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フィルムのマランゴニ効果

映画のマランゴニ効果 (2)

泡の安定化は、泡内の分子間のファンデルワールス力、双極性界面活性剤によって形成される電気二重層、およびラメラ構造を復元する力として働くマランゴニ効果によって引き起こされる。

マランゴニ効果は、泡立つ液体が不純物を含んでいることに起因する。一般的に、溶液中の界面活性剤は表面張力を低下させる。また、界面活性剤は表面に凝集して、下図に示すような層を形成する。

マランゴニ効果が発生するためには、最初の図に示すように、泡に凹みをつける必要があります。この凹みによって局所的な表面積が増加します。界面活性剤は溶液全体よりも拡散時間が長いため、凹み部分では界面活性剤の濃度が低くなります。

また、表面の伸張により、凹んだ部分の表面張力が周囲の領域よりも大きくなります。結果として、界面活性剤の拡散時間が長いため、マランゴニ効果が発生する時間があります。表面張力の差によって勾配が生じ、表面張力の低い領域から表面張力の高い領域へと流体が流れます。2番目の図は、マランゴニ効果が起こった後の平衡状態にあるフィルムを示しています。^{[ 10 ]}

発泡体を硬化させると固化し、標準状態（STP）で永久に安定するようになる。 ^{[ 11 ]}

ヴィトルト・リブチンスキーとジャック・アダマールは、泡が半径を持つ球形であるという仮定のもと、泡の中で上昇する泡の速度を計算する方程式を開発した。${\displaystyle r}$。

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

速度はセンチメートル毎秒の単位で表されます。ρ ₁と ρ ₂はそれぞれ気体と液体の密度で、単位は g/cm ³です。ῃ ₁と ῃ _{2はそれぞれ気体と液体の}動粘度で、単位は g/cm·s です。g は重力加速度で、単位は cm/s ²です。

しかし、液体の密度と粘度は気体の密度と粘度よりもはるかに大きいため、気体の密度と粘度は無視できる。これにより、上昇する気泡の速度に関する新しい方程式が得られる。

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

しかし、実験によって、上昇する気泡のより正確なモデルは次のとおりであることが示されています。

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

偏差は、気泡が球形であるという仮定に影響を与えるマランゴニ効果と毛細管圧によるものです。曲がった気液界面のラプラス圧の場合、ある点における2つの主曲率半径はR ₁とR ₂です。^{[ 12 ]}曲がった界面では、一方の相の圧力がもう一方の相の圧力よりも大きくなります。毛細管圧P _cは次の式で与えられます。

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

どこ${\displaystyle \gamma }$は表面張力です。下図の気泡は液体（相2）中の気体（相1）であり、点Aは気泡の上部、点Bは気泡の下部を示しています。

気泡の頂部である点Aでは、液体中の圧力と気体中の圧力はともにp₀であると仮定する。気泡の底部である点Bでは、静水圧は次のようになる_。

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

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

ここで、ρ ₁と ρ ₂はそれぞれ気体と液体の密度です。気泡の上部における静水圧の差は 0 であり、界面を挟んだ気泡の底部における静水圧の差はgz ( ρ ₂ − ρ ₁ ) です。点 A における曲率半径が等しく R _{Aで表され、点 B における曲率半径が等しく R B}で表されると仮定すると、点 A と点 B の間の毛細管圧の差は次のようになります。

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

平衡状態では、毛細管圧の差は静水圧の差によって釣り合わなければならない。したがって、

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

気体の密度は液体の密度より小さいので、この式の左辺は常に正になります。したがって、RA の逆数は R B より大きくなければなりません。つまり、_気泡の_{上部から下部にかけて曲率半径が増加するということです。したがって、重力を無視しない限り、気泡は球形にはなり得ません。さらに、z が増加すると、 RA}と R _Bの差も生じ、気泡が大きくなるほど形状から逸脱する度合いが大きくなることを意味します。^{[ 9 ]}

泡の不安定化はいくつかの理由で起こります。まず、重力によって液体が泡の基部に流れ込むことが、Rybczynski と Hadamar の理論に含まれています。しかし、泡は浸透圧によっても不安定化します。浸透圧は泡内部の濃度差によってラメラからプラトー境界に流れ込み、ラプラス圧は圧力差によって小さな気泡から大きな気泡へのガスの拡散を引き起こします。さらに、分離圧力によって膜が破断することもあります。これらの影響により、泡よりも大きなスケールで泡構造が再配列される可能性があり、これは個々の（T1 プロセス）場合もあれば、集合的な（「雪崩」型）場合もあります。

閉鎖セルフォームでは、ガスは個別のポケットを形成し、それぞれが固体材料によって完全に囲まれています。開放セルフォームでは、ガスポケットが互いに接続しています。開放セルと閉鎖セルの両方の固体フォームは、セル構造のサブクラスとみなされます。ハニカムやトラス格子などの他のセル構造と比較して、節点の接続性が低いことが多く、そのため、破壊メカニズムは部材の曲げによって支配されます。低い節点の接続性とそれに伴う破壊メカニズムにより、最終的にはハニカムやトラス格子と比較して機械的強度と剛性が低くなります。^{[ 13 ] [ 14 ]}

発泡体の強度は、密度、使用材料、およびセル構造の配置（開放型か閉鎖型か、および細孔の等方性）によって影響を受ける。発泡体の機械的特性を評価するために、圧縮応力-ひずみ曲線を用いて強度とエネルギー吸収能力を測定する。これは、発泡体を用いた技術において重要な要素である。

エラストマーフォーム

エラストマー性多孔質固体の場合、フォームが圧縮されると、まずセル壁が曲がる弾性挙動を示し、次にセル壁が座屈すると材料の降伏と破壊が起こり、最終的にセル壁が押しつぶされて材料が破断します。^{[ 15 ]}これは、応力-ひずみ曲線において、急峻な線形弾性領域、降伏後の緩やかな傾斜を持つ線形領域（プラトー応力）、および指数関数的に増加する領域として現れます。材料の剛性は線形弾性領域から計算でき^{[ 16 ]、}開気孔フォームの弾性率は次の式で定義できます。

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

どこ${\displaystyle E_{s}}$は固体成分の弾性率であり、${\displaystyle E^{*}}$はハニカム構造の弾性率であり、${\displaystyle C_{f}}$は、1に近い値を持つ定数です。${\displaystyle \rho ^{*}}$はハニカム構造の密度であり、$\displaystyle \rho _{s}}$は固体の密度である。独立気泡フォームの弾性率は同様に次のように表すことができる。

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

唯一の違いは密度依存性の指数です。ただし、実際の材料では、閉鎖セルフォームはセルエッジに材料が多く、開放セルフォームの式により近いものになります。^{[ 17 ]}ハニカム構造の密度と固体構造の密度の比率は、材料の弾性率に大きな影響を与えます。全体として、フォームの強度はセルの密度とマトリックス材料の剛性とともに増加します。

物理学および物理化学における泡の形成、構造、特性に関する理論は、液体泡と固体泡の間で多少異なっており、前者は動的である（例えば、「連続的に変形する」）ため、気体がセル間で拡散したり、液体が泡からバルク液体に流れ込んだりする。^{[ 1 ]： 1-2}液体泡に関する理論は、エマルジョンに関する理論と直接類似している。^{[ 1 ]： 3}一方の液体がもう一方の液体に囲まれている二相物質系。^{[ 20 ]}

液体フォームは、消火用フォーム、特に油火災の消火に使用されるものなどに使用できます。

発酵パンの生地は、伝統的に閉鎖セルフォームとして理解されてきました。酵母は、パンの気泡となる小さな気泡を介してパンを膨らませますが、セル同士はつながっていません。生地を切ると、切断された気泡内のガスは放出されますが、生地の残りの部分のガスは逃げられません。生地が膨らみすぎると、ガスポケットがつながって開放セルフォームになります。その部分で生地の表面を切ると、大量のガスが逃げ出し、生地が崩れます。^{[ 22 ]}最近の研究では、パンの気孔構造は99%相互接続されて1つの大きな空胞になっていることが示されており、湿った生地の閉鎖セルフォームは、パンの中で開放セル固体フォームに変化します。^{[ 23 ]}

気液泡の持つ非常に高い比表面積という特異な性質は、泡浮選や泡分画といった化学プロセスにおいて利用されている。

固体フォームは、軽量のセル構造を持つエンジニアリング材料の一種です。これらのフォームは、通常、その細孔構造に基づいて、開放セル構造フォーム（網状フォームとも呼ばれる）と閉鎖セルフォームの2種類に分類されます。セル解像度が十分に高ければ、どのタイプも連続体または「連続体」材料として扱うことができ、予測可能な機械的特性を持つセル固体と呼ばれます^{[ 24 ]}。

開放気泡フォームは空気のろ過に使用できます。例えば、触媒を埋め込んだフォームは、ホルムアルデヒドで汚染された空気が開放気泡構造を通過する際に、ホルムアルデヒドを無害な物質に触媒的に変換することが示されています。^{[ 25 ]}

開放セル構造のフォームには、互いに連結した細孔があり、比較的柔らかい相互接続されたネットワークを形成します。開放セルフォームは、周囲のガスで満たされます。空気で満たされると、比較的優れた断熱材になりますが、開放セルに水が満たされると、断熱特性が低下します。最近の研究では、断熱材としての開放セルフォームの特性の研究に焦点が当てられています。小麦グルテン/TEOSバイオフォームが製造され、石油由来の資源から得られるフォームと同様の断熱特性を示しています。^{[ 26 ]}発泡ゴムは開放セルフォームの一種です。

独立気泡フォームは、相互に連結した気泡構造を持っていません。独立気泡フォームは、その構造上、通常、圧縮強度が高くなります。しかし、独立気泡フォームは一般的に密度が高く、より多くの材料を必要とするため、製造コストも高くなります。独立気泡には特殊なガスを充填することで、断熱性を向上させることができます。独立気泡構造のフォームは、開放気泡構造のフォームに比べて、寸法安定性が高く、吸湿係数が低く、強度も高くなっています。あらゆる種類のフォームは、サンドイッチ構造の複合材料のコア材として広く使用されています。

セル状固体材料の最も古い工学的利用例は木材であり、乾燥状態の木材はリグニン、セルロース、空気からなる独立気泡フォームである。20世紀初頭から、様々な種類の特殊製造された固体フォームが使用されるようになった。これらのフォームは密度が低いため、断熱材や浮力装置として優れており、軽量で圧縮性にも優れているため、梱包材や詰め物として理想的である。

^{アゾジカルボンアミド[ 27 ]}を発泡剤として使用した例としては、ビニル（PVC）およびEVA-PEフォームの製造が挙げられ、高温でガスに分解することで気泡の形成に役割を果たしている。^{[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]}

これらの発泡体のランダムまたは「確率的」な形状は、エネルギー吸収にも適しています。20世紀後半から21世紀初頭にかけて、新しい製造技術により、重量あたりの強度と剛性に優れた形状を実現できるようになりました。これらの新しい材料は、一般的にエンジニアードセルラーソリッドと呼ばれています。^{[ 24 ]}