Espuma

Efecto Marangoni de una película

Efecto Marangoni de una película (2)

La estabilización de la espuma se debe a las fuerzas de van der Waals entre las moléculas de la espuma, a las capas eléctricas dobles creadas por los tensioactivos dipolares y al efecto Marangoni , que actúa como una fuerza restauradora de las láminas.

El efecto Marangoni depende de que el líquido que forma espuma sea impuro. Generalmente, los tensioactivos en la solución disminuyen la tensión superficial. Además, los tensioactivos se agrupan en la superficie y forman una capa, como se muestra a continuación.

Para que se produzca el efecto Marangoni, la espuma debe presentar una hendidura, como se muestra en la primera imagen. Esta hendidura aumenta la superficie local. Los tensioactivos tienen un tiempo de difusión mayor que el resto de la solución, por lo que su concentración es menor en la hendidura.

Además, el estiramiento de la superficie aumenta la tensión superficial del punto de indentación en comparación con el área circundante. En consecuencia, dado que el tiempo de difusión de los surfactantes es prolongado, el efecto Marangoni tiene tiempo de manifestarse. La diferencia en la tensión superficial crea un gradiente que induce el flujo de fluido desde áreas de menor tensión superficial hacia áreas de mayor tensión superficial. La segunda imagen muestra la película en equilibrio después de que se haya producido el efecto Marangoni. ^{[ 10 ]}

El curado de una espuma la solidifica, haciéndola indefinidamente estable en condiciones estándar de temperatura y presión (STP). ^{[ 11 ]}

Witold Rybczynski y Jacques Hadamard desarrollaron una ecuación para calcular la velocidad de las burbujas que ascienden en la espuma, suponiendo que las burbujas son esféricas con un radio${\displaystyle r}$.

${\displaystyle u={\frac {2gr^{2}}{9\eta _{2}}}(\rho _{2}-\rho _{1})\left({\frac {3\eta _{1}+3\eta _{2}}{3\eta _{1}+2\eta _{2}}}\right)\!}$

con velocidad en unidades de centímetros por segundo. ρ ₁ y ρ ₂ es la densidad de un gas y un líquido respectivamente en unidades de g/cm ³ y ῃ ₁ y ῃ ₂ es la viscosidad dinámica del gas y del líquido respectivamente en unidades de g/cm·s y g es la aceleración de la gravedad en unidades de cm/s ² .

Sin embargo, dado que la densidad y la viscosidad de un líquido son mucho mayores que las de un gas, la densidad y la viscosidad del gas pueden despreciarse, lo que da como resultado la nueva ecuación para la velocidad de ascenso de las burbujas:

${\displaystyle u={\frac {gr^{2}}{3\eta _{2}}}(\rho _{2})\!}$

Sin embargo, a través de experimentos se ha demostrado que un modelo más preciso para el ascenso de burbujas es:

${\displaystyle u={\frac {2gr^{2}}{9\eta _{2}}}(\rho _{2}-\rho _{1})\!}$

Las desviaciones se deben al efecto Marangoni y a la presión capilar, que afectan la suposición de que las burbujas son esféricas. Para la presión de Laplace de una interfaz gas-líquido curva, los dos radios principales de curvatura en un punto son R ₁ y R _2. ^{[ 12 ]} Con una interfaz curva, la presión en una fase es mayor que la presión en la otra fase. La presión capilar P _c viene dada por la ecuación:

${\displaystyle P_{c}=\gamma \left({\frac {1}{R_{1}}}+{\frac {1}{R_{2}}}\right)\!}$,

dónde${\displaystyle \gamma }$es la tensión superficial. La burbuja que se muestra a continuación es un gas (fase 1) en un líquido (fase 2) y el punto A designa la parte superior de la burbuja, mientras que el punto B designa la parte inferior de la burbuja.

En la parte superior de la burbuja, en el punto A, se supone que la presión en el líquido es p _0, al igual que en el gas. En la parte inferior de la burbuja, en el punto B, la presión hidrostática es:

${\displaystyle P_{B},1=p_{0}+g\rho __{1}z\!}$

${\displaystyle P_{B},2=p_{0}+g\rho __{2}z\!}$

donde ρ ₁ y ρ ₂ son la densidad de un gas y un líquido, respectivamente. La diferencia de presión hidrostática en la parte superior de la burbuja es 0, mientras que la diferencia de presión hidrostática en la parte inferior de la burbuja a través de la interfaz es gz ( ρ ₂ − ρ ₁ ). Suponiendo que los radios de curvatura en el punto A son iguales y se denotan por R _A y que los radios de curvatura en el punto B son iguales y se denotan por R _B , entonces la diferencia de presión capilar entre el punto A y el punto B es:

${\displaystyle P_{c}=2\gamma \left({\frac {1}{R_{A}}}-{\frac {1}{R_{B}}}\right)\!}$

En equilibrio, la diferencia de presión capilar debe estar equilibrada por la diferencia de presión hidrostática. Por lo tanto,

${\displaystyle gz(\rho _{2}-\rho _{1})=2\gamma \left({\frac {1}{R_{A}}}-{\frac {1}{R_{B}}}\right)\!}$

Dado que la densidad del gas es menor que la del líquido, el lado izquierdo de la ecuación siempre es positivo. Por lo tanto, el inverso de R _A debe ser mayor que R _B. Esto significa que el radio de curvatura aumenta desde la parte superior hasta la inferior de la burbuja. En consecuencia, sin despreciar la gravedad, las burbujas no pueden ser esféricas. Además, a medida que z aumenta, esto también provoca una diferencia entre R _A y R _B , lo que significa que la burbuja se desvía más de su forma a medida que crece. ^{[ 9 ]}

La desestabilización de la espuma se produce por varias razones. En primer lugar, la gravedad provoca el drenaje del líquido hacia la base de la espuma, fenómeno que Rybczynski y Hadamar incluyen en su teoría; sin embargo, la espuma también se desestabiliza debido a la presión osmótica , que provoca el drenaje desde las láminas hacia los bordes de Plateau debido a las diferencias de concentración internas en la espuma, y ​​a la presión de Laplace , que provoca la difusión del gas desde las burbujas pequeñas a las grandes debido a la diferencia de presión. Además, las películas pueden romperse bajo presión disyuntiva . Estos efectos pueden conducir a una reorganización de la estructura de la espuma a escalas mayores que las de las burbujas, que puede ser individual ( proceso T1 ) o colectiva (incluso del tipo "avalancha").

En la espuma de celda cerrada, el gas forma bolsas discretas, cada una completamente rodeada por el material sólido. En la espuma de celda abierta, las bolsas de gas se conectan entre sí. Las espumas sólidas, tanto de celda abierta como de celda cerrada, se consideran una subclase de estructuras celulares. Suelen tener una conectividad nodal menor en comparación con otras estructuras celulares como los panales de abeja y las celosías, por lo que su mecanismo de fallo está dominado por la flexión de los elementos. La baja conectividad nodal y el mecanismo de fallo resultante conducen, en última instancia, a una menor resistencia mecánica y rigidez en comparación con los panales de abeja y las celosías. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

La resistencia de las espumas puede verse afectada por la densidad, el material utilizado y la disposición de la estructura celular (poros abiertos o cerrados e isotropía de los mismos). Para caracterizar las propiedades mecánicas de las espumas, se utilizan curvas de tensión-deformación a compresión para medir su resistencia y capacidad de absorción de energía, ya que este es un factor importante en las tecnologías basadas en espumas.

espuma elastomérica

Para los sólidos celulares elastoméricos , al comprimirse la espuma, primero se comporta elásticamente a medida que las paredes celulares se doblan; luego, al pandearse las paredes celulares, se produce la fluencia y la ruptura del material hasta que finalmente las paredes celulares se aplastan y el material se rompe. ^{[ 15 ]} Esto se observa en una curva de tensión-deformación como un régimen elástico lineal pronunciado, un régimen lineal con una pendiente suave después de la fluencia (tensión de meseta) y un régimen de aumento exponencial. La rigidez del material se puede calcular a partir del régimen elástico lineal ^{[ 16 ]} donde el módulo para espumas de celda abierta se puede definir mediante la ecuación:

${\displaystyle \left({\frac {E^{*}}{E_{s}}}\right)_{f}=C_{f}\left({\frac {\rho ^{*}}{\rho _{s}}}\right)^{2}}$

dónde${\displaystyle E_{s}}$es el módulo del componente sólido,${\displaystyle E^{*}}$es el módulo de la estructura de panal,${\displaystyle C_{f}}$es una constante que tiene un valor cercano a uno,${\displaystyle \rho ^{*}}$es la densidad de la estructura de panal, y${\displaystyle \rho _{s}}$es la densidad del sólido. El módulo elástico para espumas de celda cerrada se puede describir de manera similar mediante:

${\displaystyle \left({\frac {E^{*}}{E_{s}}}\right)_{f}=C_{f}\left({\frac {\rho ^{*}}{\rho _{s}}}\right)^{3}}$

donde la única diferencia radica en el exponente de la dependencia de la densidad. Sin embargo, en materiales reales, una espuma de celda cerrada presenta mayor cantidad de material en los bordes de la celda, lo que hace que se ajuste mejor a la ecuación de las espumas de celda abierta. ^{[ 17 ]} La relación entre la densidad de la estructura de panal y la estructura sólida tiene un gran impacto en el módulo del material. En general, la resistencia de la espuma aumenta con la densidad de la celda y la rigidez del material de la matriz.

Las teorías sobre la formación, estructura y propiedades de la espuma —en física y fisicoquímica— difieren un tanto entre espumas líquidas y sólidas, ya que las primeras son dinámicas (por ejemplo, porque se deforman continuamente), como resultado de la difusión de gas entre las celdas, el drenaje de líquido de la espuma hacia un líquido a granel, etc. ^{[ 1 ] : 1–2} Las teorías sobre espumas líquidas tienen como análogos directos las teorías sobre emulsiones , ^{[ 1 ] : 3} sistemas de materiales bifásicos en los que un líquido está encerrado por otro. ^{[ 20 ]}

Las espumas líquidas pueden utilizarse en espumas ignífugas , como las que se emplean para extinguir incendios, especialmente los de petróleo .

Tradicionalmente, la masa del pan fermentado se ha entendido como una espuma de celda cerrada —la levadura hace que el pan suba mediante pequeñas burbujas de gas que se convierten en los poros del pan— donde las celdas no están conectadas entre sí. Al cortar la masa, se libera el gas de las burbujas cortadas, pero el gas del resto de la masa no puede escapar. Cuando la masa sube demasiado, se convierte en una espuma de celda abierta, en la que las bolsas de gas están conectadas; cortar la superficie de la masa en ese punto provocaría que escapara un gran volumen de gas y que la masa colapsara. ^{[ 22 ]} Investigaciones recientes han indicado que la estructura de poros en el pan está interconectada en un 99 % formando una gran vacuola, por lo que la espuma de celda cerrada de la masa húmeda se transforma en una espuma sólida de celda abierta en el pan. ^{[ 23 ]}

La propiedad única de las espumas gas-líquido de tener una superficie específica muy alta se aprovecha en los procesos químicos de flotación de espuma y fraccionamiento de espuma .

Las espumas sólidas son una clase de materiales de ingeniería celular ligeros. Estas espumas se clasifican típicamente en dos tipos según su estructura de poros: espumas de estructura de celda abierta (también conocidas como espumas reticuladas ) y espumas de celda cerrada. Con resoluciones de celda suficientemente altas, cualquier tipo puede tratarse como un material continuo o "continuo" y se denomina sólido celular , ^{[ 24 ]} con propiedades mecánicas predecibles.

Las espumas de celda abierta pueden utilizarse para filtrar el aire. Por ejemplo, se ha demostrado que una espuma con un catalizador incorporado convierte catalíticamente el formaldehído en sustancias inocuas cuando el aire contaminado con formaldehído pasa a través de su estructura de celda abierta. ^{[ 25 ]}

Las espumas de estructura de celda abierta contienen poros que están conectados entre sí y forman una red interconectada que es relativamente blanda. Las espumas de celda abierta se llenan con el gas que las rodea. Si se llenan de aire, se obtiene un aislante relativamente bueno, pero, si las celdas abiertas se llenan de agua, las propiedades aislantes se reducirían. Estudios recientes se han centrado en estudiar las propiedades de las espumas de celda abierta como material aislante. Se han producido bioespumas de gluten de trigo/TEOS , que muestran propiedades aislantes similares a las de las espumas obtenidas a partir de recursos derivados del petróleo. ^{[ 26 ]} El caucho espumado es un tipo de espuma de celda abierta.

Las espumas de celda cerrada no tienen poros interconectados. Debido a su estructura, suelen tener mayor resistencia a la compresión. Sin embargo, también son, en general, más densas, requieren más material y, por consiguiente, su producción es más costosa. Las celdas cerradas pueden rellenarse con un gas especializado para mejorar el aislamiento. Las espumas de estructura de celda cerrada presentan mayor estabilidad dimensional, bajos coeficientes de absorción de humedad y mayor resistencia en comparación con las espumas de estructura de celda abierta. Todos los tipos de espuma se utilizan ampliamente como material de núcleo en materiales compuestos tipo sándwich .

El primer uso conocido de sólidos celulares en ingeniería se relaciona con la madera, que en su estado seco es una espuma de celda cerrada compuesta de lignina, celulosa y aire. A principios del siglo XX, se empezaron a utilizar diversos tipos de espumas sólidas fabricadas especialmente. La baja densidad de estas espumas las hace excelentes como aislantes térmicos y dispositivos de flotación, y su ligereza y compresibilidad las convierten en materiales ideales para embalaje y relleno.

Un ejemplo del uso de azodicarbonamida ^{[ 27 ]} como agente espumante se encuentra en la fabricación de espumas de vinilo (PVC) y EVA-PE , donde desempeña un papel en la formación de burbujas de aire al descomponerse en gas a alta temperatura. ^{[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]}

La geometría aleatoria o "estocástica" de estas espumas también las hace aptas para la absorción de energía. Entre finales del siglo XX y principios del XXI, las nuevas técnicas de fabricación permitieron obtener geometrías que resultan en una excelente resistencia y rigidez por unidad de peso. Estos nuevos materiales se conocen generalmente como sólidos celulares de ingeniería. ^{[ 24 ]}