Etapas en la Vida de una Espuma

1. Formación de la espuma.

Existen dos métodos para formar espumas:

a) Un gas previamente disuelto en un líquido se libera por un cambio físico por lo general por un descenso de la presión o un aumento de la temperatura.

b) Un aparato mecánico permite introducir burbujas de gas en el seno del líquido, por lo general por agitación violenta o burbujeo.

Adsorción del surfactante en la superficie gas-liquido. Tensoactividad.

Conceptos:      

En la espuma las burbujas que se forman representan un aumento del aire superficial gas-líquido. La nueva superficie que se crea por agitación está por tanto disponible para que se produzca la adsorción de un surfactante presente en el líquido.

Un surfactante es una sustancia cuya molécula posee un grupo hidrófilo y un grupo hidrófobo o lipofílico.  Una de las propiedades fundamentales de los surfactantes es la fuerte tendencia de adsorberse en las superficies o en las interfases. El principio de estas moléculas es que una vez adsorbidas en la superficie, éstas moléculas tensoactivas producen un descenso notable de la tensión superficial que puede pasar de 72 mN/m por superficie aire-agua a 30 mN/m para una solución diluida de surfactante, y muchas veces hasta menos como es el caso de los surfactantes perfluorados. En lo que concierne las interfases agua-aceite, ciertos productos pueden disminuir su tensión a valores extremadamente bajos del orden de 0.001 mN/m. Entre más se disminuye la tensión más fácil se crea un área superficial o interfacial.
Algunos ejemplos comunes son: El dodecilbenceno sulfonato de sodio usado en los polvos para lavar la ropa, el oleato de potasio en los jabones y el lauril sulfato de sodio de los champúes.

Efecto Gibbs-Marangoni

Cuando una película gruesa se forma entre dos burbujas y las burbujas se acercan a menudo estas se aplastan, la película está expuesta a un esfuerzo de estiramiento frecuentemente complejo, en el que el área superficial gas-líquido aumenta rápidamente. La concentración de surfactante adsorbido tiende a disminuir en la zona estirada donde la película es más delgada que en las zonas vecinas. En consecuencia, la tensión superficial aumenta según la relación que permite calcular la elasticidad de Gibbs ε.

Donde γ es la tensión, A, el área superficial y Γ la adsorción. El coeficiente 2 indica que la película está comprendida por dos superficies gas-líquido.

Existe una diferencia de tensión entre la zona estirada de la película y las zonas adyacentes, esto produce un fenómeno denominado inestabilidad de Marangoni.

Figura 1. Efecto Gibbs- Marangoni

Fuente: Influencia de la Formulación sobre las Espumas.

En el caso de las películas estiradas entre la superficie libre y una burbuja, o entre dos burbujas el movimiento superficial se  produce desde la zona vecina hasta la zona estirada; si la película es suficientemente delgada, este movimiento se lleva a cabo desde el líquido hasta la parte delgada de la película, lo que restaura su espesor original, o bien impide que el estiramiento prosiga.

El jabón no refuerza las burbujas, sino que las estabiliza mediante el efecto Marangoni. Al estirarse la película de jabón, la concentración de jabón disminuye, lo que hace que aumente la tensión superficial. Así, el jabón refuerza selectivamente las partes más débiles de la burbuja y evita que se estiren más.

2. Maduración de la espuma.

Cuando la espuma está formada sufre una degradación relativamente lenta, que va desde algunos minutos a algunas horas. Durante este proceso ocurren los siguientes mecanismos:

Segregación de burbujas y drenaje gravitacional del líquido.

Figura 2. Segregación de las burbujas y drenaje del líquido en la espuma húmeda.

Fuente: Influencia de la Formulación sobre las Espumas.

Durante los primeros instantes se produce una segregación gravitacional de las burbujas, del hecho que el empuje de Arquímedes es más fuerte sobre las burbujas grandes que sobre las pequeñas. Este rearreglo requiere que la espuma contenga una proporción volumétrica de líquido mínimo, de entre 15 y 20%.

El drenaje gravitacional de líquido ocurre durante toda la vida de la espuma, pero es más importante en la espuma húmeda.

Succión capilar

La proporción de líquido presente en la espuma disminuye rápidamente debido al drenaje del líquido hacia abajo, antes que nada por simple acción de la gravedad sobre el líquido que se encuentra en las burbujas, luego por fenómenos más complejos cuando las burbujas pierden su forma esférica para devenir poliédricas.

Figura 3. Succión capilar del líquido del centro de la película hasta los bordes de Plateau.

Fuente: Influencia de la Formulación sobre las Espumas.

En éste momento el contenido de líquido no excede al 10% y continua disminuyendo ya que  la diferencia de curvatura entre los bordes de Plateau y la parte plana de las películas  según la ley de Laplace  producen un gradiente de presión. Esta es la fuerza motriz que desplaza el líquido del centro de las películas hacia los bordes de Plateau, gracias a un mecanismo llamado succión capilar. Este líquido es seguidamente drenado por la gravedad hacia la parte inferior de la espuma en los bordes de Plateau.

La espuma puede entonces comenzar a degradarse por ruptura de las películas delgadas, en especial si las condiciones favorables al efecto Gibbs-Marangoni no son satisfechas, o si no existen mecanismos de estabilización de perturbaciones de la película intra-burbuja.

Difusión gaseosa intra-burbuja

        El fenómeno de Ostwald hace que las pequeñas burbujas se desinflen lentamente en las grandes, esto según la ley de Laplace porque la presión es mayor sobre las burbujas pequeñas que sobre las grandes, lo que hace que exista un gradiente de presión de una parte y de la otra de una película, que induce a la difusión gaseosa a través de ésta.

3. Espuma persistente a películas delgadas

        A medida que la película se adelgaza, la rapidez de drenaje disminuye, si el espesor disminuye lo suficiente, se observan nuevos fenómenos que corresponden a las interacciones coloidales.

Dos efectos se oponen; por una parte las fuerzas de Van der Waals tienden a atraer las burbujas vecinas y por lo tanto producir el drenaje de la película. Por otra parte existen diversas fuerzas que ejercen un efecto repulsivo y que oponen al acercamiento de las burbujas y por tanto al drenaje de las películas.