Las espumas líquidas son sistemas extremadamente complejos que están presentes
en muchos sistemas físicos, industrias y procesos, así como en la vida cotidiana. Las
espumas líquidas son sistemas bifásicos en estado metaestable formados por una dispersión
de burbujas de gas en una matriz líquida continua. La metaestabilidad se consigue por adición
de agentes químicos estabilizantes, generalmente surfactantes o tensioactivos. Estos
agentes estabilizan las espumas ralentizando los procesos por los cuales la espuma
desaparece: el drenaje, el coarsening y la coalescencia. Ninguna de las tres dinámicas
mencionadas se entiende completamente, sin embargo, la última, la coalescencia, es por
mucho la menos entendida de todas. Gran parte de la complejidad de estos sistemas viene
de la necesidad de estudiar el sistema a escalas espaciales y temporales muy amplias. Por
ejemplo, las moléculas de tensiactivos tienen tamaños nanométricos, las interfaces a las que
se adsorben también, los films líquidos en una espuma alcanzan los micrones, pero las
burbujas pueden tener tamaños que varían entre micrones a centímetros. Las espumas en
sí, pueden tener alturas de decenas de metros. Igual sucede con las escalas temporales, la
dinámica de adsorción de un tensioactivo simple está en el orden de los milisegundos, los
tiempos de ruptura de un film líquido en microsegundos, pero la dinámica de drenaje dura
desde minutos a horas, mientras que la de coarsening de horas a días o incluso meses, así
como las espumas, algunas de las cuales pueden permanecer en estado metaestable por
meses.
Este trabajo de tesis doctoral se aboca al estudio de la dinámica de espumas líquidas
con dos objetivos. Por un lado, pretende aportar al entendimiento de los procesos colectivos
en la dinámica de colapso y coalescencia, la menos entendida, y por otro a la formulación de
espumas responsivas o inteligentes. Se estudian los sistemas a todas las escales espaciales
y temporales, desde la dinámica de adsorción de los tensiactivos hasta la estabilidad de
espumas macroscópicas. Para tal fin se han usado una gran cantidad de técnicas
experimentales, muchas de las cuales han sido desarrolladas específicamente en el curso de
esta tesis doctoral. Entre estas destaca el análisis del sonido emitido por las espumas durante
el proceso de colapso.
En base a estos experimentos, demostramos que ciertas espumas se organizan en
estados críticos, compatibles con la dinámica en sistemas que exhiben criticalidad auto-
organizada (Self-organized Criticality, SOC).
Por otro lado, hemos logrado formular espumas inteligentes cuya estabilidad puede ser
modulada, de forma reversible, por cambios de temperatura y pH. Estos sistemas están
basados en complejos mezcla de polieletrolitos y tensioactivos de cargas opuestas. En el
caso del sistema responsivo a temperatura, se formuló en base a un complejo formado por
un tensiactivo catiónico, el DTAB, con un co-polielectrolito termosensible de alginato de sodio
y PNIPAam, que responde a cambios de temperatura modificando las propiedades de
elasticidad superficial de la interface agua-aire, con un correlato directo en la estabilidad de
la espuma. El otro sistema está formulado en base a un polieletrolito, el PAA, cuya carga
depende del pH, y un tensioactivo Gemini catiónico (G12). Demostramos que el mecanismo
de respuesta en este caso es consecuencia de que los cambios de pH modifican la dinámica
de adsorción interfacial de los complejos PAA/G12 alterando significativamente, y de forma
reversible, la estabilidad de las espumas formuladas con ellos. Nunca antes se habían
formulado espumas inteligentes en base a complejos polímero/surfactante, siendo los dos
sistemas presentados en esta tesis los primeros en ser formulados. / Liquid foams are extremely complex systems that are present in many physical systems,
industries, and processes, as well as in everyday life. Foams are biphasic systems in a
metastable state formed by a dispersion of gas bubbles in a continuous liquid matrix.
Metastability is obtained by adding stabilizing chemical agents, generally surfactants. These
agents stabilize the foams by slowing down the processes by which the foam disappears:
drainage, coarsening and coalescence. None of the three dynamics mentioned is fully
understood. However, the last one, coalescence, is by far the least understood of all. Much of
the complexity of these systems comes from the need to study the system at very wide spatial
and temporal scales. For example, surfactant molecules have nanometric sizes, as well as
the interfaces to which they adsorb, liquid films in a foam reach thicknesses of microns, but
bubbles can have sizes that vary from microns to centimeters. The foams themselves can
have heights measured in meters. The same happens with time scales, the adsorption
dynamics of a simple surfactant is in the order of milliseconds, the breakdown times of a liquid
film in microseconds, but the drainage dynamics lasts from minutes to hours, while that of
coarsening take hours to days or even months, as well as foams, some of which can remain
in a metastable state for months.
This doctoral thesis work focuses on the study of the dynamics of liquid foams with two
objectives. On the one hand, it expects to contribute to the understanding of collective
processes in the dynamics of collapse and coalescence, and, on the other hand, to the
formulation of responsive or intelligent foams. Systems at all spatial and temporal scales are
studied, from the adsorption dynamics of surfactants to the stability of macroscopic foams. To
this end, a large number of experimental techniques have been used, many of which have
been specifically developed in the course of this thesis. Among these, the analysis of the
sound emitted by the foams during the collapse process stands out.
Based on these experiments, we demostrate that certain foams organize themselves
into critical states, compatible with dynamics in systems exhibiting Self-Organized Criticality
(SOC).
Moreover, we have managed to formulate smart foams whose stability can be reversibly
modulated by changes in temperature and pH. These systems are based on a complex
mixture of polyeletrolites and oppositely charged surfactants. In the case of the temperature-
responsive system, it was formulated based on a complex formed by a thermosensitive co-
polyelectrolyte of sodium alginate and PNIPAam, which responds to changes in temperature
by modifying the properties of surface elasticity of the water-air interfaces, with a direct
correlate in foam stability. The other system is formulated based on a polyeltrolite, PAA, whose
charge depends on pH, and a cationic Gemini surfactant. We show that the response
mechanism in this case is a consequence of the fact that the changes in pH modify the
interfacial adsorption dynamics of the PAA / G12 complexes, altering the stability of the foams
formulated with them significantly and reversibly. Smart foams based on polymer / surfactant
complexes had never been formulated before, the two systems presented in this thesis being
the first to be formulated.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uns.edu.ar/oai:repositorio.bc.uns.edu.ar:123456789/5863 |
| Date | 09 December 2021 |
| Creators | Domínguez, Claudia Marcela |
| Contributors | Ritacco, Hernán |
| Publisher | Universidad Nacional del Sur. Departamento de Física |
| Source Sets | Universidad Nacional del Sur |
| Language | Spanish |
| Detected Language | English |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
| Format | application/pdf |
| Rights | 2 |
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