Význam peny v kvapaline a požiadavky na jej vlastnosti sa značne líšia. Pena je žiaduca v sprchových géloch, holiacich krémoch alebo nápojoch, ako sú pivo a sódy, zatiaľ čo v priemyselných procesoch pena často spôsobuje problémy a musí sa jej výskyt minimalizovať. Preto sa vlastnosti peny, od jej tvorby po rozpad, nastavujú a testujú počas vývoja produktov.
Pena a typy peny
Pena je disperzia plynu v kvapaline alebo pevnej látke. Objem plynu je relatívne väčší ako objem druhej fázy. Peny v kvapalinách sú zvyčajne stabilizované amfifilnými látkami, ako sú tenzidy, častice alebo iné zlúčeniny.
Sférická alebo mokrá pena sa tvorí, keď je medzi plynovými bublinami veľa disperzného činidla alebo kvapaliny. Kvapalina spôsobuje, že plynové bubliny nadobúdajú guľovitý tvar (najmenšia povrchová plocha pre najväčší objem). V polyedrickej alebo suchej pene sa vzdialenosť medzi jednotlivými bublinami zmenšuje a disperzné činidlo sa sťahuje do lamiel.
Sférická pena a polyedrická pena sa často vyskytujú súčasne, pričom polyedrická pena je umiestnená nad sférickou penou. Gravitácia spôsobuje, že kvapalina steká z lamiel peny.
Metódy
Metódy charakterizácie a testovania peny sú rôznorodé a všeobecne sa riadia prístupom orientovaným na aplikácie. Napríklad pri hodnotení umývacích prostriedkov je rozšírený test na tanieri, kde sa špinavé taniere umývajú, až kým sa vrstva peny umývacieho roztoku nezrúti. V tomto a iných manuálnych testoch sa pena vytvára manuálnym trepaním, miešaním alebo nalievaním a stabilita a množstvo peny sa vizuálne hodnotia. Spoľahlivosť týchto testov veľmi závisí od školenia a skúseností personálu.
Prístrojové metódy napodobňujú manuálne testy, ale poskytujú reprodukovateľné procesy a kvantitatívne, užívateľsky nezávislé hodnotenia prostredníctvom technického vykonania. Metódy generovania peny sa tiež spoliehajú na mechanické princípy, ako je miešanie, trepanie, šľahanie, nalievanie, striekanie alebo prívod vzduchu.
SITA FoamTester
SITA FoamTester generuje penu miešaním pomocou mechanického miešacieho disku. Dva optické, bezkontaktné meracie systémy poskytujú údaje na charakterizáciu vlastností peny, ako sú objem peny, stabilita peny, odtok kvapaliny a štruktúra peny.
Objem peny
Objem peny opisuje celkový objem vytvorenej peny ako súčet jej plynnej a kvapalnej zložky. Výpočet objemu peny so zariadením SITA FoamTester je založený na meracích údajoch spodnej hranice peny (hornej hranice kvapaliny) a hornej hranice peny.
Horná hranica peny je určená Foam Surface Scannerom pomocou štruktúrovaného svetla. Povrch peny je osvetlený sekvenciou svetelných pruhov definovaného tvaru a výsledné prierezové obrázky sú zachytené kamerou. Z údajov o obrázkoch možno presne vypočítať súradnice povrchu peny a presne určiť celkový objem v meracej nádobe.
Foam Interface Scanner zachytáva spodnú hranicu peny ako totálny odraz na stene nádoby. Totálny odraz nastáva v médiách s rôznou optickou hustotou. Keď svetlo zasiahne vzduch za stenou nádoby, odrazí sa a detekuje sa pod uhlom svetlocitlivým senzorom. To umožňuje presné oddelenie plynnej fázy od kvapalnej fázy a určenie objemu zostávajúcej kvapaliny.
Tvorba peny, rozpad peny a odtok kvapaliny
Tvorba a rozpad peny sú dynamické procesy. Tvorba peny predstavuje objem peny ako funkciu času (doba miešania), zatiaľ čo rozpad peny meria objem peny v kľudovom stave. Súbežne s rozpadom peny poskytuje spodná hranica peny informácie o odtoku kvapaliny a tým o sušení peny.
ŠTRUKTÚRA PENY
Štruktúra peny je tiež zachytávaná Foam Interface Scannerom ako totálny odraz. Pri meraní štruktúry peny sa svetlocitlivý senzor a zdroj svetla pohybujú až do 50 mm pozdĺž meracej nádoby. To umožňuje zaznamenanie celého rozsahu (130 x 50) mm štruktúry peny. Pomocou algoritmov spracovania obrazu sa určujú rôzne geometrické vlastnosti všetkých zachytených bublín a štatisticky vyhodnocujú v softvéri PC SITA FoamLab.
Štruktúra peny na rozhraniach, ako je stena nádoby, sa líši od štruktúry vo voľnom objeme peny, pretože pena interaguje s rozhraním. Spočiatku sa rozlišujú tri prípady:
- Rozhranie so stenou meracej nádoby
- Rozhranie s kvapalinou
- Rozhranie s okolitou atmosférou
Na rozhraní s kvapalinou je štruktúra peny určená vysokým lokálnym obsahom kvapaliny, čo zvyčajne vedie k sférickej pene.
Bubliny na rozhraní s okolitou atmosférou, na hornej hranici peny, nie sú ovplyvnené susednými bublinami. Na minimalizáciu povrchu peny tvoria lamely kupoly. Ako pena schne odtokom, formuje sa polyedrická pena. Preto je štrukturálny vplyv na rozhraní s okolitou atmosférou vysoký.
Na rozhraní so stenou nádoby zohrávajú úlohu zmáčavé efekty. Povrchovo aktívne látky, ako sú tenzidy, zvyšujú zmáčavosť steny nádoby penou. To vedie k deformácii tvaru bublín a k usadeniu pseudo-Plateauovych hraníc medzi zdeformovanými bublinami. Takáto hranica pozostáva iba z jednej lamely.
Pre metrologickú analýzu je vplyv štruktúry peny na rozhraní významný. Kvôli zakriveniu pseudo-Plateauových hraníc tieto lamely nie sú pri pozorovaní viditeľné. Kvôli optickým vlastnostiam tenkých vrstiev sa svetlo odráža alebo láme len pri určitej hrúbke. Preto merateľný priemer bubliny nie je vzdialenosť medzi dvoma pseudo-Plateauovymi hranicami, ale je umiestnený medzi nimi. Rozdiel medzi skutočnou a merateľnou veľkosťou bubliny predstavuje systematickú odchýlku merania.
