وقتی یک حباب گاز به سطح مایع میرسد، لایه نازک مایع اطراف آن که به آن لاملا گفته میشود، بهتدریج دچار تخلیه میشود. این پدیده که به آن زهکشی میگویند، باعث میشود لاملا نازکتر شود. اگر ضخامت این لایه از حدود ۱۰ نانومتر کمتر شود، دیگر توان تحمل فشار داخلی حباب را ندارد و پاره میشود؛ در نتیجه حباب میترکد و فوم از بین میرود.
در مایعات خالص، این روند بهصورت طبیعی و بدون اختلال طی میشود؛ یعنی حبابها پیش از آنکه فرصت ایجاد فوم پایدار را داشته باشند، از بین میروند. به همین دلیل است که مایعات خالص، بهطور معمول کف نمیکنند.
ضد کف
کف ساختاری است که در آن گاز بهصورت حبابهای پراکنده در یک مایع محصور شده و این حبابها توسط لایههای نازک مایع از یکدیگر جدا میشوند. لازم به ذکر است که لایه های نازک تشکیل شده بین حباب های مجاور در یک مایع خالص بسیار ناپایدار هستند و بنابراین مایعات خالص کف تشکیل نمی دهند. این پدیده معمولاً زمانی ایجاد میشود که گاز در اثر تحریک مکانیکی (مانند هم زدن، پمپاژ یا ریختن) یا فرآیندهای شیمیایی وارد فاز مایع شود. مواد فعال سطحی (سورفکتانتها) نقش مهمی در تشکیل و پایداری کف دارند، زیرا با کاهش کشش سطحی بین گاز و مایع، تشکیل حبابها را تسهیل کرده و از ترکیدن سریع آنها جلوگیری میکنند.
کف پدیدهای است که میتواند هم مزایا و هم معایبی داشته باشد، از نظر مزایا، کف در برخی صنایع نقش کلیدی دارد. بهعنوان مثال، در صنایع غذایی، وجود کف باعث ایجاد بافتی سبک و مطبوع در محصولاتی مانند خامه، بستنی یا کف قهوه میشود. در صنایع آرایشی و بهداشتی نیز کف باعث القای حس پاکیزگی و افزایش رضایت مصرفکننده میشود. همچنین در فومهای آتشنشانی، کف با ایجاد یک لایه محافظ، مانع رسیدن اکسیژن به آتش شده و در کنترل حریق بسیار مؤثر است. اما در مقابل، کف در بسیاری از فرآیندهای صنعتی، بهویژه در صنایع نفت، پتروشیمی، رنگ، داروسازی و تصفیهخانهها، یک مشکل جدی بهشمار میرود. ایجاد کف ناخواسته میتواند باعث اختلال در عملکرد تجهیزاتماندد پمپ ها، کاهش حجم مفید مخازن، انسداد لولهها، نشت از سیستمها، کاهش راندمان تولید، و در نهایت افزایش هزینههای نگهداری و تولید شود. همچنین کف ممکن است باعث بهدام افتادن آلودگیها و انتقال آنها به محصول نهایی شود، که کیفیت محصول را تحتتأثیر قرار میدهد.
کف یکی از عوامل مزاحم در بسیاری از صنایع بهشمار میرود و میتواند باعث اختلالات جدی در فرآیند تولید، کاهش کیفیت محصول، و افزایش هزینهها شود. یکی از صنایعی که بهطور ویژه تحت تأثیر پدیده کف قرار میگیرد، صنعت رنگرزی است. در فرآیند رنگرزی، وجود کف میتواند منجر به بروز مشکلات متعددی شود که مهمترین آنها کاهش یکنواختی رنگ است. کف با ایجاد حبابهایی روی سطح پارچه یا در حمام رنگ، مانع از تماس مستقیم رنگ با الیاف میشود و در نتیجه باعث ایجاد لکه، سایه و نایکنواختی در رنگ نهایی میگردد.
از طرف دیگر، حضور کف در سیستمهای رنگرزی پیوسته یا ماشینی مانند رنگرزی جت، میتواند عملکرد دستگاهها را مختل کند. کف ممکن است وارد پمپها و لولهها شود و با ایجاد اختلال در جریان، موجب کاهش راندمان پمپاژ، کاویتاسیون یا حتی انسداد مسیرهای عبور محلول شود. همچنین وجود کف باعث میشود که برخی بخشهای پارچه به اندازه کافی با رنگ تماس پیدا نکنند، که این مسئله نیاز به تکرار فرآیند یا افزایش میزان رنگ و مواد کمکی را بهدنبال دارد و در نهایت منجر به افزایش مصرف مواد شیمیایی و بالا رفتن هزینههای تولید میشود.
کف در بسیاری از صنایع مشکلاتی ایجاد میکند که برای کنترل آن روشهای مختلفی بهکار میرود. رایجترین روش، استفاده از ضدکفها ، روش های فیزیکی ، بهینه سازی فرمولاسیون است که در ادامه به بررسی ضد کف می پردازیم.
ضد کف یا دیفومر، مادهای شیمیایی یا ترکیبی است که بهمنظور کنترل و حذف کفهای ناخواسته در فرآیندهای مختلف صنعتی به کار میرود. ضد کفها با کاهش کشش سطحی و تخریب سریع فیلمهای نازک مایع اطراف حبابهای گاز، باعث شکستن این حبابها و از بین رفتن کف میشوند. این مواد معمولاً در مقادیر بسیار کم به سیستم اضافه میشوند و عملکرد مؤثری در کنترل کف دارند بدون آنکه تاثیر مخربی روی سایر خصوصیات فرآیند یا محصول بگذارند.
ضد کفها را میتوان بر اساس ترکیب شیمیایی شان به 3 دسته تقسیم بندی کرد:
1-ضدکف های سیلیکونی
2-ضدکف های غیر سیلیکونی
3- ضدکف های الکلی
اثر زهکشی (Drainage effect)
زهکشی (Drainage effect) پدیدهای است که طی آن، مایع موجود در فیلم نازک اطراف حباب گاز (لاملا) بهتدریج به پایین کشیده میشود و باعث نازک شدن این لایه میگردد.
تثبیت فوم (Foam Stabilization)
برای آنکه حبابهای گاز به فوم پایدار تبدیل شوند، باید در فاز مایع موادی وجود داشته باشند که از فروپاشی سریع آنها جلوگیری کنند. این مواد، اغلب سورفکتانتها یا مواد فعال سطحی هستند؛ ترکیباتی که در ساختار مولکولی خود هم بخش آبدوست (هیدروفیل) دارند و هم بخش آبگریز (هیدروفوب). این ساختار دوگانه باعث میشود سورفکتانتها در سطح مشترک مایع و گاز تجمع یافته، کشش بینسطحی را کاهش دهند و شرایط لازم برای پایداری فوم را فراهم کنند.
اثر گیبس-مارانگونی (Gibbs-Marangoni effect)
یکی دیگر از عوامل مؤثر در پایداری فوم، خاصیت ارتجاعی لاملاهاست. وقتی لاملا کمی کشیده میشود، مولکولهای سورفکتانت روی سطح آن پخشتر شده و غلظتشان کاهش مییابد. این کاهش غلظت، باعث افزایش کشش سطحی در آن ناحیه میشود. در پاسخ، سیستم تلاش میکند با انتقال آب و سورفکتانت از سایر بخشهای لاملا به ناحیه کشیدهشده، این افزایش کشش را جبران کرده و تعادل را بازگرداند. این رفتار اصلاحی، که به حفظ یکنواختی سطحی و جلوگیری از پارگی لاملا کمک میکند، اثر گیبس-مارانگونی (Gibbs-Marangoni effect) نام دارد و نقش مهمی در پایدارسازی فوم ایفا میکند.
مکانیزم عمل ضد کف ها و عوامل آزادکننده هوا
در بسیاری از فرمولاسیونهای صنعتی مانند پوششدهندهها، وجود برخی مواد پایدارکننده فوم – بهویژه سورفکتانتها – اجتنابناپذیر است. برای جلوگیری از تشکیل کف یا حذف سریع آن در صورت ایجاد، از مواد ضد کف (دیفومرها) استفاده میشود. این مواد معمولاً مایعاتی با کشش سطحی پایین هستند و برای عملکرد مؤثر، باید سه ویژگی کلیدی داشته باشند:
نامحلول بودن در محیط کفدار؛ تا بتوانند بهصورت مستقل عمل کنند و در فاز پیوسته حل نشوند.
ضریب نفوذ مثبت (Penetration Coefficient > 0)؛ به این معنا که دیفومر توان نفوذ به فیلم فوم و تأثیرگذاری بر آن را دارد.
ضریب پخششوندگی مثبت (Spreading Coefficient > 0)؛ تا بتواند روی سطح فوم پخش شود و بهصورت مؤثری آن را نابود کند.
ضدکف با پخش شدن، لاملا را ناپایدار میکند
ذرات آبگریز لاملا را ناپایدار میکنند
ضدکف با خشکسازی سطح (دیوتینگ)، لاملا را ناپایدار میکند
آزمایش
برای بررسی اثرگذاری دیفومرها (مواد ضد کف)، لازم است آنها را با نمونه شاهد (فاقد ضد کف) مقایسه کنیم. برای این مقایسه، باید در هر دو نمونه بهطور کنترلشده و قابل تکرار، کف تولید شود. نکته مهم این است که میزان کف ایجاد شده باید آنقدر باشد که تفاوت بین نمونهها بهوضوح قابل مشاهده و اندازهگیری باشد. یک روش ساده تکان دادن محلول در یک استوانه مدرج است.