رغوة

تأثير مارانغوني في الفيلم

تأثير مارانغوني للفيلم (2)

يحدث استقرار الرغوة بسبب قوى فان دير فالس بين الجزيئات الموجودة في الرغوة، والطبقات الكهربائية المزدوجة التي تتشكل بواسطة المواد الخافضة للتوتر السطحي ثنائية القطب ، وتأثير مارانغوني ، الذي يعمل كقوة استعادة للصفائح.

تعتمد ظاهرة مارانغوني على نقاء السائل المتكون للرغوة. عمومًا، تعمل المواد الفعالة سطحيًا في المحلول على تقليل التوتر السطحي. كما تتكتل هذه المواد على السطح لتشكل طبقة كما هو موضح أدناه.

لكي يحدث تأثير مارانغوني، يجب أن يكون الرغوة منخسفة كما هو موضح في الصورة الأولى. هذا الانخسف يزيد من مساحة السطح الموضعية. تتمتع المواد الفعالة بالسطح بفترة انتشار أطول من كتلة المحلول، لذا يكون تركيزها أقل في الانخسف.

كذلك، يؤدي تمدد السطح إلى زيادة التوتر السطحي للبقعة المنضغطة مقارنةً بالمنطقة المحيطة بها. ونتيجةً لذلك، ونظرًا لطول زمن انتشار المواد الفعالة سطحيًا، يتوفر الوقت الكافي لحدوث تأثير مارانغوني. يُحدث فرق التوتر السطحي تدرجًا، مما يحفز تدفق السائل من المناطق ذات التوتر السطحي المنخفض إلى المناطق ذات التوتر السطحي المرتفع. تُظهر الصورة الثانية الغشاء في حالة اتزان بعد حدوث تأثير مارانغوني. ^{[ 10 ]}

يؤدي معالجة الرغوة إلى تصلبها، مما يجعلها مستقرة إلى أجل غير مسمى في الظروف القياسية للضغط ودرجة الحرارة. ^{[ 11 ]}

قام ويتولد ريبكزينسكي وجاك هادامارد بتطوير معادلة لحساب سرعة الفقاعات التي تصعد في الرغوة بافتراض أن الفقاعات كروية الشكل بنصف قطر${\displaystyle r}$.

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

بسرعة بوحدة سنتيمتر في الثانية. ρ ₁ و ρ ₂ هما كثافة الغاز والسائل على التوالي بوحدة جم/سم³ ^، و ῃ ₁ و ῃ ₂ هما اللزوجة الديناميكية للغاز والسائل على التوالي بوحدة جم/سم·ث، و g هو تسارع الجاذبية بوحدة سم/ ^ث² .

ومع ذلك، بما أن كثافة ولزوجة السائل أكبر بكثير من كثافة ولزوجة الغاز، فإنه يمكن إهمال كثافة ولزوجة الغاز، مما ينتج عنه المعادلة الجديدة لسرعة الفقاعات الصاعدة على النحو التالي:

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

ومع ذلك، فقد أظهرت التجارب أن النموذج الأكثر دقة لارتفاع الفقاعات هو:

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

تُعزى الانحرافات إلى تأثير مارانغوني والضغط الشعري، مما يؤثر على افتراض كروية الفقاعات. بالنسبة لضغط لابلاس على سطح فاصل منحني بين غاز وسائل، فإن نصفي قطري الانحناء الرئيسيين عند نقطة ما هما R1 _و R2 _. [ ^{12 ] في} حالة السطح الفاصل المنحني، يكون الضغط في أحد الطورين أكبر من الضغط في الطور الآخر. يُعطى الضغط الشعري Pc _{بالمعادلة} التالية:

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

أين${\displaystyle \gamma }$يمثل التوتر السطحي. الفقاعة الموضحة أدناه هي غاز (الطور 1) في سائل (الطور 2)، وتشير النقطة A إلى قمة الفقاعة بينما تشير النقطة B إلى قاعها.

عند قمة الفقاعة عند النقطة أ، يُفترض أن يكون الضغط في السائل مساويًا للضغط _في الغاز. أما عند أسفل الفقاعة عند النقطة ب، فيكون الضغط الهيدروستاتيكي كما يلي:

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

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

حيث ρ₁ _و ρ₂ _هما كثافة الغاز والسائل على التوالي. يكون فرق الضغط الهيدروستاتيكي عند قمة الفقاعة صفرًا، بينما يكون فرق الضغط الهيدروستاتيكي عند قاعدة الفقاعة عبر السطح الفاصل gz ( ρ₂ - _ρ₁ ) . بافتراض أن نصفي قطري الانحناء عند النقطة A متساويان ويُرمز لهما بـ RA، _{وأن نصفي} قطري الانحناء عند النقطة B متساويان ويُرمز لهما بـ RB _، فإن فرق الضغط الشعري بين النقطتين A و B هو:

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

عند التوازن، يجب أن يتوازن الفرق في الضغط الشعري مع الفرق في الضغط الهيدروستاتيكي. وبالتالي،

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

بما أن كثافة الغاز أقل من كثافة السائل، فإن الطرف الأيسر من المعادلة يكون موجبًا دائمًا. لذا، يجب أن يكون مقلوب نصف قطر الانحناء (RA) أكبر من نصف قطر الانحناء (RB _{) .} وهذا يعني أن نصف قطر الانحناء يزداد من أعلى الفقاعة إلى أسفلها. وبالتالي، لا يمكن أن تكون الفقاعات كروية الشكل، مع إهمال تأثير الجاذبية. إضافةً إلى ذلك، مع ازدياد قيمة z، يزداد الفرق بين نصف قطر الانحناء (RA) _ونصف قطر الانحناء (RB ₎ ، مما يعني أن الفقاعة تنحرف عن شكلها الطبيعي كلما كبرت. ^{[ 9 ]}

يحدث عدم استقرار الرغوة لعدة أسباب. أولًا، تتسبب الجاذبية في تصريف السائل إلى قاعدة الرغوة، وهو ما أدرجه ريبتشينسكي وهادامار في نظريتهما؛ ومع ذلك، فإن الرغوة تفقد استقرارها أيضًا بسبب الضغط الأسموزي الذي يتسبب في تصريف السائل من الصفائح إلى حدود بلاتو نتيجةً لاختلافات التركيز الداخلي في الرغوة، كما يتسبب ضغط لابلاس في انتشار الغاز من الفقاعات الصغيرة إلى الكبيرة نتيجةً لاختلاف الضغط. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تنكسر الأغشية تحت تأثير ضغط التفكك . يمكن أن تؤدي هذه التأثيرات إلى إعادة ترتيب بنية الرغوة على نطاقات أكبر من الفقاعات، والتي قد تكون فردية ( عملية T1 ) أو جماعية (حتى من نوع "الانهيار الجليدي").

في الرغوة ذات الخلايا المغلقة، يشكّل الغاز جيوبًا منفصلة، ​​كل منها محاط تمامًا بالمادة الصلبة. أما في الرغوة ذات الخلايا المفتوحة، فتتصل جيوب الغاز ببعضها. تُعتبر الرغوات الصلبة، بنوعيها ذات الخلايا المفتوحة والمغلقة، فئة فرعية من الهياكل الخلوية. غالبًا ما تتميز هذه الرغوات بانخفاض ترابط العقد مقارنةً بالهياكل الخلوية الأخرى كخلايا النحل والشبكات الشبكية، وبالتالي، فإن آلية فشلها تعتمد بشكل أساسي على انحناء العناصر. يؤدي انخفاض ترابط العقد، وما ينتج عنه من آلية فشل، في النهاية إلى انخفاض قوتها الميكانيكية وصلابتها مقارنةً بخلايا النحل والشبكات الشبكية. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

تتأثر قوة الرغوة بكثافتها، والمادة المستخدمة فيها، وترتيب بنيتها الخلوية (مفتوحة أو مغلقة، وتجانس المسام). ولتوصيف الخصائص الميكانيكية للرغوة، تُستخدم منحنيات الإجهاد والانفعال الانضغاطي لقياس قوتها وقدرتها على امتصاص الطاقة، إذ يُعدّ هذا عاملاً مهماً في التقنيات القائمة على الرغوة.

رغوة مطاطية

بالنسبة للمواد الصلبة الخلوية المرنة ، عند ضغط الرغوة، فإنها تتصرف أولاً بمرونة حيث تنحني جدران الخلايا، ثم مع انبعاج جدران الخلايا يحدث خضوع وانهيار للمادة حتى تتحطم جدران الخلايا معًا في النهاية وتتمزق المادة. ^{[ 15 ]} يظهر هذا في منحنى الإجهاد والانفعال على شكل نظام مرن خطي حاد، ونظام خطي ذو ميل طفيف بعد الخضوع (إجهاد الهضبة)، ونظام متزايد أُسّيًا. يمكن حساب صلابة المادة من النظام المرن الخطي ^{[ 16 ]} حيث يمكن تعريف معامل المرونة للرغوات ذات الخلايا المفتوحة بالمعادلة التالية:

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

أين${\displaystyle E_{s}}$هو معامل المرونة للمكون الصلب،${\displaystyle E^{*}}$هو معامل مرونة بنية قرص العسل،${\displaystyle C_{f}}$ثابت له قيمة قريبة من الواحد،${\displaystyle \rho ^{*}}$هي كثافة بنية قرص العسل، و${\displaystyle \rho _{s}}$هي كثافة المادة الصلبة. ويمكن وصف معامل المرونة للرغوات ذات الخلايا المغلقة بشكل مشابه كما يلي:

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

حيث يكمن الاختلاف الوحيد في الأسّ في اعتماد الكثافة. مع ذلك، في المواد الحقيقية، تحتوي الرغوة ذات الخلايا المغلقة على كمية أكبر من المادة عند حواف الخلايا، مما يجعلها أقرب إلى معادلة الرغوة ذات الخلايا المفتوحة. ^{[ 17 ]} تؤثر نسبة كثافة بنية قرص العسل مقارنةً بالبنية الصلبة تأثيرًا كبيرًا على معامل مرونة المادة. عمومًا، تزداد قوة الرغوة مع كثافة الخلايا وصلابة المادة الأساسية.

تختلف النظريات المتعلقة بتكوين الرغوة وبنيتها وخصائصها - في الفيزياء والكيمياء الفيزيائية - نوعًا ما بين الرغوات السائلة والصلبة، حيث أن الأولى ديناميكية (على سبيل المثال، كونها "تتشوه باستمرار")، نتيجة لانتشار الغاز بين الخلايا، وتسرب السائل من الرغوة إلى سائل آخر، وما إلى ذلك. ^{[ 1 ] : 1-2} وتتشابه النظريات المتعلقة بالرغوات السائلة بشكل مباشر مع النظريات المتعلقة بالمستحلبات ، ^{[ 1 ] : 3} وهي أنظمة مواد ثنائية الطور حيث يكون أحد السائلين محاطًا بالآخر. ^{[ 20 ]}

يمكن استخدام الرغوات السائلة في رغوة مثبطات الحريق ، مثل تلك المستخدمة في إطفاء الحرائق، وخاصة حرائق النفط .

لطالما اعتُبرت عجينة الخبز المخمّر رغوةً ذات خلايا مغلقة، حيث تتسبب الخميرة في ارتفاع العجين عبر فقاعات غازية صغيرة تُشكّل مسامات العجين، ولا تتصل هذه الخلايا ببعضها. يؤدي تقطيع العجين إلى إطلاق الغاز الموجود في الفقاعات المقطوعة، بينما يبقى الغاز في باقي العجين غير قادر على التسرب. وعندما يُترك العجين ليرتفع أكثر من اللازم، يتحول إلى رغوة ذات خلايا مفتوحة، حيث تتصل جيوب الغاز ببعضها؛ ويؤدي تقطيع سطح العجين عند هذه النقطة إلى تسرب كمية كبيرة من الغاز، مما يتسبب في انهيار العجين. ^{[ 22 ]} وقد أشارت الأبحاث الحديثة إلى أن بنية المسامات في الخبز متصلة بنسبة 99% لتُشكّل فجوة كبيرة واحدة، وبالتالي تتحول رغوة العجين الرطب ذات الخلايا المغلقة إلى رغوة صلبة ذات خلايا مفتوحة داخل الخبز. ^{[ 23 ]}

يتم استغلال الخاصية الفريدة لرغوات الغاز والسائل ذات المساحة السطحية النوعية العالية جدًا في العمليات الكيميائية لتعويم الرغوة وتجزئة الرغوة .

تُعدّ الرغوات الصلبة فئة من المواد الهندسية الخلوية خفيفة الوزن. تُصنّف هذه الرغوات عادةً إلى نوعين بناءً على بنية مسامها: الرغوات ذات البنية الخلوية المفتوحة (المعروفة أيضًا بالرغوات الشبكية ) والرغوات ذات البنية الخلوية المغلقة. عند دقة خلوية عالية بما يكفي، يمكن التعامل مع أي نوع منها كمواد متصلة أو "متجانسة"، وتُعرف حينها بالمواد الصلبة الخلوية ، ^{[ 24 ]} ذات الخصائص الميكانيكية المتوقعة.

يمكن استخدام الرغوات ذات الخلايا المفتوحة لتنقية الهواء. على سبيل المثال، ثبت أن الرغوة المدمجة بمحفز تحول الفورمالديهايد إلى مواد غير ضارة عندما يمر الهواء الملوث بالفورمالديهايد عبر بنية الخلايا المفتوحة. ^{[ 25 ]}

تحتوي الرغوات ذات البنية الخلوية المفتوحة على مسامات متصلة ببعضها، تُشكل شبكة مترابطة تتميز بنعومتها النسبية. تمتلئ هذه الرغوات بالغاز المحيط بها. فإذا امتلأت بالهواء، تُصبح عازلاً جيداً نسبياً، أما إذا امتلأت بالماء، فإن خصائص العزل تقل. وقد ركزت الدراسات الحديثة على دراسة خصائص الرغوات ذات الخلايا المفتوحة كمادة عازلة. وقد تم إنتاج رغوات حيوية من غلوتين القمح/ رباعي إيثوكسي سيلان (TEOS) ، والتي أظهرت خصائص عزل مماثلة لتلك الموجودة في الرغوات المُستخرجة من مصادر نفطية. ^{[ 26 ]} يُعد المطاط الرغوي نوعاً من أنواع الرغوات ذات الخلايا المفتوحة.

لا تحتوي الرغوات ذات الخلايا المغلقة على مسامات مترابطة. تتميز هذه الرغوات عادةً بمقاومة ضغط أعلى نظرًا لبنيتها. مع ذلك، فهي عمومًا أكثر كثافة، وتتطلب كمية أكبر من المواد، وبالتالي تكون أكثر تكلفة في الإنتاج. يمكن ملء الخلايا المغلقة بغاز متخصص لتحسين العزل. تتميز الرغوات ذات الخلايا المغلقة بثبات أبعاد أعلى، ومعامل امتصاص رطوبة منخفض، وقوة أكبر مقارنةً بالرغوات ذات الخلايا المفتوحة. تُستخدم جميع أنواع الرغوات على نطاق واسع كمادة أساسية في المواد المركبة ذات البنية الشطيرية .

يُعدّ الخشب أقدم استخدام هندسي معروف للمواد الصلبة الخلوية، حيث يُشكّل في حالته الجافة رغوة ذات خلايا مغلقة تتكون من اللجنين والسليلوز والهواء. ومنذ أوائل القرن العشرين، شاع استخدام أنواع مختلفة من الرغوات الصلبة المصنّعة خصيصًا. وتجعل الكثافة المنخفضة لهذه الرغوات منها مواد عازلة حرارية ممتازة، بالإضافة إلى كونها أدوات طفو، كما أن خفتها وقابليتها للانضغاط تجعلها مثالية كمواد تغليف وحشو.

من الأمثلة على استخدام أزوديكاربوناميد ^{[ 27 ]} كعامل نفخ ، استخدامه في صناعة رغوة الفينيل (PVC) ورغوة EVA-PE ، حيث يلعب دورًا في تكوين فقاعات الهواء عن طريق تحلله إلى غاز عند درجة حرارة عالية. ^{[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]}

تُضفي الهندسة العشوائية أو "الاحتمالية" لهذه الرغوات عليها خصائص امتصاص طاقة جيدة. وفي أواخر القرن العشرين وبداية القرن الحادي والعشرين، أتاحت تقنيات التصنيع الحديثة إمكانية الحصول على هندسة تُنتج قوة وصلابة ممتازتين لكل وحدة وزن. وتُعرف هذه المواد الجديدة عادةً باسم المواد الصلبة الخلوية المُهندسة. ^{[ 24 ]}