Картинка Macrovector, Freepik

Так уж случилось, что ряд лет назад автор статьи заинтересовался темой вспенивания, а также пены как таковой. А положило начало интереса к этому вопросу достаточно любопытное видео, в котором демонстрировался аппарат, выпускающий облака различной формы, наполненные гелием. Результаты изучения этой темы дали много новых знаний и привели к любопытным выводам, о которых ниже.

Как можно видеть, источником подобных облаков является аппарат, который устроен достаточно просто: система подключена к баллону со сжатым гелием, выпускающим газ во вспенивающийся водный раствор, который, продавливаясь через формообразующее окно, с определённой периодичностью отсекается своеобразным «ножом». Ввиду того что гелий легче воздуха, объект моментально уносится ввысь, даря положительные эмоции всем, кто наблюдает этот процесс :-)

Сказано — сделано. Не откладывая дело в долгий ящик, был закуплен баллон с гелием достаточно большого размера (точный объём на данный момент уже «затерялся в годах», однако высота его была порядка 1 м и весил он тоже прилично).

Если память не изменяет, в него помещалось порядка 250 м³ сжатого гелия при давлении порядка 70 атмосфер.

Однако не хотелось повторять один в один то же самое, что было показано в видео, и захотелось сделать нечто более универсальное. А именно: создать массив форсунок, подключённых к баллону с гелием и печатающих произвольные летающие объекты.

И если с электронной частью всё более-менее понятно (та же самая Arduino с подключённым массивом электронных ключей на транзисторах, к каждому из которых должна быть подключена открывающая подачу газа форсунка), то c форсунками, открывающими подачу газа, случился очень серьёзный затык.

А дело здесь вот в чём: так как необходимо открывать баллон с газом, находящимся под достаточно большим давлением (70 атмосфер), то мало какие имеющиеся в продаже (и реально доступные самодельщику) пневмоклапаны могут подойти для решения этого вопроса.

Автором были протестированы:

• автомобильные инжекторные форсунки (и, как уже было описано в других статьях, на практике выяснилось, что максимальное давление, при котором они могут открываться и на что у них хватает силы — это две атмосферы);
• пневмоклапан холостого хода от легкового автомобиля: выяснилось, что он в принципе годится для подобной работы, однако только в том случае, если подача газа из баллона приоткрыта «на чуть-чуть». Это не даёт давлению в шлангах превышать то, при котором клапан уже не может открыться, и он в таком режиме ещё может работать. Естественно, это всё при условии, что и подача газа открыта на чуть-чуть и пневмоклапан работает с определённой периодичностью, не давая повышаться давлению в шлангах. Чем он хорош, так это тем, что обладает достаточно большой пропускной способностью, учитывая, что проходное сечение трубки у него порядка 6 мм.

Тут надо сделать оговорку: на тот момент автору не приходило в голову изготовить подобный клапан самостоятельно (да и практические знания, и станочный парк, имеющийся в наличии (максимум — дрель :-) не позволили бы… на дворе шёл 2009 год). Если бы подобная задача встала в нынешнее время, автор без проблем бы изготовил самостоятельно пневмоклапан на требующееся давление, вплоть до намотки электромагнита и т. д.

Кроме того, наблюдалась ещё одна существенная проблема: как можно видеть в видео выше, производство пены происходит в режиме «медленно и печально» — необходимо затратить весьма существенное количество времени и газа, чтобы создать более-менее объёмный пенный объект.

И автор стал разбираться, а что такое пена вообще и как можно улучшить этот процесс?

▍ Пена и её свойства

Пена является дисперсной системой, которая состоит из газовых пузырьков, разделённых тонкими слоями жидкости.

Если газ диспергирован в жидкости в малом количестве и при этом толщина жидких прослоек примерно равна размеру газовых пузырьков, то подобная пена называется шаровой.

Если жидкая среда обладает малой вязкостью, то подобная пена относится к короткоживущей системе. Из-за большой разности плотности газа и жидкости подобная система быстро проходит расслоение на чистую дисперсионную среду и концентрированную пену. Здесь большую роль играет содержание и тип поверхностно-активного вещества, который принимал участие в образовании пены. В зависимости от этого пена либо быстро начинает разрушаться, либо превращается в полиэдрическую пену, которая получается при концентрации газа в эмульсии 50-75% от объёма. Здесь под словом «полиэдрическая» понимается пена, состоящая из правильных многогранников-полиэдров, грани которых относительно плоские.

Учёными было установлено, что образование долгоживущей устойчивой пены в чистой жидкости невозможно (обязательно необходима добавка поверхностно-активных веществ — ПАВ). Тут следует сделать оговорку, что некоторые пены могут существовать без добавки ПАВ, особенно если процесс пенообразования протекает весьма короткое время и пузырьки просто не успевают схлопнуться.

Появление же в системе ПАВ существенно изменяет свойства газовых дисперсий и плёнок: уменьшается поверхностное натяжение на границе раздела жидкость-газ, облегчаются условия диспергирования газа, происходит уменьшение размера пузырьков, смена режима и скорости их всплывания.

С самого момента возникновения пены в ней начинают протекать процессы, способствующие её разрушению. Среди них наиболее важное значение занимает утончение плёнок и вытекание жидкости из них под действием гравитационных сил.

Самыми важными характеристиками любой пены являются её кратность, дисперсность и устойчивость.

• Под кратностью понимается соотношение объёма пены к объёму содержащейся в ней жидкости.
• Дисперсность характеризует средний размер пузырька и распределение пузырьков по размерам.
• Устойчивость подразумевает способность пены сохранять свои основные свойства, среди которых можно назвать: дисперсность, кратность, в целом её объём.

▍ Способы получения пены

Основными способами получения пены являются: конденсационный и диспергационный.

Конденсационный способ представляет собой получение пузырьков газа в жидком растворе при понижении давления или повышении температуры. Кроме того, возможно получение пузырьков при соответствующий химической реакции.

Диспергационный способ представляет собой получение пены с помощью дробления газа на пузырьки во время подачи его в пенообразующий аппарат через ряд капиллярных трубок, пористые пластины, сетки или ткань. Также возможно получение пены при продувании газа через орошаемые раствором сетки (один из самых привлекательных способов, если не самый привлекательный — о нём ещё будет ниже).

Кстати говоря, по всей видимости, в рассмотренном выше аппарате с «облаками» из гелия и пены используется частный случай конструкции с сетками — барботажный способ:


Барботажный способ существенно проигрывает по скорости создания пены продуву воздуха/иного газа сквозь сетки.

Было установлено, что при работе с сетками кратность пены возрастает при уменьшении скорости подачи газа. Если скорость подачи газа остаётся постоянной, то при снижении концентрации ПАВ, вязкости раствора.

▍ Практическое применение

Итак, после того как мы немножко ознакомились с пеной, мы узнали, что одним из наиболее интересных способов создания пены является продувка воздуха сквозь сетку орошаемую раствором, например, воды с пенообразователем (мыло, шампунь и т. д.). Выше мы уже видели, как может образовываться пена и с какой скоростью, например, в случае аппарата, который производит летающие облака из гелия.

А теперь посмотрим, что может делать аппарат на базе сеток, даже самодельный:

Или промышленный:

Как можно видеть, в жаркий солнечный день любой желающий может устроить себе локальную пенную вечеринку на природе, приложив некоторые усилия. Или же просто произвести «огромную кучу пены», чтобы позабавить своих детей :-) Впечатляющая производительность…

Кстати говоря, именно на базе подобного принципа и функционируют системы пожаротушения, где в особых случаях в качестве газа может подаваться не воздух, а продукты сгорания ДВС. Таким образом, получается, что пузырьки в пене содержат не кислород, а углекислый газ, то есть пена становится своеобразным изолятором очага горения от кислорода атмосферы:

Картинка dic.academic.ru, где 1 — вентилятор, 2 — рукав подачи пенообразующего водного раствора, 3 — насадка, 4 — сетка

Стандартные же системы пожаротушения, построенные на базе генераторов высокократной пены, могут иметь, как вариант, следующие типы архитектур:

Картинка ssgas.ru

Тем не менее, это только один из вариантов применения подобного устройства. В настоящее время ещё одним интересным способом применения видится другой: 3D-печать пеной!

Ввиду широкого распространения различных подходов к 3D-печати (в том числе архитектурная печать бетоном), видится очень интересным быстрое производство объёмных конструкций из соответствующей быстрозастывающей полимерной пены. Например, печатная головка принтера производит пену, которая содержит в себе закрытые пузырьки относительно большого размера, что обеспечивает малый расход раствора, а также быстрое производство объёмных конструкций.

Подобная система теоретически может производить за весьма сжатое время конструкции для проживания людей, например на время природных бедствий, и не только. А после последующего покрытия составом, который будет защищать её от негативного воздействия ультрафиолета, может представлять собой вполне долговечную конструкцию, к тому же весьма дешёвую, хорошо теплоизолирующую и быстровозводимую!

Так как мы уже знаем, какой быстрый способ создания существенных объёмов пены существует, мы могли бы распылять сквозь сетку соответствующий полимер, который на некотором расстоянии от сетки облучается, например, жёстким ультрафиолетом и моментально отверждается, т. е. принцип, похожий на отверждение смолы у фотополимерных 3D-принтеров или УФ-отверждаемых красок у широкоформатных принтеров в полиграфии. Головка распыляет краску на поверхность, и расположенные на ней ультрафиолетовые светодиоды моментально отверждают краску. Скорость движения головки весьма большая и может достигать трёх метров в секунду, тем не менее этого хватает, чтобы успешно отвердить краску. Главное — создать соответствующую плотность облучения целевой поверхности.

Тем не менее, для такого подхода ещё потребуется провести свой НИОКР и найти/подобрать/разработать соответствующий полимер.

А как же обстоят дела в настоящий момент в сфере вспенивания полимеров и какие подходы используются? Среди способов вспенивания полимеров можно перечислить следующие:

• вспенивание газом, который был предварительно растворён в составе: предварительно расплавленное вещество насыщают газом, постоянно перемешивая. Количество растворённых газов регулируется с помощью давления и температуры. После того, как нужно содержание газа дстигнуто, полимер выдавливается в ёмкость с более низким давлением, где и происходит его вспенивание;
• за счёт растворённой легколетучей жидкости: полимер смешивают с несколькими процентами от его объёма летучей жидкости, температура кипения которой должна быть ниже той температуры, при которой полимер переходит в вязкое состояние. В дальнейшем производят его дополнительный нагрев, во всём его объёме начинается кипение легколетучей жидкости и он вспенивается;
• за счёт термического разложения специально вводимых твёрдых газообразователей: смешивается с неустойчивыми химическими веществами, температура разложения которых близка к температуре, при которой полимер остаётся жидким. При дальнейшем дополнительном нагреве, после того как было произведено смешивание, происходит разложение этих веществ и вспенивание композиции;
• за счёт возникновения газообразования при непосредственном смешивании компонентов полимерной композиции.

Таким образом, можно попробовать использовать любой из этих способов для изготовления пенного 3D-принтера, что позволит, в свою очередь, использовать наработанные проверенные способы создания вспененных полимерных составов. Для самого автора статьи одним из наиболее привлекательных способов видится насыщение полимера растворённым газом, как один из наиболее простых и дешёвых способов вспенивания.

В мировой практике ничего подобного найти не удалось, за исключением следующего примера, где идёт обычная фотополимерная печать, и изделие потом ненадолго помещается в печь, где происходит вспенивание полимера. Не совсем то, но хоть что-то:

Подытоживая, хочется сказать, что даже такая простая субстанция, как пена, с которой каждый сталкивается практически ежедневно, может дать множество пищи для размышлений и изобретений. Если кто-то хочет более подробно ознакомиться с научной литературой на тему пенообразования, некоторое её количество можно найти здесь.

Telegram-канал с розыгрышами призов, новостями IT и постами о ретроиграх