Estabilidad de espumas

IV.III.I. Evaporación y maduración de Ostwald

Cuando las espumas se dejan al aire libre, se van destruyendo por la evaporación del líquido Las capas superficiales pueden afectar las velocidades de evaporación. Se sabe que las monocapas muy compactas pueden reducir la evaporación acuosa. Aunque el factor más importante es el grado de compactación de las proteínas de la monocapa, existe alguna correlación con la reología interfacial.

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La maduración de Ostwald involucra el transporte de gas entre burbujas de diferentes tamaños. Es consecuencia de la distinta presión a la que se encuentran los gases que contienen las burbujas debido a los diferentes radios de curvatura como predice la ley de Laplace, las burbujas más pequeñas tienen una mayor presión que las más grandes. Esta situación va a influir en la solubilidad de los gases que contienen las burbujas ya que la solubilidad de los gases aumenta con la presión, o sea con la disminución del radio de las burbujas. Como con la evaporación, la presencia de monocapas en las superficies afecta el desarrollo de la maduración de Ostwald. Es de gran importancia la naturaleza del gas

utilizado para el espumado; por ejemplo los gases solubles en agua, como el CO2,

dan espumas menos estables que los menos solubles como el N2, porque el CO2

se transporta a través de los films a mayor velocidad. La estabilidad de las

espumas de CO2 puede aumentarse agregando pequeñas cantidades de N2 para

que no varíen los potenciales químicos dentro de la burbuja en equilibrio con el líquido (Weaire y Pageron 1990).

Durante el proceso de achicamiento de las burbujas pequeñas, el área se reduce

por lo que aumenta la elasticidad interfacial. Cuando E >γ / 2, el encogimiento de

la burbuja se detiene (Kloek, van Vliet y col. 2001). Para surfactates pequeños, el achicamiento puede llevar a que las moléculas se redisuelvan en el líquido y que la elasticidad no varíe. En el caso de proteínas, que se adsorben irreversiblemente, la elasticidad superficial puede fácilmente alcanzar valores muy altos. El proceso es más lento que para surfactantes pequeños por la existencia de films gruesos entre las burbujas.

IV.III.II. Drenado de la espuma

Las burbujas con tamaños mayores que unos pocos micrones ascienden debido a la acción de la gravedad. Para dispersiones diluidas y superficies rígidas, la

velocidad de ascenso de la burbuja de radio R en un fluido de densidad ρ y de

viscosidad η está dado por la ley de Stokes (ecuación (XV)). Cuando la espuma

se comporta como un sólido (ϕ ≅ 0,6), las burbujas no son más esféricas y se

distorsionan en poliedros, con los films líquidos en las zonas planas llamados lamelas. En estas condiciones la gravedad igualmente produce drenado. El líquido fluye a través de los espacios intersticiales entre las burbujas que son las lamelas y los bordes de Plateau que son los espacios o nodos en donde tres lamelas distintas se interceptan Figura XII. Cuando continúa el drenado, los films separados por burbujas se adelgazan y eventualmente se rompen.

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Lamella

Borde de Plateau

Figura XII.: Esquema de una espuma con burbujas poliédricas.

El tiempo de drenado t, o la velocidad de drenado V (V ≈ 1/t) del proceso es

variable: depende del tamaño de las burbujas, de la reología de la interfase y de la solución y de la naturaleza del gas (Saint-Jalmes, Zhang y col. 2004).

Las velocidades de drenado no suelen diferir para pequeñas moléculas comparadas con las proteínas si se está en iguales condiciones del tamaño de burbujas y de viscosidad del líquido. Los factores principales que influyen en el drenado son los mismos en los dos casos: tamaño de burbujas, fracción volumétrica del líquido.

IV.III.III. Drenado del film

El drenado de los films de la espuma aporta una contribución despreciable al total del drenado debido a que está involucrada una baja cantidad de líquido. Sin embargo, el drenado del film juega un papel importante en la estabilidad ya que cuando se reduce el espesor del film se facilitan la maduración de Ostwald y el colapso o coalescencia.

Los films drenan no sólo debido a la gravedad, sino también por la presión capilar que se produce por la diferencia de las presiones de Laplace de los films con los bordes de Plateau y que hace que el líquido drene desde los films hacia los bordes.

IV.III.IV. Fuerzas superficiales

Si el drenado ha sido muy suave y el espesor del film disminuye a valores de 10 a 100 nm, pasan a tener importancia las interacciones entre ambos lados del film. Se producen las interacciones típicas como fuerzas de van der Waals, fuerzas electrostáticas. El hecho de que se encuentren tan cerca permite la actuación de las fuerzas de corto alcance y que éstas tengan un efecto sobre la estabilidad del film.

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IV.III.V. Coalescencia o colapso de los films

Con el drenado, las lamelas se afinan cada vez más hasta casi desaparecer. A cierto espesor crítico los films no son los suficientemente resistentes y se puede formar un orificio. Debido a la curvatura del film y la presión de Laplace, el orificio formado se agranda y termina en la fusión de las dos burbujas adyacentes para forma una sola. El proceso de ruptura comienza cuando la fracción volumétrica de gas se hace superior a un valor mínimo que depende del tensioactivo y de su concentración (Carrier y Colin 2003); aparentemente el valor mínimo corresponde a la dilatación máxima que pueden soportar los films debida a los reordenamientos inducidos por el drenado. El colapso no depende directamente del tamaño de las burbujas, pero la estabilidad de las espumas es mayor cuando son de burbujas pequeñas dado que el drenado es más lento por la tortuosidad del camino del líquido hacia abajo.

El espesor crítico del film depende mucho de la naturaleza de la molécula tensioactiva y la viscoelasticidad del film que producen (Klitzing y Müller 2002). Debido al drenado y a la evaporación los films más estrechos son los que se encuentran en la parte superior de la espuma y por lo tanto son los que más rápido se rompen.