Espuma

forma de materia

Burbujas de espuma de jabón

Esponja de limpieza

Tapa de una bebida espumosa

Las espumas son materiales formados atrapando bolsas de gas en un líquido o sólido . ^{[1] [2] [3]}

Una esponja de baño y la cabeza sobre un vaso de cerveza son ejemplos de espumas. En la mayoría de las espumas, el volumen de gas es grande, con finas películas de líquido o sólido que separan las regiones de gas. Las espumas de jabón también se conocen como suds .

Las espumas sólidas pueden ser de células cerradas o de células abiertas . En la espuma de células cerradas, el gas forma bolsas discretas, cada una completamente rodeada por el material sólido. En la espuma de células abiertas, las bolsas de gas se conectan entre sí. Una esponja de baño es un ejemplo de espuma de células abiertas: el agua fluye fácilmente a través de toda la estructura, desplazando el aire. Una colchoneta para dormir es un ejemplo de espuma de células cerradas: las bolsas de gas están selladas entre sí para que la colchoneta no pueda absorber agua.

Las espumas son ejemplos de medios dispersos . En general, el gas está presente, por lo que se divide en burbujas de gas de diferentes tamaños (es decir, el material es polidisperso ), separadas por regiones líquidas que pueden formar películas, cada vez más delgadas cuando la fase líquida se drena de las películas del sistema . ^[4] Cuando la escala principal es pequeña, es decir, para una espuma muy fina, este medio disperso puede considerarse un tipo de coloide .

Espuma también puede referirse a algo análogo a la espuma, como la espuma cuántica .

Estructura

Una espuma es, en muchos casos, un sistema multiescala.

Orden y desorden de las burbujas en una superficie de espuma.

Una escala es la burbuja: las espumas de material suelen estar desordenadas y tienen burbujas de diferentes tamaños. En tamaños mayores, el estudio de las espumas idealizadas está íntimamente ligado a los problemas matemáticos de superficies mínimas y teselados tridimensionales , también llamados panales . La estructura de Weaire-Phelan se considera la mejor celda unitaria (óptima) posible de una espuma perfectamente ordenada, ^[5] mientras que las leyes de Plateau describen cómo las películas de jabón forman estructuras en las espumas.

A una escala menor que la burbuja está el espesor de la película para las espumas metaestables , que puede considerarse una red de películas interconectadas llamadas laminillas . Idealmente, las laminillas se conectan en tríadas e irradian 120° hacia afuera desde los puntos de conexión, conocidos como bordes de meseta .

Una escala aún menor es la interfaz líquido-aire en la superficie de la película. La mayoría de las veces esta interfaz está estabilizada por una capa de estructura anfifílica , a menudo hecha de tensioactivos , partículas ( emulsión de Pickering ) o asociaciones más complejas.

Propiedades mecánicas de las espumas sólidas.

Las espumas sólidas, tanto de células abiertas como de células cerradas, se consideran una subclase de estructuras celulares. A menudo tienen una menor conectividad nodal ^{[ jerga ]} en comparación con otras estructuras celulares como panales y celosías de celosía y, por lo tanto, su mecanismo de falla está dominado por la flexión de los miembros. La baja conectividad nodal y el mecanismo de falla resultante conducen en última instancia a su menor resistencia mecánica y rigidez en comparación con los panales y las celosías de celosía. ^{[6] [7]}

La resistencia de las espumas puede verse afectada por la densidad, el material utilizado y la disposición de la estructura celular (abierta frente a cerrada e isotropía de los poros). Para caracterizar las propiedades mecánicas de las espumas, se utilizan curvas de tensión-deformación de compresión para medir su resistencia y capacidad para absorber energía, ya que este es un factor importante en las tecnologías basadas en espumas.

Espuma elastomérica

Para los sólidos celulares elastoméricos , a medida que la espuma se comprime, primero se comporta elásticamente cuando las paredes de las células se doblan, luego cuando las paredes de las células se pandean, el material se deforma y se rompe hasta que finalmente las paredes de las células se aplastan entre sí y el material se rompe. ^[8] Esto se ve en una curva tensión-deformación como un régimen elástico lineal pronunciado, un régimen lineal con una pendiente poco profunda después de la fluencia (tensión de meseta) y un régimen exponencialmente creciente. La rigidez del material se puede calcular a partir del régimen elástico lineal ^[9] donde el módulo para espumas de celdas abiertas se puede definir mediante la ecuación:

Curva esquemática de tensión-deformación de una espuma elastomérica, que demuestra las tres regiones que son elástica lineal, pandeo de la pared celular y fractura de la pared celular. El área bajo la curva especificada representa la energía por unidad de volumen que la espuma puede absorber.

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

donde es el módulo del componente sólido, es el módulo de la estructura alveolar, es una constante que tiene un valor cercano a uno, es la densidad de la estructura alveolar y es la densidad del sólido. El módulo de elasticidad de las espumas de células cerradas se puede describir de manera similar mediante: ${\displaystyle E_{s}}$ ${\displaystyle E^{*}}$ ${\displaystyle C_{f}}$ ${\displaystyle \rho ^{*}}$ ${\displaystyle \rho _{s}}$

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

donde la única diferencia es el exponente en la dependencia de la densidad. Sin embargo, en materiales reales, una espuma de células cerradas tiene más material en los bordes de las células, lo que hace que siga más de cerca la ecuación de las espumas de células abiertas. ^[10] La relación entre la densidad de la estructura alveolar en comparación con la estructura sólida tiene un gran impacto en el módulo del material. En general, la resistencia de la espuma aumenta con la densidad de la celda y la rigidez del material de la matriz.

Energía de deformación

Otra propiedad importante que se puede deducir de la curva tensión-deformación es la energía que la espuma es capaz de absorber. El área bajo la curva (especificada antes de la densificación rápida en la tensión máxima) representa la energía en la espuma en unidades de energía por unidad de volumen. La energía máxima almacenada por la espuma antes de romperse se describe mediante la ecuación: ^[8]

${\displaystyle {\frac {W_{max}}{E_{s}}}=0.05\left({\frac {\rho ^{*}}{\rho _{s}}}\right)^{2}\left[0.975-1.4\left({\frac {\rho ^{*}}{\rho _{s}}}\right)\right]}$

Esta ecuación se deriva de asumir una espuma idealizada con aproximaciones de ingeniería a partir de resultados experimentales. La mayor parte de la absorción de energía ocurre en la región de tensión de meseta después del régimen elástico lineal pronunciado.

Dependencia direccional

La isotropía de la estructura celular y la absorción de fluidos también pueden influir en las propiedades mecánicas de una espuma. Si hay anisotropía presente, entonces la respuesta del material al estrés dependerá de la dirección y, por lo tanto, la curva tensión-deformación, el módulo y la absorción de energía variarán dependiendo de la dirección de la fuerza aplicada. ^[11] Además, las estructuras de células abiertas que tienen poros conectados pueden permitir que el agua u otros líquidos fluyan a través de la estructura, lo que también puede afectar la rigidez y las capacidades de absorción de energía. ^[12]

Formación

Se necesitan varias condiciones para producir espuma: debe haber trabajo mecánico, componentes tensioactivos (tensioactivos) que reduzcan la tensión superficial y la formación de espuma más rápidamente que su descomposición. Para crear espuma, se necesita trabajo (W) para aumentar el área de superficie (ΔA):

${\displaystyle W=\gamma \Delta A\,\!}$

donde γ es la tensión superficial.

Una de las formas en que se crea la espuma es mediante dispersión, donde se mezcla una gran cantidad de gas con un líquido. Un método de dispersión más específico consiste en inyectar un gas a través de un orificio de un sólido en un líquido. Si este proceso se completa muy lentamente, entonces se puede emitir una burbuja por el orificio a la vez, como se muestra en la siguiente imagen.

Una de las teorías para determinar el tiempo de separación se muestra a continuación; sin embargo, si bien esta teoría produce datos teóricos que coinciden con los datos experimentales, el desprendimiento debido a la capilaridad se acepta como una mejor explicación.

Burbuja ascendente desde el orificio

La fuerza de flotación actúa para elevar la burbuja, que es

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

donde es el volumen de la burbuja, es la aceleración de la gravedad y ρ ₁ es la densidad del gas ρ ₂ es la densidad del líquido. La fuerza que actúa en contra de la fuerza de flotación es la fuerza de tensión superficial , que es ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle g}$

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

donde γ es la tensión superficial y es el radio del orificio. A medida que se empuja más aire dentro de la burbuja, la fuerza de flotación crece más rápido que la fuerza de tensión superficial. Por tanto, el desprendimiento se produce cuando la fuerza de flotación es lo suficientemente grande como para superar la fuerza de tensión superficial. ${\displaystyle r}$

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

Además, si la burbuja se trata como una esfera con un radio de y se sustituye el volumen en la ecuación anterior, la separación ocurre en el momento en que ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle V}$

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

Al examinar este fenómeno desde el punto de vista de la capilaridad de una burbuja que se forma muy lentamente, se puede suponer que la presión en su interior es constante en todas partes. La presión hidrostática en el líquido se designa con . El cambio de presión a través de la interfaz de gas a líquido es igual a la presión capilar; por eso, ${\displaystyle p}$ ${\displaystyle p_{0}}$

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

donde R ₁ y R ₂ son los radios de curvatura y se establecen como positivos. En el tallo de la burbuja, R ₃ y R ₄ son los radios de curvatura que también se tratan como positivos. Aquí la presión hidrostática en el líquido debe tener en cuenta z, la distancia desde la parte superior hasta el vástago de la burbuja. La nueva presión hidrostática en el vástago de la burbuja es p ₀ ( ρ ₁  −  ρ ₂ ) z . La presión hidrostática equilibra la presión capilar, que se muestra a continuación:

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

Finalmente, la diferencia en la presión superior e inferior es igual al cambio en la presión hidrostática:

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

En el tallo de la burbuja, la forma de la burbuja es casi cilíndrica; en consecuencia, R ₃ o R ₄ es grande mientras que el otro radio de curvatura es pequeño. A medida que el tallo de la burbuja crece en longitud, se vuelve más inestable a medida que uno de los radios crece y el otro se contrae. En cierto punto, la longitud vertical del vástago excede la circunferencia del vástago y debido a las fuerzas de flotabilidad la burbuja se separa y el proceso se repite. ^[13]

Estabilidad

Estabilización

La estabilización de una espuma es causada por fuerzas de van der Waals entre las moléculas de la espuma, dobles capas eléctricas creadas por tensioactivos dipolares y el efecto Marangoni , que actúa como fuerza restauradora de las laminillas.

El efecto Marangoni depende de que el líquido que hace espuma sea impuro. Generalmente, los tensioactivos en la solución disminuyen la tensión superficial. Los tensioactivos también se agrupan en la superficie y forman una capa como se muestra a continuación.

Para que se produzca el efecto Marangoni, la espuma debe tener una sangría como se muestra en la primera imagen. Esta sangría aumenta la superficie local. Los tensioactivos tienen un tiempo de difusión mayor que la mayor parte de la solución, por lo que están menos concentrados en la hendidura.

Además, el estiramiento de la superficie hace que la tensión superficial del punto indentado sea mayor que la del área circundante. En consecuencia, dado que el tiempo de difusión de los tensioactivos es largo, el efecto Marangoni tiene tiempo para producirse. La diferencia en la tensión superficial crea un gradiente que estimula el flujo de fluido desde áreas de menor tensión superficial a áreas de mayor tensión superficial. La segunda imagen muestra la película en equilibrio después de que se haya producido el efecto Marangoni. ^[14]

El curado de una espuma la solidifica, haciéndola indefinidamente estable en STP. ^[15]

Desestabilización

Witold Rybczynski y Jacques Hadamard desarrollaron una ecuación para calcular la velocidad de las burbujas que se elevan en la espuma asumiendo que las burbujas son esféricas con un radio . ${\displaystyle r}$

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

con velocidad en unidades de centímetros por segundo. ρ ₁ y ρ ₂ es la densidad de un gas y un líquido respectivamente en unidades de g/cm ³ y ῃ ₁ y ῃ ₂ es la viscosidad dinámica del gas y del líquido respectivamente en unidades de g/cm·s y g es la aceleración de gravedad en unidades de cm/s ² .

Sin embargo, dado que la densidad y la viscosidad de un líquido son mucho mayores que las del gas, se pueden despreciar la densidad y la viscosidad del gas, lo que produce la nueva ecuación para la velocidad de ascenso de las burbujas como:

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

Sin embargo, mediante experimentos se ha demostrado que un modelo más preciso para el ascenso de burbujas es:

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

Las desviaciones se deben al efecto Marangoni y a la presión capilar, que afectan la suposición de que las burbujas son esféricas. Para la presión de Laplace de una interfaz curva gas-líquido, los dos radios de curvatura principales en un punto son R ₁ y R ₂ . ^[16] Con una interfaz curva, la presión en una fase es mayor que la presión en otra fase. La presión capilar P _c viene dada por la ecuación de:

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

¿ Dónde está la tensión superficial? La burbuja que se muestra a continuación es un gas (fase 1) en un líquido (fase 2) y el punto A designa la parte superior de la burbuja, mientras que el punto B designa la parte inferior de la burbuja. ${\displaystyle \gamma }$

Burbuja para presión hidrostática.

En la parte superior de la burbuja en el punto A, se supone que la presión en el líquido es p ₀ al igual que en el gas. En el fondo de la burbuja, en el punto B, la presión hidrostática es:

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

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

donde ρ ₁ y ρ ₂ es la densidad de un gas y un líquido respectivamente. La diferencia de presión hidrostática en la parte superior de la burbuja es 0, mientras que la diferencia de presión hidrostática en la parte inferior de la burbuja a través de la interfaz es gz ( ρ ₂  −  ρ ₁ ). Suponiendo que los radios de curvatura en el punto A son iguales y se denotan por R _A y que los radios de curvatura en el punto B son iguales y se denotan por R _B , entonces la diferencia de presión capilar entre el punto A y el punto B es:

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

En el equilibrio, la diferencia de presión capilar debe equilibrarse con la diferencia de presión hidrostática. Por eso,

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

Dado que la densidad del gas es menor que la densidad del líquido, el lado izquierdo de la ecuación siempre es positivo. Por lo tanto, la inversa de R _A debe ser mayor que R _B . Lo que significa que desde la parte superior de la burbuja hasta la parte inferior de la burbuja el radio de curvatura aumenta. Por tanto, sin descuidar la gravedad las burbujas no pueden ser esféricas. Además, a medida que z aumenta, esto también causa la diferencia en R _A y R _B , lo que significa que la burbuja se desvía más de su forma cuanto más crece. ^[13]

La desestabilización de la espuma se produce por varias razones. En primer lugar, la gravitación provoca el drenaje de líquido hacia la base de la espuma, lo que Rybczynski y Hadamar incluyen en su teoría; sin embargo, la espuma también se desestabiliza debido a que la presión osmótica provoca el drenaje de las laminillas hacia los bordes de la meseta debido a diferencias de concentración internas en la espuma, y ​​la presión de Laplace provoca la difusión de gas de burbujas pequeñas a grandes debido a la diferencia de presión. Además, las películas pueden romperse bajo una presión desunión . Estos efectos pueden conducir a una reordenación de la estructura de la espuma a escalas mayores que las burbujas, que pueden ser individuales ( proceso T1 ) o colectivas (incluso del tipo "avalancha").

Experimentos y caracterizaciones.

Al ser un sistema de múltiples escalas que involucra muchos fenómenos y un medio versátil, la espuma se puede estudiar utilizando muchas técnicas diferentes. Considerando las diferentes escalas, las técnicas experimentales son las de difracción, principalmente técnicas de dispersión de la luz ( DWS , ver más abajo, dispersión de la luz estática y dinámica, dispersión de rayos X y neutrones) a escalas submicrométricas, o microscópicas. Considerando que el sistema es continuo, sus propiedades globales pueden caracterizarse por la transmitancia de la luz pero también por la conductimetría. La correlación entre estructura y volumen se evidencia con mayor precisión, en particular, en la acústica. La organización entre burbujas se ha estudiado numéricamente mediante intentos secuenciales de evolución de la energía superficial mínima ya sea de forma aleatoria (modelo de Pott) o determinista (evolucionador de superficie). La evolución en el tiempo (es decir, la dinámica) se puede simular utilizando estos modelos, o el modelo de burbujas (Durian), que considera el movimiento de burbujas individuales.

Se pueden realizar observaciones de la estructura a pequeña escala haciendo brillar la espuma con luz láser o rayos X y midiendo la reflectividad de las películas entre las burbujas. Las observaciones de la estructura global se pueden realizar mediante dispersión de neutrones.

Reflexión de la radiación por una espuma.

Principio de medición de dispersión múltiple de luz junto con escaneo vertical

Una técnica óptica típica de dispersión (o difusión) de la luz, la dispersión múltiple de la luz junto con el escaneo vertical, es la técnica más utilizada para monitorear el estado de dispersión de un producto, identificando y cuantificando así los fenómenos de desestabilización. ^{[17] [18] [19] [20]} Funciona en cualquier dispersión concentrada sin dilución, incluidas las espumas. Cuando la luz pasa a través de la muestra, las burbujas la retrodispersan. La intensidad de la retrodispersión es directamente proporcional al tamaño y la fracción de volumen de la fase dispersa. Por tanto, se detectan y monitorizan cambios locales de concentración (drenaje, sinéresis ) y cambios globales de tamaño (maduración, coalescencia).

Aplicaciones

Espumas liquidas

En las espumas retardantes del fuego se pueden utilizar espumas líquidas , como las que se utilizan en la extinción de incendios, especialmente los de petróleo .

En cierto modo, el pan con levadura es una espuma, ya que la levadura hace que el pan suba al producir pequeñas burbujas de gas en la masa. Tradicionalmente se ha entendido la masa como una espuma de células cerradas, en la que los poros no se conectan entre sí. Al cortar la masa se libera el gas de las burbujas que se cortan, pero el gas del resto de la masa no puede escapar. Cuando se deja que la masa suba demasiado, se convierte en una espuma de células abiertas, en la que se conectan las bolsas de gas. Cortar la masa o romper la superficie en ese punto provocaría que se escapara un gran volumen de gas y la masa colapsaría. La estructura abierta de una masa demasiado leudada es fácil de observar: en lugar de consistir en burbujas de gas discretas, la masa consiste en un espacio de gas lleno de hilos de pasta de harina y agua. Investigaciones recientes han indicado que la estructura de los poros del pan está interconectada en un 99% en una gran vacuola, por lo que la espuma de células cerradas de la masa húmeda se transforma en una espuma sólida de células abiertas en el pan. ^[21]

La propiedad única de las espumas gas-líquido que tienen una superficie específica muy alta se aprovecha en los procesos químicos de flotación y fraccionamiento de espuma .

Espumas sólidas

Las espumas sólidas son una clase de materiales de ingeniería celulares livianos. Estas espumas normalmente se clasifican en dos tipos según su estructura de poros: espumas de estructura de células abiertas (también conocidas como espumas reticuladas ) y espumas de células cerradas. Con resoluciones celulares suficientemente altas, cualquier tipo puede tratarse como materiales continuos o "continuos" y se denominan sólidos celulares, ^[22] con propiedades mecánicas predecibles.

Una espuma metálica de células abiertas

Se pueden utilizar espumas de células abiertas para filtrar el aire. Por ejemplo, se ha demostrado que una espuma embebida con catalizador convierte catalíticamente el formaldehído en sustancias benignas cuando el aire contaminado con formaldehído pasa a través de la estructura de celda abierta. ^[23]

Las espumas de estructura de células abiertas contienen poros que están conectados entre sí y forman una red interconectada que es relativamente blanda. Las espumas de células abiertas se llenan con cualquier gas que las rodee. Si se llena de aire, se obtiene un aislante relativamente bueno, pero si las celdas abiertas se llenan de agua, las propiedades de aislamiento se reducirían. Estudios recientes se han centrado en estudiar las propiedades de las espumas de celda abierta como material aislante. Se han producido bioespumas de gluten de trigo/TEOS , que muestran propiedades aislantes similares a las de las espumas obtenidas a partir de recursos derivados del petróleo. ^[24] La gomaespuma es un tipo de espuma de células abiertas.

Una espuma metálica de células cerradas.

Las espumas de células cerradas no tienen poros interconectados. Las espumas de células cerradas normalmente tienen una mayor resistencia a la compresión debido a su estructura. Sin embargo, las espumas de células cerradas también son, en general, más densas, requieren más material y, como consecuencia, son más caras de producir. Las celdas cerradas se pueden llenar con un gas especializado para proporcionar un mejor aislamiento. Las espumas de estructura de células cerradas tienen mayor estabilidad dimensional, bajos coeficientes de absorción de humedad y mayor resistencia en comparación con las espumas de estructura de células abiertas. Todos los tipos de espuma se utilizan ampliamente como material central en materiales compuestos con estructura tipo sándwich .

El primer uso técnico conocido de los sólidos celulares es con la madera, que en su forma seca es una espuma de células cerradas compuesta de lignina, celulosa y aire. Desde principios del siglo XX se empezaron a utilizar varios tipos de espumas sólidas fabricadas especialmente. La baja densidad de estas espumas las hace excelentes como aislantes térmicos y dispositivos de flotación y su ligereza y compresibilidad las hacen ideales como materiales de embalaje y rellenos.

Un ejemplo del uso de azodicarbonamida ^[25] como agente espumante lo encontramos en la fabricación de espumas de vinilo (PVC) y EVA-PE , donde juega un papel en la formación de burbujas de aire al descomponerse en gas a alta temperatura. ^{[26] [27] [28]}

La geometría aleatoria o "estocástica" de estas espumas también las hace buenas para la absorción de energía. Desde finales del siglo XX hasta principios del XXI, las nuevas técnicas de fabricación han permitido una geometría que da como resultado una excelente resistencia y rigidez por peso. Estos nuevos materiales suelen denominarse sólidos celulares diseñados. ^[22]

espuma sintáctica

Una clase especial de espumas de células cerradas, conocida como espuma sintáctica, contiene partículas huecas incrustadas en un material de matriz. Las esferas pueden estar hechas de varios materiales, incluidos vidrio, cerámica y polímeros . La ventaja de las espumas sintácticas es que tienen una relación resistencia-peso muy alta, lo que las convierte en materiales ideales para muchas aplicaciones, incluidas aplicaciones espaciales y de aguas profundas . Una espuma sintáctica particular emplea polímero con memoria de forma como matriz, lo que permite que la espuma adopte las características de resinas con memoria de forma y materiales compuestos ; es decir, tiene la capacidad de remodelarse repetidamente cuando se calienta por encima de una determinada temperatura y se enfría. Las espumas con memoria de forma tienen muchas aplicaciones posibles, como soporte estructural dinámico, núcleo de espuma flexible y relleno de espuma expandible.

Espuma integral para la piel

La espuma integral para la piel , también conocida como self-skin foam , es un tipo de espuma con una piel de alta densidad y un núcleo de baja densidad. Puede formarse en un proceso de molde abierto o en un proceso de molde cerrado . En el proceso de molde abierto, se mezclan dos componentes reactivos y se vierten en un molde abierto. Luego se cierra el molde y se deja que la mezcla se expanda y cure. Ejemplos de artículos producidos mediante este proceso incluyen reposabrazos , asientos para bebés , suelas de zapatos y colchones . El proceso de molde cerrado, más comúnmente conocido como moldeo por inyección reactiva (RIM), inyecta los componentes mezclados en un molde cerrado bajo altas presiones. ^[29]

antiespumante

La espuma, que en este caso significa "líquido burbujeante", también se produce como subproducto , a menudo no deseado , en la fabricación de diversas sustancias. Por ejemplo, la espuma es un problema grave en la industria química , especialmente para los procesos bioquímicos . Muchas sustancias biológicas, por ejemplo las proteínas , crean fácilmente espuma al agitarlas o airearlas . La espuma es un problema porque altera el flujo del líquido y bloquea la transferencia de oxígeno desde el aire (evitando así la respiración microbiana en los procesos de fermentación aeróbica ). Por este motivo, se añaden agentes antiespumantes , como aceites de silicona , para prevenir estos problemas. Los métodos químicos para el control de la espuma no siempre son deseables con respecto a los problemas (es decir, contaminación , reducción de la transferencia de masa ) que pueden causar, especialmente en las industrias alimentaria y farmacéutica, donde la calidad del producto es de gran importancia. Los métodos mecánicos para prevenir la formación de espuma son más comunes que los químicos.

Velocidad del sonido

La propiedad acústica de la velocidad del sonido a través de una espuma es de interés al analizar fallas de componentes hidráulicos. El análisis implica calcular los ciclos hidráulicos totales hasta la falla por fatiga. La velocidad del sonido en una espuma está determinada por las propiedades mecánicas del gas que crea la espuma: oxígeno, nitrógeno o combinaciones.

Suponer que la velocidad del sonido se basa en las propiedades del fluido del líquido conduce a errores en el cálculo de los ciclos de fatiga y fallas de los componentes hidráulicos mecánicos. El uso de transductores acústicos e instrumentación relacionada que establecen límites bajos (0–50 000 Hz con atenuación) provoca errores. La baja caída durante la medición de la frecuencia real de los ciclos acústicos da como resultado errores de cálculo debido a los ciclos hidráulicos reales en los rangos posibles de 1 a 1000 MHz o superiores. Los sistemas de instrumentación son más reveladores cuando los anchos de banda de los ciclos exceden los ciclos reales medidos en un factor de 10 a 100. Los costos de instrumentación asociados también aumentan en factores de 10 a 100.

La mayoría de los componentes hidromecánicos en movimiento realizan ciclos de 0 a 50 Hz, pero las burbujas de gas arrastradas que dan como resultado una condición espumosa del fluido hidráulico asociado dan como resultado ciclos hidráulicos reales que pueden exceder los 1000 MHz incluso si los componentes mecánicos en movimiento no realizan ciclos en el ciclo más alto. frecuencia.

Galería

• 
  Primer plano de espuma de mar ( plancton en descomposición ) en una piscina de marea
• 
  Aluminio espumado
• 
  Micrografía de espuma templada (con memoria)
• 
  Sello de penetración de espuma de silicona
• 
  "Géiser" de espuma de Coca-Cola Light y Mentos
• 
  Tomografía computarizada industrial de una bola de espuma
• 
  Acolchado de espuma de poliestireno

Escalas y propiedades de la espuma.

Ver también

• Sándwich de espuma de aluminio
• espuma balística
• Burbuja caótica
• Vidrio espumado
• Espuma metálica
• nanoespuma
• Espuma de mar
• Materiales compuestos celulares ensamblados reversiblemente
• Fiesta de la espuma
• Materia blanda

Referencias

1. "Espuma". Merriam Webster . Archivado desde el original el 9 de diciembre de 2014.
2. D. Weaire, S. Hutzler, "La física de las espumas", Oxford University Press, 1999, ISBN 0198510977 , ISBN 978-0-1985-1097-0  
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Otras lecturas

• Thomas Hipke, Günther Lange, René Poss: Taschenbuch für Aluminiumschäume. Aluminium-Verlag, Düsseldorf 2007, ISBN 978-3-87017-285-5 . 
• Hannelore Dittmar-Ilgen: Metalle lernen schwimmen. En: Dies.: Wie der Kork-Krümel ans Weinglas kommt. Hirzel, Stuttgart 2006, ISBN 978-3-7776-1440-3 , pág.74. 

enlaces externos

• Andrew M. Kraynik, Douglas A. Reinelt, Frank van Swol Estructura de espuma monodispersa aleatoria
• DL Weaire, Stefan Hutzler (1999) La física de las espumas
• Moriarty, Felipe (2010). "Física de la espuma". Sesenta símbolos . Brady Haran para la Universidad de Nottingham .