لماذا يؤدي ارتفاع تركيز المواد الخافضة للتوتر السطحي إلى تكوين رغوة زائدة؟

عندما يدخل الهواء إلى سائل، ولأنه غير قابل للذوبان في الماء، فإنه ينقسم إلى فقاعات عديدة بفعل السائل تحت تأثير قوة خارجية، مشكلاً نظاماً غير متجانس. بمجرد دخول الهواء إلى السائل وتكوينه رغوة، تزداد مساحة التلامس بين الغاز والسائل، وبالتالي ترتفع الطاقة الحرة للنظام.

تُقابل أدنى نقطة ما يُشار إليه عادةً بتركيز الميسيل الحرج (CMC). لذلك، عندما يصل تركيز المادة الخافضة للتوتر السطحي إلى CMC، يكون هناك عدد كافٍ من جزيئات المادة الخافضة للتوتر السطحي في النظام لتتراص بكثافة على سطح السائل، مُشكّلةً طبقة غشاء أحادية الجزيء خالية من الفجوات. هذا يُقلل من التوتر السطحي للنظام. وعندما ينخفض ​​التوتر السطحي، تقل أيضًا الطاقة الحرة اللازمة لتكوين الرغوة في النظام، مما يُسهّل تكوين الرغوة بشكل كبير.

في الإنتاج والتطبيق العملي، لضمان استقرار المستحلبات المُحضّرة أثناء التخزين، غالبًا ما يُضبط تركيز المواد الخافضة للتوتر السطحي فوق التركيز الحرج للميسيل. ورغم أن هذا يُعزز استقرار المستحلب، إلا أن له بعض العيوب. فالكميات الزائدة من المواد الخافضة للتوتر السطحي لا تُقلل التوتر السطحي للنظام فحسب، بل تُغلّف أيضًا الهواء الداخل إلى المستحلب، مُشكّلةً طبقة سائلة صلبة نسبيًا، وعلى سطح السائل طبقة جزيئية ثنائية الطبقات. وهذا يُعيق انهيار الرغوة بشكل كبير.

الرغوة عبارة عن تجمع فقاعات عديدة، بينما تتشكل الفقاعة عند تشتت الغاز في سائل - الغاز هو الطور المشتت والسائل هو الطور المستمر. قد ينتقل الغاز داخل الفقاعات من فقاعة إلى أخرى أو يتسرب إلى الغلاف الجوي المحيط، مما يؤدي إلى اندماج الفقاعة واختفائها.

بالنسبة للماء النقي أو المواد الخافضة للتوتر السطحي وحدها، ونظرًا لتركيبها المتجانس نسبيًا، يفتقر غشاء الرغوة الناتج إلى المرونة، مما يجعله غير مستقر وعرضة للزوال الذاتي. تشير النظرية الديناميكية الحرارية إلى أن الرغوة المتولدة في السوائل النقية مؤقتة وتتلاشى بسبب تصريف الغشاء.

كما ذُكر سابقًا، في الطلاءات المائية، بالإضافة إلى وسيط التشتيت (الماء)، توجد أيضًا مستحلبات لاستحلاب البوليمر، بالإضافة إلى المشتتات، وعوامل الترطيب، والمكثفات، وغيرها من إضافات الطلاء القائمة على المواد الخافضة للتوتر السطحي. ونظرًا لتواجد هذه المواد معًا في النظام نفسه، فمن المرجح جدًا تكوين الرغوة، وهذه المكونات الشبيهة بالمواد الخافضة للتوتر السطحي تُعزز استقرار الرغوة الناتجة.

عند استخدام المواد الخافضة للتوتر السطحي الأيونية كمستحلبات، يكتسب غشاء الفقاعات شحنة كهربائية. وبسبب التنافر القوي بين الشحنات، تقاوم الفقاعات التكتل، مما يُعيق اندماج الفقاعات الصغيرة في فقاعات أكبر ثم انهيارها. وبالتالي، يُعيق هذا إزالة الرغوة ويُثبّتها.

اتصل بنا!