Význam pěny v kapalině a požadavky na její vlastnosti se značně liší. Pěna je žádoucí ve sprchových gelech, holicích krémech nebo nápojích, jako je pivo a limonády, zatímco v průmyslových procesech často způsobuje problémy a její výskyt je nutné minimalizovat. Proto se vlastnosti pěny – od její tvorby až po rozpad – nastavují a testují během vývoje produktů.
Pěna a typy pěny
Pěna je disperze plynu v kapalině nebo pevné látce. Objem plynu je relativně větší než objem druhé fáze. Pěny v kapalinách jsou obvykle stabilizovány amfifilními látkami, jako jsou tenzidy, částice nebo jiné sloučeniny.
Sférická neboli mokrá pěna se tvoří, když je mezi plynovými bublinami velké množství disperzního činidla nebo kapaliny. Kapalina způsobuje, že plynové bubliny nabývají kulovitý tvar (nejmenší povrchová plocha při největším objemu). V polyedrické neboli suché pěně se vzdálenost mezi jednotlivými bublinami zmenšuje a disperzní činidlo se stahuje do lamel.
Sférická pěna a polyedrická pěna se často vyskytují současně, přičemž polyedrická pěna je umístěna nad sférickou pěnou. Gravitace způsobuje, že kapalina stéká z lamel pěny.
Metody
Metody charakterizace a testování pěny jsou rozmanité a obecně se řídí přístupem orientovaným na konkrétní aplikaci. Například při hodnocení mycích prostředků je rozšířený test na talíři, kde se špinavé talíře omývají, dokud se vrstva pěny mycího roztoku nezhroutí. V tomto a dalších manuálních testech se pěna vytváří ručním třepáním, mícháním nebo naléváním a stabilita a množství pěny se hodnotí vizuálně. Spolehlivost těchto testů velmi závisí na školení a zkušenostech personálu.
Přístrojové metody napodobňují manuální testy, ale poskytují reprodukovatelné procesy a kvantitativní, na uživateli nezávislá hodnocení prostřednictvím technického provedení. Metody generování pěny se rovněž spoléhají na mechanické principy, jako je míchání, třepání, šlehání, nalévání, stříkání nebo přívod vzduchu.
SITA FoamTester
SITA FoamTester generuje pěnu mícháním pomocí mechanického míchacího disku. Dva optické, bezkontaktní měřicí systémy poskytují údaje pro charakterizaci vlastností pěny, jako jsou objem pěny, stabilita pěny, odtok kapaliny a struktura pěny.
Objem pěny
Objem pěny popisuje celkový objem vytvořené pěny jako součet její plynné a kapalné složky. Výpočet objemu pěny pomocí zařízení SITA FoamTester je založen na měřicích údajích spodní hranice pěny (horní hranice kapaliny) a horní hranice pěny.
Horní hranice pěny je určena pomocí Foam Surface Scanneru za použití strukturovaného světla. Povrch pěny je osvětlován sekvencí světelných pruhů definovaného tvaru a výsledné příčné snímky jsou zachyceny kamerou. Z obrazových dat lze přesně vypočítat souřadnice povrchu pěny a přesně určit celkový objem v měřicí nádobě.
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 pěny, rozpad pěny a odtok kapaliny
Tvorba a rozpad pěny jsou dynamické procesy. Tvorba pěny představuje objem pěny jako funkci času (doba míchání), zatímco rozpad pěny měří objem pěny v klidovém stavu. Současně s rozpadem pěny poskytuje spodní hranice pěny informace o odtoku kapaliny, a tím o vysychání pěny.
STRUKTURA PĚNY
ŠTRUKTURA 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 × 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 pěny na rozhraních, jako je stěna nádoby, se liší od struktury ve volném objemu pěny, protože pěna interaguje s rozhraním. Zpočátku se rozlišují tři případy:
- Rozhraní se stěnou měřicí nádoby
- Rozhraní s kapalinou
- Rozhraní s okolní atmosférou
Na rozhraní s kapalinou je struktura pěny určena vysokým lokálním obsahem kapaliny, což obvykle vede ke sférické pěně.
Bubliny na rozhraní s okolní atmosférou, na horní hranici pěny, nejsou ovlivněny sousedními bublinami. K minimalizaci povrchu pěny tvoří lamely kopule. Jak pěna vysychá odtokem, formuje se polyedrická pěna. Proto je strukturální vliv na rozhraní s okolní atmosférou vysoký.
Na rozhraní se stěnou nádoby hrají roli smáčecí efekty. Povrchově aktivní látky, jako jsou tenzidy, zvyšují smáčivost stěny nádoby pěnou. To vede k deformaci tvaru bublin a k usazení pseudo-Plateauových hranic mezi zdeformovanými bublinami. Taková hranice sestává pouze z jedné lamely.
Pro metrologickou analýzu je vliv struktury pěny na rozhraní významný. Kvůli zakřivení pseudo-Plateauových hranic nejsou tyto lamely při pozorování viditelné. Kvůli optickým vlastnostem tenkých vrstev se světlo odráží nebo láme jen při určité tloušťce. Proto měřitelný průměr bubliny není vzdálenost mezi dvěma pseudo-Plateauovými hranicemi, ale je umístěn mezi nimi. Rozdíl mezi skutečnou a měřitelnou velikostí bubliny představuje systematickou odchylku měření.
