ปรากฏการณ์มารังโกนีของภาพยนตร์

เอฟเฟกต์ Marangoni ของภาพยนตร์ (2)

การคงตัวของโฟมเกิดจากแรงแวนเดอร์วาลส์ระหว่างโมเลกุลในโฟมชั้นไฟฟ้าคู่ที่สร้างขึ้นโดยสาร ลดแรงตึงผิว แบบไดโพลาร์และปรากฏการณ์มารังโกนีซึ่งทำหน้าที่เป็นแรงคืนตัวให้กับแผ่นลามินา

ปรากฏการณ์มารังโกนีขึ้นอยู่กับความไม่บริสุทธิ์ของของเหลวที่เกิดฟอง โดยทั่วไป สารลดแรงตึงผิวในสารละลายจะลดแรงตึงผิว นอกจากนี้ สารลดแรงตึงผิวยังจับตัวกันเป็นก้อนบนพื้นผิวและก่อตัวเป็นชั้นดังแสดงในภาพด้านล่าง

เพื่อให้เกิดปรากฏการณ์มารังโกนี (Marangoni effect) โฟมจะต้องถูกกดให้เป็นรอยบุ๋มดังแสดงในภาพแรก รอยบุ๋มนี้จะเพิ่มพื้นที่ผิวเฉพาะที่ สารลดแรงตึงผิวมีเวลาในการแพร่กระจายมากกว่าในสารละลายส่วนใหญ่ ดังนั้นความเข้มข้นของสารลดแรงตึงผิวในบริเวณที่เป็นรอยบุ๋มจึงน้อยลง

นอกจากนี้ การยืดผิวทำให้แรงตึงผิวของจุดที่เว้าเข้าไปมีค่ามากกว่าบริเวณรอบข้าง ส่งผลให้—เนื่องจากเวลาในการแพร่กระจายของสารลดแรงตึงผิวมีมาก—ปรากฏการณ์มารังโกนีจึงมีเวลาเกิดขึ้น ความแตกต่างของแรงตึงผิวทำให้เกิดการไล่ระดับ ซึ่งกระตุ้นให้ของเหลวไหลจากบริเวณที่มีแรงตึงผิวต่ำไปยังบริเวณที่มีแรงตึงผิวสูง ภาพที่สองแสดงให้เห็นฟิล์มที่อยู่ในสภาวะสมดุลหลังจากปรากฏการณ์มารังโกนีเกิดขึ้นแล้ว^{[ 10 ]}

การบ่มโฟมจะทำให้โฟมแข็งตัว ทำให้โฟมคงตัวได้อย่างไม่มีกำหนดที่ STP ^{[ 11 ]}

Witold RybczynskiและJacques Hadamardได้พัฒนาสมการเพื่อคำนวณความเร็วของฟองอากาศที่ลอยขึ้นในโฟม โดยสมมติว่าฟองอากาศมีรูปทรงกลมและมีรัศมี${\displaystyle r}$.

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

โดยมีความเร็วในหน่วยเซนติเมตรต่อวินาที ρ และ ρ คือความหนาแน่นของแก๊สและของเหลวตามลำดับในหน่วย g/cm³ ^และ ῃ และ ῃ คือความหนืดไดนามิก ของแก๊สและของเหลวตามลำดับในหน่วย g /cm·s และ g คือความเร่งโน้มถ่วงในหน่วย cm/ ^s²

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความหนาแน่นและความหนืดของของเหลวนั้นมากกว่าของแก๊สมาก จึงสามารถละเลยความหนาแน่นและความหนืดของแก๊สได้ ซึ่งจะทำให้ได้สมการใหม่สำหรับความเร็วของการลอยตัวของฟองอากาศดังนี้:

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

อย่างไรก็ตาม จากการทดลองพบว่าแบบจำลองที่แม่นยำกว่าสำหรับการลอยตัวของฟองอากาศคือ:

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

ความเบี่ยงเบนเกิดจากผลของ Marangoni และแรงดันคาปิลลารี ซึ่ง ^ส่งผลต่อสมมติฐานที่ว่าฟองอากาศเป็นทรงกลม สำหรับแรงดันลาปลาซของส่วนต่อประสานระหว่างแก๊สและของเหลวที่โค้ง รัศมีโค้งหลักสองค่า ณ จุดหนึ่งคือ R และ R ^{[ 12} ] ด้วยส่วนต่อประสานที่โค้ง แรงดันในเฟสหนึ่งจะมากกว่าแรงดันในอีกเฟสหนึ่ง แรงดันคาปิลลารี P กำหนดโดยสมการ:

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

ที่ไหน${\displaystyle \gamma }$σ คือแรงตึงผิว ฟองอากาศที่แสดงด้านล่างเป็นแก๊ส (เฟส 1) ในของเหลว (เฟส 2) โดยจุด A แสดงส่วนบนของฟองอากาศ และจุด B แสดงส่วนล่างของฟองอากาศ

ที่จุดสูงสุดของฟองอากาศ ณ จุด A ความดันในของเหลวถือว่าเท่ากับ p0 เดียวกับในแก๊ส ส่วนที่จุดต่ำสุดของฟองอากาศ ณ จุด B ความดันไฮโดรสแตติกคือ:

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

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

โดยที่ ρ และ ρ คือความหนาแน่นของแก๊สและของเหลวตามลำดับ ความแตกต่างของความดันไฮโดรสแตติกที่ด้านบนของฟองอากาศคือ 0 ในขณะที่ความแตกต่างของความดันไฮโดรสแตติกที่ด้านล่างของฟองอากาศข้ามส่วนต่อประสานคือgz ( ρ − ρ ) สมมติว่ารัศมีของความโค้งที่จุด A เท่ากันและแทนด้วย R และรัศมีของความโค้งที่จุด B เท่ากันและแทนด้วย R แล้วความแตกต่างของความดันคาปิลลารีระหว่างจุด A และจุด B คือ:

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

ในสภาวะสมดุล ความแตกต่างของความดันคาปิลลารีจะต้องสมดุลกับความแตกต่างของความดันไฮโดรสแตติก ดังนั้น

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

เนื่องจากความหนาแน่นของแก๊สน้อยกว่าความหนาแน่นของของเหลว ด้านซ้ายของสมการจึงเป็นบวกเสมอ ดังนั้น ค่าผกผันของ R จะต้องมากกว่า R หมายความว่ารัศมีของความโค้งจะเพิ่มขึ้นจากด้านบนของฟองอากาศไปยังด้านล่างของฟองอากาศ ดังนั้น หากไม่ละเลยแรงโน้มถ่วง ฟองอากาศจึงไม่สามารถเป็นทรงกลมได้ นอกจากนี้ เมื่อ z เพิ่มขึ้น จะทำให้ความแตกต่างระหว่าง R และ R เพิ่มขึ้น ด้วย ซึ่งหมายความว่าฟองอากาศจะเบี่ยงเบนจากรูปร่างเดิมมากขึ้นเมื่อมีขนาดใหญ่ขึ้น^{[ 9 ]}

การเสียเสถียรภาพของโฟมเกิดขึ้นได้จากหลายสาเหตุ ประการแรกแรงโน้มถ่วงทำให้ของเหลวไหลลงสู่ฐานของโฟม ซึ่ง Rybczynski และ Hadamar ได้รวมไว้ในทฤษฎีของพวกเขา อย่างไรก็ตาม โฟมยังเสียเสถียรภาพเนื่องจากแรงดันออสโมติกทำให้ของเหลวไหลจากแผ่นบางๆ ไปยังขอบของที่ราบสูงเนื่องจากความแตกต่างของความเข้มข้นภายในโฟม และแรงดันลาปลาซทำให้ก๊าซแพร่จากฟองขนาดเล็กไปยังฟองขนาดใหญ่เนื่องจากความแตกต่างของแรงดัน นอกจากนี้ ฟิล์มยังสามารถแตกได้ภายใต้แรงดันที่แยกตัวออกจากกันผลกระทบเหล่านี้สามารถนำไปสู่การจัดเรียงโครงสร้างของโฟมใหม่ในระดับที่ใหญ่กว่าฟองอากาศ ซึ่งอาจเป็นแบบรายบุคคล ( กระบวนการ T1 ) หรือแบบรวมกลุ่ม (แม้กระทั่งแบบ "ถล่มทลาย")

ในโฟมเซลล์ปิด ก๊าซจะก่อตัวเป็นช่องว่างแยกกัน โดยแต่ละช่องจะถูกล้อมรอบด้วยวัสดุแข็งอย่างสมบูรณ์ ในโฟมเซลล์เปิด ช่องว่างของก๊าซจะเชื่อมต่อกัน โฟมแข็ง ทั้งเซลล์เปิดและเซลล์ปิด ถือเป็นโครงสร้างเซลล์ประเภทย่อย โฟมแข็งมักมีการเชื่อมต่อของจุดต่อที่ต่ำกว่าเมื่อเทียบกับโครงสร้างเซลล์อื่นๆ เช่น รังผึ้งและโครงตาข่าย ดังนั้นกลไกการแตกหักจึงถูกครอบงำด้วยการดัดงอของชิ้นส่วน การเชื่อมต่อของจุดต่อที่ต่ำและกลไกการแตกหักที่เกิดขึ้นส่งผลให้ความแข็งแรงและความแข็งเชิงกลต่ำกว่ารังผึ้งและโครงตาข่าย^{[ 13 ] [ 14 ]}

ความแข็งแรงของโฟมอาจได้รับผลกระทบจากความหนาแน่น วัสดุที่ใช้ และการจัดเรียงโครงสร้างเซลล์ (แบบเปิดหรือแบบปิด และความสมมาตรของรูพรุน) ในการหาลักษณะเฉพาะของสมบัติทางกลของโฟม จะใช้ กราฟความเค้น-ความเครียด แบบอัด เพื่อวัดความแข็งแรงและความสามารถในการดูดซับพลังงาน เนื่องจากเป็นปัจจัยสำคัญในเทคโนโลยีที่ใช้โฟมเป็นพื้นฐาน

โฟมอีลาสโตเมอร์

สำหรับ ของแข็งเซลลู ลาร์อีลาสโตเมอร์ เมื่อโฟมถูกบีบอัด ในตอนแรกมันจะแสดงพฤติกรรมยืดหยุ่นเนื่องจากผนังเซลล์โค้งงอ จากนั้นเมื่อผนังเซลล์โก่งงอ จะเกิดการคายตัวและการแตกของวัสดุ จนกระทั่งในที่สุดผนังเซลล์จะบดอัดเข้าด้วยกันและวัสดุจะแตกหัก^{[ 15 ]}สิ่งนี้จะเห็นได้ในเส้นโค้งความเค้น-ความเครียดในรูปแบบของช่วงยืดหยุ่นเชิงเส้นที่ชัน ช่วงเชิงเส้นที่มีความชันตื้นหลังจากคายตัว (ความเค้นที่ราบ) และช่วงที่เพิ่มขึ้นแบบเอกซ์โปเนนเชียล ความแข็งของวัสดุสามารถคำนวณได้จากช่วงยืดหยุ่นเชิงเส้น^{[ 16 ]}โดยที่โมดูลัสสำหรับโฟมเซลล์เปิดสามารถกำหนดได้ด้วยสมการ:

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

ที่ไหน${\displaystyle E_{s}}$คือค่าสัมประสิทธิ์ของส่วนประกอบที่เป็นของแข็ง${\displaystyle E^{*}}$คือค่าโมดูลัสของโครงสร้างรังผึ้ง${\displaystyle C_{f}}$เป็นค่าคงที่ที่มีค่าใกล้เคียงกับหนึ่ง${\displaystyle \rho ^{*}}$คือความหนาแน่นของโครงสร้างรังผึ้ง และ${\displaystyle \rho _{s}}$คือความหนาแน่นของของแข็ง ค่าโมดูลัสความยืดหยุ่นสำหรับโฟมเซลล์ปิดสามารถอธิบายได้ในทำนองเดียวกันโดย:

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

โดยความแตกต่างเพียงอย่างเดียวคือเลขชี้กำลังในการพึ่งพาความหนาแน่น อย่างไรก็ตาม ในวัสดุจริง โฟมเซลล์ปิดจะมีวัสดุที่ขอบเซลล์มากกว่า ทำให้เป็นไปตามสมการของโฟมเซลล์เปิดได้ดีกว่า^{[ 17 ]}อัตราส่วนของความหนาแน่นของโครงสร้างรังผึ้งเมื่อเทียบกับโครงสร้างของแข็งมีผลกระทบอย่างมากต่อโมดูลัสของวัสดุ โดยรวมแล้ว ความแข็งแรงของโฟมจะเพิ่มขึ้นตามความหนาแน่นของเซลล์และความแข็งของวัสดุเมทริกซ์

ทฤษฎีเกี่ยวกับการก่อตัว โครงสร้าง และคุณสมบัติของโฟม—ในฟิสิกส์และเคมีเชิงฟิสิกส์ —มีความแตกต่างกันบ้างระหว่างโฟมของเหลวและโฟมของแข็ง โดยที่โฟมของเหลวเป็นแบบไดนามิก (เช่น มีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างอย่างต่อเนื่อง) อันเป็นผลมาจากการแพร่ของก๊าซระหว่างเซลล์ การไหลของของเหลวจากโฟมไปยังของเหลวส่วนใหญ่ เป็นต้น^{[ 1 ] : 1–2}ทฤษฎีเกี่ยวกับโฟมของเหลวมีความคล้ายคลึงโดยตรงกับทฤษฎีเกี่ยวกับอิมัลชัน [ ^{1 ] : 3} ซึ่งเป็นระบบ วัสดุสองเฟสที่ของเหลว หนึ่ง ถูกล้อมรอบด้วย ของเหลวอีก ^{ชนิด หนึ่ง [ 20 ]}

โฟมเหลวสามารถนำมาใช้ในโฟมกันไฟได้เช่น โฟมที่ใช้ในการดับเพลิง โดยเฉพาะไฟไหม้น้ำมัน

โดยทั่วไปแล้ว แป้งโดของขนมปัง ที่ขึ้นฟู นั้นเข้าใจกันว่าเป็นโฟมเซลล์ปิด— ยีสต์ทำให้ขนมปังขึ้นฟูผ่านฟองก๊าซเล็กๆ ที่กลายเป็นรูพรุน ของขนมปัง —ซึ่งเซลล์จะไม่เชื่อมต่อกัน การตัดแป้งโดจะปล่อยก๊าซในฟองที่ถูกตัด แต่ก๊าซในส่วนที่เหลือของแป้งโดไม่สามารถหลุดออกไปได้เมื่อปล่อยให้แป้งโดขึ้นฟูมากเกินไป มันจะกลายเป็นโฟมเซลล์เปิด ซึ่งช่องก๊าซจะเชื่อมต่อกัน การตัดผิวแป้งโด ณ จุดนั้นจะทำให้ก๊าซปริมาณมากหลุดออกไปและทำให้แป้งโดพังลง^{[ 22 ]}การวิจัยล่าสุดระบุว่าโครงสร้างรูพรุนในขนมปังเชื่อมต่อกัน 99% เป็นช่องว่างขนาดใหญ่ช่องเดียว ดังนั้นโฟมเซลล์ปิดของแป้งโดที่ชื้นจึงเปลี่ยนเป็นโฟมแข็งเซลล์เปิดในขนมปัง^{[ 23 ]}

คุณสมบัติเฉพาะของโฟมก๊าซ-ของเหลวที่มีพื้นที่ผิวจำเพาะสูงมากนั้นถูกนำมาใช้ประโยชน์ในกระบวนการทางเคมี เช่นการลอยตัวด้วยโฟมและการแยกส่วนด้วยโฟม

โฟมแข็งเป็นวัสดุวิศวกรรมเซลลูลาร์น้ำหนักเบาประเภทหนึ่ง โฟมเหล่านี้โดยทั่วไปจะถูกจำแนกออกเป็นสองประเภทตามโครงสร้างรูพรุน ได้แก่ โฟมที่มีโครงสร้างเซลล์เปิด (หรือที่รู้จักกันในชื่อโฟมแบบตาข่าย ) และโฟมที่มีโครงสร้างเซลล์ปิด ที่ความละเอียดของเซลล์สูงพอ โฟมประเภทใดก็ได้สามารถถือได้ว่าเป็นวัสดุต่อเนื่องหรือ "ต่อเนื่อง" และเรียกว่าของแข็งเซลลูลาร์ [ ^{24 ] ซึ่ง}มีคุณสมบัติทางกลที่คาดการณ์ได้

โฟมแบบเซลล์เปิดสามารถใช้ในการกรองอากาศได้ ตัวอย่างเช่น โฟมที่ฝังด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาได้รับการพิสูจน์แล้วว่าสามารถเปลี่ยนฟอร์มาลดีไฮด์ให้เป็นสารที่ไม่เป็นอันตรายได้เมื่ออากาศที่ปนเปื้อนฟอร์มาลดีไฮด์ผ่านโครงสร้างเซลล์เปิด^{[ 25 ]}

โฟมที่มีโครงสร้างแบบเซลล์เปิดประกอบด้วยรูพรุนที่เชื่อมต่อกันและก่อตัวเป็นเครือข่ายที่เชื่อมต่อกันซึ่งค่อนข้างอ่อนนุ่ม โฟมแบบเซลล์เปิดจะเต็มไปด้วยก๊าซใดๆ ที่อยู่รอบๆ หากเต็มไปด้วยอากาศ จะได้ฉนวนที่ดี แต่หากเซลล์เปิดเต็มไปด้วยน้ำ คุณสมบัติการเป็นฉนวนจะลดลง การศึกษาล่าสุดมุ่งเน้นไปที่การศึกษาคุณสมบัติของโฟมแบบเซลล์เปิดในฐานะวัสดุฉนวน โฟมชีวภาพจากกลูเตนข้าวสาลี/TEOS ได้รับการผลิตขึ้น โดยแสดงคุณสมบัติการเป็นฉนวนที่คล้ายคลึงกันกับโฟมที่ได้จากทรัพยากรที่ใช้ปิโตรเลียม^{[ 26 ]}ยางโฟมเป็นโฟมแบบเซลล์เปิดชนิดหนึ่ง

โฟมแบบเซลล์ปิดไม่มีรูพรุนที่เชื่อมต่อกัน โฟมแบบเซลล์ปิดโดยทั่วไปมีความแข็งแรงต่อแรงอัดสูงกว่าเนื่องจากโครงสร้างของมัน อย่างไรก็ตาม โฟมแบบเซลล์ปิดโดยทั่วไปก็มีความหนาแน่นมากกว่า ต้องใช้ปริมาณวัสดุมากกว่า และส่งผลให้มีต้นทุนการผลิตสูงกว่า เซลล์ปิดสามารถเติมด้วยก๊าซชนิดพิเศษเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการเป็นฉนวน โฟมที่มีโครงสร้างแบบเซลล์ปิดมีความเสถียรทางมิติสูงกว่า มีค่าสัมประสิทธิ์การดูดซับความชื้นต่ำ และมีความแข็งแรงสูงกว่าเมื่อเทียบกับโฟมที่มีโครงสร้างแบบเซลล์เปิด โฟมทุกประเภทถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นวัสดุแกนกลางในวัสดุคอมโพสิตแบบแซนด์วิช

การนำวัสดุแข็งที่มีโครงสร้างเป็นเซลล์มาใช้ในงานวิศวกรรมที่เก่าแก่ที่สุดเท่าที่ทราบคือ การใช้กับไม้ ซึ่งในสภาพแห้งจะเป็นโฟมเซลล์ปิดที่ประกอบด้วยลิกนิน เซลลูโลส และอากาศ ตั้งแต่ต้นศตวรรษที่ 20 เป็นต้นมา โฟมแข็งชนิดพิเศษที่ผลิตขึ้นหลายชนิดได้ถูกนำมาใช้ความหนาแน่น ต่ำ ของโฟมเหล่านี้ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการเป็นฉนวน กันความร้อน และอุปกรณ์ลอยน้ำ และความเบาและความสามารถในการบีอัดทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับวัสดุบรรจุภัณฑ์และวัสดุอุด

ตัวอย่างการใช้อะโซไดคาร์บอนาไมด์^{[ 27 ]}เป็นสารทำให้เกิดฟองพบได้ในการผลิต โฟม ไวนิล (PVC)และEVA-PEซึ่งมีบทบาทในการสร้างฟองอากาศโดยการแตกตัวเป็นก๊าซที่อุณหภูมิสูง^{[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]}

รูปทรงเรขาคณิตแบบสุ่มหรือ "สุ่ม" ของโฟมเหล่านี้ทำให้เหมาะสำหรับการดูดซับพลังงานเช่นกัน ในช่วงปลายศตวรรษที่ 20 ถึงต้นศตวรรษที่ 21 เทคนิคการผลิตใหม่ ๆ ช่วยให้สามารถสร้างรูปทรงเรขาคณิตที่ส่งผลให้มีความแข็งแรงและความแข็งแงต่อน้ำหนักที่ดีเยี่ยม วัสดุใหม่เหล่านี้มักถูกเรียกว่าของแข็งเซลลูลาร์ที่ได้รับการออกแบบ^{[ 24 ]}