لماذا تؤدي الزيادة في تركيز المواد الخافضة للتوتر السطحي إلى تكوين رغوة مفرطة؟

عندما يدخل الهواء إلى سائل، ولأنه غير قابل للذوبان في الماء، فإنه ينقسم إلى فقاعات عديدة بفعل السائل تحت تأثير قوة خارجية، مما يُشكّل نظامًا غير متجانس. وبمجرد دخول الهواء إلى السائل وتكوّن الرغوة، تزداد مساحة التلامس بين الغاز والسائل، وترتفع الطاقة الحرة للنظام تبعًا لذلك.

تُشير أدنى نقطة إلى ما يُعرف عادةً بتركيز المذيلات الحرج (CMC). لذا، عندما يصل تركيز المادة الفعالة سطحيًا إلى تركيز المذيلات الحرج، يتوفر عدد كافٍ من جزيئات المادة الفعالة في النظام لتتراصف بكثافة على سطح السائل، مُشكلةً طبقة غشائية أحادية الجزيء خالية من الفجوات. هذا يُقلل من التوتر السطحي للنظام. ومع انخفاض التوتر السطحي، تنخفض أيضًا الطاقة الحرة اللازمة لتكوين الرغوة في النظام، مما يُسهل عملية تكوينها بشكل كبير.

في الإنتاج والتطبيق العملي، ولضمان استقرار المستحلبات المُحضّرة أثناء التخزين، غالبًا ما يتم تعديل تركيز المواد الفعالة سطحيًا فوق تركيز المذيلات الحرج. ورغم أن هذا يُحسّن استقرار المستحلب، إلا أنه ينطوي على بعض العيوب. فزيادة تركيز المواد الفعالة سطحيًا لا تُقلّل فقط من التوتر السطحي للنظام، بل تُغلّف أيضًا الهواء الداخل إلى المستحلب، مُشكّلةً طبقة سائلة صلبة نسبيًا، وعلى سطح السائل، طبقة جزيئية ثنائية. وهذا يُعيق بشكل كبير انهيار الرغوة.

الرغوة عبارة عن تجمع للعديد من الفقاعات، بينما تتشكل الفقاعة عندما ينتشر الغاز في سائل - حيث يمثل الغاز الطور المنتشر والسائل الطور المستمر. قد ينتقل الغاز داخل الفقاعات من فقاعة إلى أخرى أو يتسرب إلى الغلاف الجوي المحيط، مما يؤدي إلى اندماج الفقاعات واختفائها.

في حالة الماء النقي أو المواد الفعالة سطحياً وحدها، ونظراً لتركيبها المتجانس نسبياً، تفتقر طبقة الرغوة الناتجة إلى المرونة، مما يجعلها غير مستقرة وعرضة للتلاشي الذاتي. وتشير النظرية الديناميكية الحرارية إلى أن الرغوة المتولدة في السوائل النقية مؤقتة وتتلاشى بفعل تصريف الطبقة.

كما ذُكر سابقاً، في الطلاءات المائية، بالإضافة إلى وسط التشتيت (الماء)، توجد أيضاً مستحلبات لاستحلاب البوليمر، إلى جانب المشتتات، وعوامل الترطيب، والمكثفات، وغيرها من إضافات الطلاء القائمة على المواد الفعالة سطحياً. ونظراً لوجود هذه المواد معاً في النظام نفسه، فإن تكوّن الرغوة أمرٌ مرجّحٌ للغاية، وتساهم هذه المكونات الشبيهة بالمواد الفعالة سطحياً في زيادة استقرار الرغوة المتكوّنة.

عند استخدام المواد الفعالة السطحية الأيونية كمستحلبات، يكتسب غشاء الفقاعات شحنة كهربائية. وبسبب التنافر القوي بين الشحنات، تقاوم الفقاعات التكتل، مما يمنع عملية اندماج الفقاعات الصغيرة لتكوين فقاعات أكبر ثم انهيارها. وبالتالي، يمنع هذا إزالة الرغوة ويثبتها.

اتصل بنا!