거품
Foam기포는 액체나 [1][2][3]고체에 기체 주머니를 가두어 형성되는 물질이다.
거품으로는 목욕 스폰지와 맥주잔에 올려진 머리가 대표적이다.대부분의 거품에서 가스의 부피는 크고 액체 또는 고체의 얇은 막이 가스의 영역을 구분합니다.비누 거품은 또한 suds로 알려져 있다.
고체 폼은 폐쇄형 또는 개방형입니다.밀폐 셀 폼에서 가스는 각각 완전히 고체 물질로 둘러싸인 개별 포켓을 형성합니다.오픈 셀 폼에서는 가스 포켓이 서로 연결됩니다.욕조 스펀지는 개방 셀 폼의 한 예입니다. 물은 구조물 전체를 통해 쉽게 흘러들어 공기를 대체합니다.캠핑 매트는 밀폐된 셀 폼의 한 예입니다. 가스 포켓은 서로 밀봉되어 있어 매트가 물을 흡수할 수 없습니다.
발포 매체는 분산된 매체의 예입니다.일반적으로 가스는 존재하기 때문에 크기가 다른 기포(즉, 물질은 다분산)로 나뉩니다. 즉, 액상이 시스템 [4]필름 밖으로 배출될 때 막이 형성되고 얇아질 수 있는 액체 영역으로 분리됩니다.주 스케일이 작을 경우(즉, 매우 미세한 폼의 경우) 이 분산 매체는 콜로이드의 한 종류로 간주할 수 있다.
폼은 양자 폼과 같은 폼과 유사한 것을 가리킬 수도 있습니다.
구조.
많은 경우 폼은 멀티스케일 시스템입니다.
한 가지 척도는 거품입니다. 재료 거품은 일반적으로 무질서하고 다양한 버블 크기를 가집니다.더 큰 크기에서, 이상적인 거품 연구는 벌집이라고도 불리는 최소 표면과 3차원 테셀레이션의 수학적 문제와 밀접하게 연관되어 있습니다.와이어-Phelan 구조는 완벽하게 정렬된 [5]폼 중 가장 가능한(최적의) 단위 셀로 간주되는 반면 Plato의 법칙은 비누 막이 폼에서 구조를 형성하는 방법을 설명합니다.
버블보다 낮은 눈금은 준안정성 발포막 두께로, 라멜라라고 불리는 상호 연결된 막의 네트워크로 간주될 수 있습니다.이상적으로는 층층이 3중으로 연결되고 연결점으로부터 120° 바깥쪽으로 방사되며, 이를 플라토 경계라고 합니다.
이보다 더 낮은 눈금은 필름 표면에 있는 액체-공기 계면입니다.대부분의 경우 이 계면은 계면활성제, 입자(피커링 에멀전) 또는 더 복잡한 결합으로 만들어진 양친매 구조의 층에 의해 안정화됩니다.
고체 발포체의 기계적 특성
오픈셀과 클로즈드셀의 고체 폼은 세포 구조의 하위 클래스로 간주됩니다.그들은 종종 벌집이나 트러스 격자와 같은 다른 세포 구조들에 비해 낮은 노드 연결성을 가지며, 따라서 그들의 기능 상실 메커니즘은 부재의 굽힘에 의해 지배된다.낮은 노드 연결성과 그로 인한 고장 메커니즘은 궁극적으로 벌집 및 트러스 [6][7]격자에 비해 기계적 강도와 강성이 낮습니다.
형성
거품을 생성하려면 몇 가지 조건이 필요합니다. 기계적 작업, 표면 장력을 감소시키는 표면 활성 부품(표면 활성 물질) 및 거품이 분해되는 속도보다 빨리 형성되어야 합니다.폼을 만들려면 표면적을 늘리는 작업(W)이 필요합니다(δA).
여기서 θ는 표면장력이다.
거품이 발생하는 방법 중 하나는 많은 양의 가스가 액체와 혼합되는 분산입니다.보다 구체적인 분산 방법은 고체의 구멍을 통해 액체에 가스를 주입하는 것이다.이 과정이 매우 느리게 완료되면 아래 그림과 같이 오리피스에서 한 번에 하나의 버블이 방출될 수 있습니다.
분리시간을 결정하는 이론 중 하나는 다음과 같으나, 이 이론은 실험 데이터와 일치하는 이론 데이터를 생성하지만 모세혈관에 의한 이탈이 더 나은 설명으로 받아들여진다.
부력은 기포를 올리기 위해 작용합니다.
서 V V는 버블의 부피,g(\ g는 중력에 의한 가속도, θ는1 기체의 밀도, θ는2 액체의 밀도입니다.부력에 반하여 작용하는 힘은 표면 장력이며, 표면 장력이다.
- s r ( \ F _ { s } = \ \ !} ,
여기서 θ는 표면 이고 rr은 오리피스의 반지름입니다.더 많은 공기가 기포 안으로 밀려들면서 부력은 표면 장력보다 더 빨리 커진다.따라서 부력이 표면장력을 극복할 수 있을 정도로 클 때 이탈이 발생한다.
또한 버블을 R R의 구로 처리하여 위의 방정식에 V({V})를 대입하면 분리가 발생한다.
이 현상을 매우 느리게 형성되는 버블의 모세관성 관점에서 살펴보면 내부 p는 에서나 일정하다고 수 있다.액체의 정수압은 p 으로 표시됩니다.기체와 액체 사이의 계면 전체에 걸친 압력의 변화는 모세관 압력과 같습니다. 따라서,
여기서1 R과2 R은 곡률의 반지름이며 양수로 설정됩니다.기포의 줄기에서 R과3 R은4 양으로도 취급되는 곡률 반지름이다.여기서 액체의 정수압은 기포의 꼭대기에서 줄기까지의 거리인 z를 고려해야 합니다.버블 스템의 새로운 정수압은 p(θ1 - θ2)z입니다0.아래에 표시된 것처럼 정수압은 모세관 압력의 균형을 잡습니다.
마지막으로, 상단과 하단의 압력 차이는 정수압의 변화와 동일합니다.
기포의 줄기는 기포의 형상이 거의 원통형이기 때문에 R 또는4 R 중 하나는3 크고 다른 하나는 곡률 반경이 작다.버블의 줄기가 길어질수록 한쪽은 커지고 다른 한쪽은 줄어들면서 불안정해진다.어느 시점에서 스템의 세로 길이가 스템의 둘레를 초과하여 부력에 의해 기포가 분리되고 이 과정이 [8]반복된다.
안정성.
안정화
거품의 안정화는 거품의 분자 사이의 반데르발스 힘, 쌍극성 계면활성제에 의해 만들어진 전기적 이중층, 그리고 막에 복원력으로 작용하는 마랑고니 효과에 의해 발생합니다.
마랑고니 효과는 거품을 내는 액체가 불순하다는 점에 달려 있다.일반적으로 용액 중의 계면활성제는 표면장력을 감소시킨다.계면활성제는 또한 아래와 같이 표면에 뭉쳐 층을 형성한다.
Marangoni 효과가 나타나려면 첫 번째 그림과 같이 폼을 들여써야 합니다.이 함몰은 로컬 표면적을 증가시킵니다.계면활성제는 용액의 대부분보다 확산 시간이 더 길기 때문에 계면활성제는 움푹 패인 부분에 덜 집중됩니다.
또, 표면 스트레칭에 의해, 오목한 부분의 표면 장력이 주위 면적보다 커진다.따라서 계면활성제의 확산 시간이 길기 때문에 마랑고니 효과는 발생할 시간이 있다.표면 장력의 차이는 경사를 만들어 표면 장력이 낮은 영역에서 표면 장력이 높은 영역으로 유체 흐름을 유도합니다.두 번째 사진은 마랑고니 효과가 [9]발생한 후 평형 상태에 있는 필름을 보여준다.
불안정화
Witold Rybczynski와 Jacques Hadamard는 거품이 r r의 구면이라는 가정 하에 거품이 일어나는 속도를 계산하는 방정식을 개발했습니다.
초당 센티미터 단위로 속도를 나타냅니다.θ 및2 θ는 기체와 액체의 밀도(g3/cm1, θ)이며2, θ는 기체와 액체의 점도(g/cm, s), g는 가속도(cm/s2)이다1.
그러나 액체의 밀도와 점도는 기체보다 훨씬 높기 때문에 기체의 밀도와 점도는 무시될 수 있으며, 이는 다음과 같이 상승하는 기포 속도에 대한 새로운 방정식을 산출합니다.
그러나 실험을 통해 거품 상승에 대한 보다 정확한 모델은 다음과 같습니다.
편차는 마랑고니 효과와 모세관 압력으로 인해 발생하며, 이는 기포가 구형이라는 가정에 영향을 미칩니다.곡면 기액 계면의 라플라스 압력에 대해 한 점에서의 곡률의 2개의 주요 반경은1 R과2 [10]R이다.곡선 인터페이스를 사용하면 한 상에서의 압력이 다른 상에서의 압력보다 커집니다.모세관 압력c P는 다음 방정식으로 구할 수 있습니다.
- c ( ( R1 + R 2){ {c }=\{1} { + {\ {
여기서(\은 표면 장력입니다.아래 표시된 기포는 액체(상 2)의 기체(상 1)이며, 점 A는 기포의 상단을 나타내고 점 B는 기포의 하단을 나타냅니다.
점 A의 기포 상부에서 액체 중의 압력은 기체 중의 압력과 함께 p로0 가정한다.B 지점의 기포 바닥에서 정수압은 다음과 같습니다.
여기서 θ는12 기체와 액체의 밀도이다.버블 상부의 정수압 차이는 0이지만, 버블 하부의 정수압 차이는 인터페이스 전체에 걸쳐 gz(θ2 - θ1)입니다.A 지점의 곡률 반경이 같고 R로A 표시되며 B 지점의 곡률 반경이 같고 R로 표시된다고B 가정하면 A 지점과 B 지점 간의 모세관 압력 차이는 다음과 같습니다.
평형상태에서 모세관압의 차이는 정수압의 차이에 의해 균형을 이루어야 한다.이런 이유로,
기체의 밀도가 액체의 밀도보다 낮기 때문에 방정식의 왼쪽은 항상 양의 값입니다.따라서 R의A 역수는 R보다B 커야 합니다.즉, 버블의 위쪽에서 아래쪽까지 곡률 반경이 증가합니다.따라서 중력을 무시하지 않고는 기포가 구형이 될 수 없습니다.또한 z가 증가함에 따라 R과B R의 차이도A 발생합니다. 즉, 거품이 [8]커질수록 모양에서 더 많이 벗어납니다.
폼의 불안정성은 몇 가지 이유로 발생합니다.첫째, 중력은 Rybczynski와 Hadamar의 이론상으로는 액체를 폼 베이스로 배출시키지만, 또한 폼의 내부 농도 차이로 인해 삼투압에 의해 라멜라에서 Plato 경계로 배출되고, Laplace 압력에 의해 기체가 작은 것에서 큰 것으로 확산되는 원인이 된다.압력 차이로 인한 기포가 발생합니다.또한 필름은 분리 압력에 의해 파손될 수 있으며, 이러한 효과는 거품보다 큰 축척으로 폼 구조를 재배치할 수 있으며, 이는 개별(T1 공정) 또는 집합('아발랑쉬' 유형)일 수 있습니다.
실험 및 특성화
많은 현상을 수반하는 다단계 시스템이자 다용도 매체인 폼은 다양한 기술을 사용하여 연구할 수 있습니다.다른 척도를 고려할 때, 실험 기법은 주로 회절 기법으로, 준마이크로미터 척도의 광산란 기법(DWS, 아래 참조, 정적 및 동적 광산란, X선 및 중성자 산란) 또는 현미경 기법이다.이 시스템을 연속적으로 고려한다면, 그 부피 특성은 빛의 투과율뿐만 아니라 전도율도 특징지을 수 있습니다.구조와 벌크 사이의 상관 관계는 특히 음향에 의해 더 정확하게 입증됩니다.거품 사이의 구성은 무작위(Pott의 모델) 또는 결정론적 방법(표면 진화자)으로 최소 표면 에너지의 순차적 진화 시도를 사용하여 수치적으로 연구되었다.시간에 따른 진화(즉, 역학)는 이러한 모델 또는 개별 거품의 움직임을 고려하는 버블 모델(두리안)을 사용하여 시뮬레이션할 수 있다.
레이저광 또는 X선 빔으로 거품을 비추고 기포 사이의 필름 반사율을 측정함으로써 소규모 구조를 관찰할 수 있다.지구 구조의 관측은 중성자 산란을 사용하여 수행할 수 있다.
수직 스캐닝과 결합된 다중 빛 산란인 전형적인 빛 산란(또는 확산) 광학 기법은 제품의 분산 상태를 모니터링하기 위해 가장 널리 사용되는 기술이며, 따라서 불안정 [11][12][13][14]현상을 식별하고 정량화합니다.거품을 포함하여 희석되지 않은 농축 분산에 효과가 있습니다.빛이 샘플을 통해 보내지면 거품에 의해 후방 산란됩니다.후방 산란 강도는 분산된 위상의 크기와 체적 비율에 정비례합니다.따라서 국소적인 농도 변화(배수, 시네레시스)와 전체적인 크기 변화(숙성, 결합)를 감지하고 모니터링한다.
적용들
액체 거품
액체 폼은 화재, 특히 기름 화재를 진압하는 데 사용되는 것과 같은 내화성 폼에 사용될 수 있습니다.
어떤 면에서는 발효된 빵이 거품인데, 이스트가 반죽에 작은 기포를 만들어 냄으로써 빵이 부풀어 오르게 하기 때문이다.반죽은 전통적으로 모공이 서로 연결되어 있지 않은 폐쇄 세포 거품으로 알려져 왔다.반죽을 자르면 잘려나간 거품 속의 가스가 방출되지만, 나머지 반죽의 가스는 빠져나갈 수 없다.반죽이 너무 많이 부풀어 오르도록 놔두면, 그것은 가스 주머니가 연결된 개방형 거품이 된다.반죽을 자르거나 표면이 깨지면 가스가 많이 빠져나가 반죽이 무너질 수 있다.반죽의 열린 구조는 관찰하기 쉽다: 분리된 기포로 구성되는 대신 반죽은 밀가루 물 반죽의 실로 채워진 가스 공간으로 구성된다.최근 연구에 따르면 빵의 모공 구조는 99%가 하나의 큰 액포에 상호 연결되어 있으며, 따라서 촉촉한 반죽의 폐쇄 세포 거품이 [15]빵의 개방 세포 고체 거품으로 변환됩니다.
매우 높은 표면적을 가진 기액 거품의 고유한 특성은 거품 부상과 거품 분화의 화학적 과정에서 이용된다.
고체 거품
솔리드 폼은 경량 셀룰러 엔지니어링 재료의 한 종류입니다.이러한 기포는 일반적으로 기공 구조에 따라 두 가지 유형으로 분류됩니다: 개방 세포 구조 기포(그물형 기포라고도 함)와 폐쇄 세포 기포.충분히 높은 세포 분해능에서, 모든 유형은 연속 또는 "연속" 물질로 취급될 수 있으며 예측 가능한 기계적 특성을 가진 세포 고체로 [16]언급됩니다.
오픈셀 구조의 폼은 서로 연결된 모공을 포함하고 있으며 비교적 부드러운 상호 연결된 네트워크를 형성합니다.개방된 세포 거품은 그들을 둘러싼 모든 가스로 가득 차 있다.공기로 채워지면 비교적 좋은 절연체가 되지만 개방 셀이 물로 채워지면 절연 특성이 감소합니다.최근의 연구는 단열재로서의 개방 셀 폼의 성질을 연구하는 데 초점을 맞추고 있다.밀 글루텐/TEOS 바이오 폼이 생산되어 석유 기반 [17]자원에서 얻은 폼과 유사한 절연 특성을 보인다.발포 고무는 오픈 셀 발포제의 일종입니다.
폐세포 발포체에는 서로 연결된 모공이 없습니다.폐전지 발포체는 일반적으로 그 구조 때문에 압축 강도가 더 높습니다.그러나, 폐전지 발포체 또한 일반적으로 더 밀도가 높고, 더 많은 재료가 필요하며, 그 결과 생산 비용이 더 많이 듭니다.밀폐된 셀은 절연 개선을 위해 특수 가스로 채워질 수 있습니다.폐쇄 셀 구조 발포체는 개방 셀 구조 발포체에 비해 치수 안정성이 높고 수분 흡수 계수가 낮으며 강도가 높습니다.샌드위치 구조 복합 재료에서는 모든 종류의 폼이 핵심 재료로 널리 사용됩니다.
세포 고형물의 가장 초기의 공학적 용도는 목재를 사용한 것으로, 목재는 목질, 셀룰로오스 및 공기로 구성된 폐쇄형 세포 발포체입니다.20세기 초반부터, 특수 제작된 다양한 종류의 고체 거품이 사용되었습니다.이 발포재는 밀도가 낮기 때문에 단열재 및 부양 장치로 탁월하며 가볍고 압축성이 뛰어나 포장재 및 충전재로 이상적입니다.
아조디카보나미드를[18] 송풍제로 사용한 예는 비닐(PVC)과 EVA-PE 발포체 제조에서 찾을 수 있으며,[19][20][21] 고온에서 기체로 분해하여 기포를 형성하는 역할을 한다.
이 거품들의 무작위 또는 "강탄성" 기하학은 그것들을 에너지 흡수에도 좋게 만듭니다.20세기 후반에서 21세기 초반까지 새로운 제조 기술은 중량당 뛰어난 강도와 강성을 가져오는 기하학을 가능하게 했습니다.이러한 신소재는 일반적으로 공학적 세포 [16]고형물이라고 불립니다.
통사 폼
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통사성 폼으로 알려진 특별한 종류의 폐쇄 셀 폼은 매트릭스 재료에 내장된 중공 입자를 포함합니다.구체는 유리, 세라믹, 폴리머를 포함한 여러 물질로 만들어질 수 있다.통사성 폼의 장점은 중량 대비 강도가 매우 높기 때문에 심해 및 우주 응용 프로그램을 비롯한 많은 응용 프로그램에 이상적인 재료라는 것입니다.하나의 특정 구문 폼은 형상 기억 폴리머를 매트릭스로 사용하여 형상 기억 수지 및 복합 재료의 특성을 취할 수 있습니다. 즉, 일정 온도 이상으로 가열하고 냉각할 때 반복적으로 성형할 수 있습니다.형상 메모리 폼은 동적 구조 지지대, 유연한 폼 코어, 확장 가능한 폼 필 등 다양한 용도로 사용할 수 있습니다.
내장 스킨 폼
셀프 스킨 폼이라고도 하는 일체형 스킨 폼은 고밀도 피부와 저밀도 코어를 가진 폼의 한 종류입니다.오픈 몰드 공정 또는 클로즈드 몰드 공정으로 형성될 수 있습니다.오픈몰드 공정에서는 2개의 반응성 성분을 혼합하여 오픈몰드에 주입한다.그런 다음 금형이 닫히고 혼합물이 팽창하여 경화됩니다.이 공정을 사용하여 생산된 품목의 예로는 팔걸이, 유아용 시트, 신발 밑창, 매트리스 등이 있습니다.일반적으로 반응 사출 성형(RIM)으로 알려진 폐쇄 몰드 공정은 혼합된 구성 요소를 폐쇄된 몰드에 [22]고압으로 주입합니다.
디포밍
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이 경우 "거품 액체"라는 뜻의 거품도 다양한 물질의 제조에서 종종 원하지 않는 부산물로 생산됩니다.예를 들어, 거품은 화학 산업, 특히 생화학 공정에서 심각한 문제입니다.단백질과 같은 많은 생물학적 물질들은 교반이나 통기 시 거품을 쉽게 만든다.거품은 액체 흐름을 변화시키고 공기 중의 산소 전달을 방해하기 때문에 문제가 된다(따라서 에어로빅 발효 과정에서 미생물 호흡을 방해한다.이러한 이유로 실리콘 오일과 같은 발포 방지제를 첨가하여 이러한 문제를 예방합니다.특히 제품의 품질이 매우 중요한 식품 및 제약업계에서 발생할 수 있는 문제(오염, 물질 이동 감소)와 관련하여 폼 제어의 화학적 방법이 항상 바람직한 것은 아니다.화학적인 방법보다 거품 형성을 방지하는 기계적 방법이 더 일반적입니다.
음속
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유압 구성 요소의 고장을 분석할 때 거품을 통한 음속의 음향 특성이 중요합니다.이 분석에는 피로 고장에 대한 총 유압 사이클의 계산이 포함됩니다.발포체 내 음속은 발포체를 만드는 가스의 기계적 특성(산소, 질소 또는 조합)에 의해 결정됩니다.
음속이 액체의 유체 특성에 기초한다고 가정하면 피로 주기 계산 오류와 기계적 유압 구성 요소의 고장으로 이어집니다.하한(롤오프 시 0~50,000Hz)을 설정하는 음향 변환기 및 관련 계측기를 사용하면 오류가 발생합니다.음향 사이클의 실제 주파수 측정 시 롤오프가 낮으면 1~1000MHz 이상의 범위에서 실제 유압 사이클로 인해 오산됩니다.계측 시스템은 사이클 대역폭이 실제 측정된 사이클을 10~100배 초과할 때 가장 잘 드러납니다.관련 계장 비용도 10에서 100까지 증가한다.
대부분의 움직이는 수력 기계 구성 요소는 0~50Hz에서 순환하지만 기포가 유입되어 관련 유압 오일의 거품 상태가 발생하며, 이동 기계 구성 요소가 더 높은 사이클 주파수로 순환하지 않더라도 실제 유압 사이클이 1000MHz를 초과할 수 있습니다.
갤러리
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「 」를 참조해 주세요.
레퍼런스
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외부 링크
- 앤드류 M. 크레이닉, 더글러스 AReinelt, Frank van Swol 무작위 단분산 폼 구조
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