Escuma

Per a altres significats, vegeu «Escuma (tècnica culinària)».

Escuma de sabó.

L'escuma, espuma, sabonera, bromera o broma és una capa de líquid globular enclaustrant un vapor o gas. Les escumes són com les emulsions en què capes d'adsorció envolten la fase dispersa als dos sistemes. Tanmateix, les escumes es diferencien de les emulsions en dos aspectes: la fase dispersa és un gas a les escumes i un líquid a les emulsions; les bombolles de gas de les escumes són molt més grans que els glòbuls en les emulsions. Les escumes són sistemes col·loidals per l'estretament de les capes que envolten les bombolles de gas, aquestes són de dimensions col·loidals o les capes tenen propietats col·loidals.

Escuma en un got de cervesa.

Escuma de mar.

L'escuma que es pot observar als oceans i, sobretot, en trencar les ones a la costa, és l'aglomeració de les bombolles que persisteixen durant un curt període a la superfície de la mar, agitada per causes mecàniques. La formació de l'escuma marina es facilita per diversos factors químics o físics: una diferència molt gran entre l'aire i l'aigua, l'alcalinitat de l'aigua, el contingut d'aquesta en col·loides diluïts, etc.

Característiques

Les escumes són com les emulsions en capes d'adsorció que envolten la fase dispersa en tots dos sistemes. No obstant això, les escumes difereixen de les emulsions en dos aspectes: la fase dispersa és un gas en les escumes i un líquid en les emulsions; les bombolles de gas de les escumes són molt més grans que els glòbuls en les emulsions. Les escumes són sistemes col·loidals per la primesa de les capes que envolten les bombolles de gas, aquestes són de dimensions col·loidals o les capes tenen propietats col·loidals.

L'escuma que es pot observar en els oceans i, sobretot, en trencar les ones a la costa, és l'aglomeració de bombolles que persisteix durant un curt temps en la superfície del mar, agitada per causes mecàniques. La formació de l'escuma marina es facilita per diversos factors químics o físics: una diferència molt gran entre l'aire i l'aigua, l'alcalinitat de l'aigua, el contingut d'aquesta en col·loides dissolts, etc.

En Mineralogia es diu escuma de ferro al mineral d'hematita, mentre que l′escuma de manganès és un òxid de manganès que es troba en estat terrós.

Recentment, ha cobrat interès l'escumació de les escòries. L'escumació de l'escòria és causada principalment per la generació de bombolles de gas monòxid de carboni, diòxid de carboni, vapor d'aigua, diòxid de sofre, oxigen i hidrogen a l'interior de l'escòria, que es fa espumosa com si fos aigua sabonosa.

Aquesta escuma és normalment creada per moviments mecànics que generen la captura d'aire o algun altre gas.

Formació

Es requereixen diverses condicions per a produir escuma: ha d'haver-hi treball mecànic, components amb superfícies actives (surfactants) que redueixin la tensió superficial, i la formació d'escuma de manera més ràpida de la que es trenca. Per a produir escuma, es requereix de treball (W) per a augmentar l'àrea superficial (ΔA):

$W=\gamma \Delta A\,\!$

on γ és la tensió superficial.

Una de les formes mitjançant les quals es produeix escuma és mitjançant dispersió, on una gran quantitat de gas és barrejat amb un líquid. Un mètode més específic de dispersió es basa a injectar un gas a un líquid a través d'un orifici en un sòlid. Si aquest procés es realitza lentament, es pot produir d'una bombolla cada vegada tal com il·lustra la fotografia adjunta.

Una de les teories per a determinar el temps de despreniment es mostra a baix; no obstant això, si bé aquesta teoria produeix informació teòrica que coincideix amb les dades experimentals, se sol acceptar que la separació per capil·laritat és una explicació millor.

Bombolla formada a partir d'un orifici.

La força de flotació que actua elevant la bombolla, és

$F_{b}=Vg(\rho _{2}-\rho _{1})\!$

on $V$ és el volum de la bombolla, $g$ és l'acceleració de la gravetat, i ρ₁ és la densitat del gas ρ₂ és la densitat del líquid. La força que treballa contra la força pròspera és la força de tensió superficial, que és

$F_{s}=2r\pi \gamma \!$,

on γ és la tensió superficial, i $r$ és el radi de l'orifici. En la mesura que més aire és injectat en la bombolla, la força pròspera creix més de pressa que la força de tensió superficial. Per tant, el despreniment es produeix quan la força pròspera és prou gran per a excedir a la força de la tensió superficial.

$Vg(\rho _{2}-\rho _{1})>2r\pi \gamma \!$

A més, si la bombolla és analitzada com si fos una esfera de ràdio $R$ i volum $V$ i la hi substitueix en l'equació prèvia, el despreniment ocorrerà quan

$R^{3}={\frac {3r\gamma }{2g(\rho _{2}-\rho _{1})}}\!$

Examinant aquest fenomen des del punt de vista de la capil·laritat per a una bombolla que s'està formant lentament, és factible suposar que la pressió $p$ és constant en tota la bombolla. La pressió hidroestàtica en el líquid es denomina $p_{0}$. La diferència de pressió en la interfase gas - líquid és igual a la pressió capil·lar; i per això,

$p-p_{0}=\gamma \left({\frac {1}{R_{1}}}+{\frac {1}{R_{2}}}\right)\!$

on R₁ i R₂ són els radis de curvatura i són positius. En la base de la bombolla, R₃ i R₄ són els radis de curvatura i també són considerats positius. Aquí la pressió hidroestàtica del líquid ha de tenir en compte z, la distància des del punt de contacte de la bombolla. La nova pressió hidroestàtica en el punt de contacte de la bombolla és p₀(ρ₁ − ρ₂)z. Els balanços de la pressió hidroestàtica compensa la pressió per capil·laritat, valent la següent equació:

$p-p_{0}-(\rho _{2}-\rho _{1})gz=\gamma \left({\frac {1}{R_{3}}}+{\frac {1}{R_{4}}}\right)\!$

Finalment, la diferència entre la pressió en la part superior i la inferior és igual al canvi de pressió hidroestàtica:

$(\rho _{2}-\rho _{1})gz=\gamma \left({\frac {1}{R_{1}}}+{\frac {1}{R_{2}}}-{\frac {1}{R_{3}}}-{\frac {1}{R_{4}}}\right)\!$

En el punt de contacte de la bombolla, la forma de la bombolla és pràcticament cilíndrica; per tant, o bé R₃ o R₄ és gran mentre l'altre radi de curvatura és petit. En la mesura que la zona de contacte s'allarga, es torna més inestable, ja que un dels radis creix i l'altre es redueix. En un determinat punt, la longitud vertical del plançó de contacte supera la circumferència del plançó i a causa de les forces pròsperes la bombolla es desprèn i el procés comença novament.

Usos

Escumes líquides

Les escumes líquides es poden usar en escumes retardants de foc, com les que s'usen per a extingir incendis, especialment incendis de petroli (ja que no es poden apagar amb aigua per tractar-se d'un líquid oliós insoluble en la mateixa).

D'alguna manera, el pa amb llevat és una escuma, ja que el llevat fa que el pa s'elevi produint petites bombolles de gas en la massa. La massa s'ha entès tradicionalment com una escuma de cel·la tancada, en la qual els porus no es connectin entre si. Tallar la massa allibera el gas de les bombolles que es tallen, però el gas de la resta de la massa no pot escapar. Quan es permet que la massa pugi massa, es converteix en una escuma de cel·la oberta, en la qual es connecten les bosses de gas. Tallar la massa o trencar la superfície en aquest punt faria que s'escapi un gran volum de gas i la massa col·lapsaria. L'estructura oberta d'una massa sobrelleudada és fàcil d'observar: en lloc de consistir en bombolles de gas discretes, la massa consisteix en un espai de gas ple de fils de la pasta de farina-aigua. Recerques recents han indicat que l'estructura dels porus en el pa està interconnectada en un 99% en un gran vacúol, per la qual cosa l'escuma de cel·la tancada de la massa humida es transforma en una escuma sòlida de cel·la oberta en el pa. Altres exemples d'escumes alimentàries són la merenga i la crema Chantilly.

La propietat única de les escumes gas-líquid que tenen una superfície específica molt alta s'explota en els processos químics de flotació i fraccionament de l'escuma.

Escumes sòlides

Les escumes sòlides són una classe de materials d'enginyeria cel·lular lleugers. Aquestes escumes es classifiquen típicament en dos tipus segons la seva estructura de porus: escumes amb estructura de cel·la oberta (també conegudes com a escumes reticulades) i escumes de cel·la tancada. Amb resolucions de cel·la prou altes, qualsevol tipus pot tractar-se com a materials continus o "continus" i es denominen sòlids cel·lulars, amb propietats mecàniques predictibles.

Les escumes amb estructura de cel·la oberta contenen porus que estan connectats entre si i formen una xarxa interconnectada que és relativament tova. Les escumes de cel·la oberta s'omplen amb qualsevol gas que les envolta. Si s'omple d'aire, s'obté un aïllant relativament bo, però si les cel·les obertes s'omplen d'aigua, les propietats d'aïllament es reduirien. Estudis recents s'han centrat a estudiar les propietats de les escumes de cèl·lules obertes com a material aïllant. S'han produït bioescumes de gluten de blat / TEOS, que mostren propietats aïllants similars a les de les escumes obtingudes a partir de recursos a base d'oli. La goma escumeja és un tipus d'escuma de cel·la oberta.

Les escumes de cel·la tancada no tenen porus interconnectats. Les escumes de cel·la tancada normalment tenen una major resistència a la compressió a causa de les seves estructures. No obstant això, les escumes de cèl·lules tancades també són, en general, més denses, requereixen més material i, com a conseqüència, són més cares de produir. Les cel·les tancades es poden omplir amb un gas especialitzat per a proporcionar un millor aïllament. Les escumes d'estructura de cel·la tancada tenen major estabilitat dimensional, coeficients d'absorció d'humitat baixos i major resistència en comparació amb les escumes d'estructura de cel·la oberta. Tots els tipus d'escuma s'utilitzen àmpliament com a material de nucli en materials composts estructurats en sandvitx.

L'ús d'enginyeria més antic de sòlids cel·lulars és amb fusta, que en la seva forma seca és una escuma de cel·la tancada composta de lignina, cel·lulosa i aire. Des de principis del segle xx es van començar a utilitzar diversos tipus d'escumes sòlides fabricades especialment. La baixa densitat d'aquestes escumes les fa excel·lents com a aïllants tèrmics i dispositius de flotació i la seva lleugeresa i compressibilitat les fan ideals com a materials d'empaquetatge i farciment.

Un exemple de l'ús de azodicarbonamida com a agent d'expansió es troba en la fabricació d'escumes de vinil (PVC) i EVA-PE, on exerceix un paper en la formació de bombolles d'aire en descompondre's en gas a alta temperatura.

La geometria aleatòria o "estocàstica" d'aquestes escumes també les fa bones per a l'absorció d'energia. Des de finals del fins al segle xx a principis del segle xxi les noves tècniques de fabricació han permès una geometria que dona com a resultat una excel·lent resistència i rigidesa per pes. Aquests nous materials es denominen típicament sòlids cel·lulars modificats.

Escuma sintàctica

Una classe especial d'escumes de cel·la tancada, coneguda com a escuma sintàctica, conté partícules buides incrustades en un material de matriu. Les esferes poden estar fetes de diversos materials, inclosos vidre, ceràmica i polímers. L'avantatge de les escumes sintàctiques és que tenen una relació resistència/pes molt alta, la qual cosa les converteix en materials ideals per a moltes aplicacions, incloses les aplicacions espacials i d'aigües profundes. Una escuma sintàctica particular empra polímer amb memòria de forma com a matriu, la qual cosa permet que l'escuma adopti les característiques de les resines amb memòria de forma i els materials composts; és a dir, té la capacitat de reformar-se repetidament quan s'escalfa per sobre d'una certa temperatura i es refreda. Les escumes amb memòria de forma tenen moltes aplicacions possibles, com a suport estructural dinàmic, nucli d'escuma flexible i farcit d'escuma expansible.

Escuma de pell integral

L'escuma de pell integral, també coneguda com a escuma de pell pròpia, és un tipus d'escuma amb una pell d'alta densitat i un nucli de baixa densitat. Pot formar-se en un procés de motlle obert o en un procés de motlle tancat. En el procés de motlle obert, es barregen dos components reactius i s'aboquen en un motlle obert. A continuació, es tanca el motlle i es deixa que la mescla s'expandeixi i curi. Exemples d'articles produïts mitjançant aquest procés inclouen reposabraços, seients per a bebès, soles de sabates i matalassos. El procés de motlle tancat, més comunament conegut com l'emmotllament per injecció de reacció (RIM), injecta els components barrejats en un motlle tancat a altes pressions.

Vegeu també

A la mineralogia, s'anomena escuma de ferro al mineral de l'hematites, mentre que l'escuma de manganès és un òxid de manganès que es troba en estat terrós.

• Microretícula metàl·lica
• Crema d'afaitar