Новости

Aug 06, 2023

Распространяться или скользить? Ученые выяснили, как f

Объяснение того, как мягкие материалы распределяются с помощью пластины Изображение Токийского столичного университета: по мере увеличения скорости пластины пена больше не распределяется равномерно, а стекает по листу жидкости.

Расшифровка того, как мягкие материалы раскладываются тарелкой

Токийский столичный университет

изображение: По мере увеличения скорости пластины пена больше не распределяется равномерно, а стекает по листу жидкости. На еще более высоких скоростях остается тонкий след пены.посмотреть больше

Фото: Токийский столичный университет.

Токио, Япония – Исследователи из Токийского столичного университета раскрыли физику распределения пены по поверхностям. Шарики пенопласта, помещенные на плоскую подложку, соскребали пластиной и наблюдали. Они выявили различные закономерности, которые сильно зависят от скорости очистки и определяются конкурирующими физическими явлениями. Их выводы применимы ко всем видам мягких материалов, которые необходимо равномерно распределить по поверхностям: от майонеза на хлебе до утеплителя на стенах.

Будь то пена для бритья, изоляционная пена для стен или маргарин на тосте, нанесение мягких материалов на плоские поверхности является важным процессом как с практической, повседневной точки зрения, так и с точки зрения оптимизации промышленных процессов. Однако на удивление мало известно о растекании пены, особенно когда речь идет о том, как плоское лезвие или пластина могут царапать ее по поверхности в слой.

Это вдохновило исследователей во главе с профессором Рей Куритой из Токийского столичного университета поближе взглянуть на то, что происходит. Они создали небольшие купола пены моющего средства на плоской поверхности и соскребли их акриловой пластиной, стараясь сохранять фиксированное расстояние между пластиной и поверхностью. Весь процесс детально наблюдался с помощью видеокамеры. Любопытно, что они обнаружили, что способ распространения пены полностью меняется при изменении скорости пластины, а также то, какое сродство жидкость в пене имеет к поверхности, т. е. является ли она гидрофильной (притягивает воду) или гидрофобной (отталкивает воду). вода).

На гидрофобной поверхности при низких скоростях очистки пена распределяется равномерно, образуя длинный участок такой же ширины, как и исходный купол. Однако по мере увеличения скорости пена больше не распространяется, а движется вдоль поверхности на тонком слое жидкости; пластина движется вперед, оставляя за собой очень мало пены. Наконец, на самых высоких скоростях, которые они пробовали, режим растекания возвращается, только теперь ширина хвоста пены тоньше исходного купола. С другой стороны, на гидрофильной поверхности от первого режима не осталось и следа.

Разница, наблюдаемая между двумя поверхностями, побудила команду сосредоточиться на эффекте «смачивания», то есть на том, любит ли жидкость в пене покрывать поверхность. Ориентируясь на внешний вид низкоскоростного режима, они обнаружили, что на гидрофобных поверхностях пленки моющего средства, составляющие пену, имеют тенденцию закрепляться на поверхности, поскольку жидкость имеет свойство «высыхать». Возникает картина, где пена просто постепенно растекается из купола пластиной по мере ее движения. Однако, если пена продвигается достаточно быстро, чтобы смочить поверхность, у пены теперь есть смазочный слой у основания. Стены из пенопласта, также известные как бордюры Плато, больше не могут захватывать подложку и фиксироваться на месте. Вот почему более быстрая пластина оставит тонкий участок пены там, где изначально был купол, но оставшуюся часть протолкнет по тонкому слою жидкости, не оставив ничего, кроме следа жидкости. В ходе исследования изучалась не только скорость пластины, но также влияние ширины зазора и толщины пластины.

Результаты команды проливают свет на менее известные части повседневного явления, оказывающие существенное потенциальное влияние не только на пенопласты, но и на более широкий спектр мягких материалов, будь то краска, защитные покрытия или майонез.

Эта работа была поддержана грантами JSPS KAKENHI под номерами 20K14431, 17H02945 и 20H01874.

Журнал коллоидной и интерфейсной науки

10.1016/j.jcis.2023.07.023

Натирание пены на подложку

13 июля 2023 г.