؛

4  قوى فان دير فالس بين أسطح الأغشية.

تشمل التدابير الشائعة لإنتاج رغوة البولي يوريثان:

1  إضافة المواد الخافضة للتوتر السطحي لتقليل التوتر السطحي، والمساعدة في إنتاج فقاعات دقيقة موحدة (△F=r△A)، وتثبيت الفقاعات، وتقليل انتشار الغاز ( △ P = 2ر[(1/ر ₁ - 1/ R ₂ ) ]) ;

2  زيادة لزوجة المواد بسرعة لتقليل ترقق الغشاء وتثبيت الفقاعات؛

3  زيادة قوة الغشاء والوصلات الفقاعية.

4  تقليل الشوائب لمنع تقليل التوتر السطحي المحلي وانهيار الرغوة المحلية مما يؤدي إلى خلق الفراغات.