フォーム

泡立った飲み物の上部

泡は、ガスが第二の非ガス物質に分散された二相物質システムであり、具体的には、ガスセルが別の液体または固体物質に囲まれている。^{[1] : 6  [2] : 4  [3]}泡は「状況に応じて多かれ少なかれ液体[または固体]を含む場合がある」^{[1] : 6}ただし、気液泡の場合は、ガスが体積の大部分を占める。^{[2] : 4}

ほとんどの泡ではガスの体積が大きく、液体または固体の薄い膜がガス領域を分離しています。^[4]

語源

この単語は古英語の fāmに由来し、ゲルマン祖語の *faimazに由来し、最終的にはサンスクリット語の phénaに関連しています。

構造

表面泡における気泡の秩序と無秩序

一つのスケールは泡です。物質の泡は典型的には無秩序で、泡のサイズは様々です。^[5]より大きなサイズでは、理想化された泡の研究は、極小曲面や三次元モザイク（ハニカムとも呼ばれます）の数学的問題と密接に関係しています。 ^[要出典]ウィア・フェラン構造は、ある主要な哲学的情報源では、完全に秩序だった泡の可能な限り最良の（最適な）単位格子であると報告されています。^{[6] [より適切な情報源が必要]}一方、プラトーの法則は石鹸膜が泡の中で構造を形成する仕組みを説明しています。^[7]

泡は分散媒質の一例です。一般的に、気体が存在すると、異なるサイズの気泡に分裂します（つまり、物質は多分散性です）。これらの気泡は液体領域によって分離され、液相が系から排出されるにつれて、膜は次第に薄くなります。^{[8] [要ページ]主要スケールが小さい場合、つまり非常に微細な泡の場合、この分散媒質は}コロイドの一種と見なすことができます。^{[本文では未検証]}

形成

泡を生成するにはいくつかの条件が必要です。機械的な仕事、表面張力を低下させる表面活性成分（界面活性剤） 、そして泡の生成が破壊よりも速いことが必要です。泡を生成するには、表面積（ΔA）を増加させるための仕事（W）が必要です。

${\displaystyle W=\gamma \Delta A\,\!}$

ここでγは表面張力です。

泡の発生方法の一つは分散であり、大量のガスを液体と混合します。より具体的な分散方法は、固体に開けた穴からガスを液体に注入することです。このプロセスを非常にゆっくりと進めると、下の図に示すように、開口部から一度に一つの泡が噴出することになります。

分離時間を決定する理論の 1 つを以下に示します。ただし、この理論では実験データと一致する理論データが生成されますが、毛細管現象による分離の方がより良い説明として受け入れられています。

開口部から上昇する泡

浮力は泡を浮かせる方向に働き、

${\displaystyle F_{b}=Vg(\rho _{2}-\rho _{1})\!}$

ここで、は泡の体積、は重力加速度、ρ ₁は気体の密度、ρ ₂は液体の密度である。浮力に抗して働く力は表面張力であり、これは ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle g}$

${\displaystyle F_{s}=2r\pi \gamma \!}$ 、

ここで、γは表面張力、は開口部の半径です。気泡に押し込まれる空気が増えるにつれて、浮力は表面張力よりも速く増加します。したがって、浮力が表面張力を克服できるほど大きくなったときに剥離が発生します。 ${\displaystyle r}$

${\displaystyle Vg(\rho _{2}-\rho _{1})>2r\pi \gamma \!}$

さらに、泡を半径の球体として扱い、体積を上記の式に代入すると、分離は次の瞬間に発生します。 ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle V}$

${\displaystyle R^{3}={\frac {3r\gamma }{2g(\rho _{2}-\rho _{1})}}\!}$

非常にゆっくりと形成される泡について毛細管現象の観点からこの現象を考察すると、内部の圧力はどこでも一定であると仮定できる。液体中の静水圧は で示される。気体から液体への界面における圧力変化は毛細管圧力に等しいため、 ${\displaystyle p}$ ${\displaystyle p_{0}}$

${\displaystyle p-p_{0}=\gamma \left({\frac {1}{R_{1}}}+{\frac {1}{R_{2}}}\right)\!}$

ここで、R ₁と R ₂は曲率半径であり、正の値として扱われます。気泡の茎部では、R ₃と R ₄も曲率半径として扱われ、正の値として扱われます。ここで、液体中の静水圧は、気泡の頂部から茎部までの距離 z を考慮する必要があります。気泡の茎部における新しい静水圧はp ₀ ( ρ ₁ − ρ ₂ ) zです。静水圧は毛細管圧力と釣り合い、以下の式で表されます。

${\displaystyle p-p_{0}-(\rho _{2}-\rho _{1})gz=\gamma \left({\frac {1}{R_{3}}}+{\frac {1}{R_{4}}}\right)\!}$

最終的に、上部の圧力と下部の圧力の差は静水圧の変化に等しくなります。

${\displaystyle (\rho _{2}-\rho _{1})gz=\gamma \left({\frac {1}{R_{1}}}+{\frac {1}{R_{2}}}-{\frac {1}{R_{3}}}-{\frac {1}{R_{4}}}\right)\!}$

泡の茎の部分では、泡の形状はほぼ円筒形です。そのため、R ₃または R ₄のいずれかの曲率半径は大きくなり、もう一方の曲率半径は小さくなります。泡の茎が長くなるにつれて、一方の半径が大きくなり、もう一方の半径が小さくなるため、泡は不安定になります。ある時点で、茎の垂直方向の長さが茎の円周を超え、浮力によって泡は分離し、このプロセスが繰り返されます。^[9]

安定性

安定

泡の安定化は、泡内の分子間のファンデルワールス力、双極性界面活性剤によって生成される電気二重層、およびラメラへの復元力として作用する マランゴニ効果によって引き起こされます。

マランゴニ効果は、泡立ちを起こしている液体が不純であることに依存します。一般的に、溶液中の界面活性剤は表面張力を低下させます。また、界面活性剤は表面で凝集し、下図のように層を形成します。

マランゴニ効果が発生するには、最初の図に示すように泡に窪みをつける必要があります。この窪みによって局所的な表面積が増加します。界面活性剤の拡散時間は溶液全体よりも長いため、窪みの部分では界面活性剤の濃度が低くなります。

また、表面の伸張により、凹みのある部分の表面張力は周囲よりも大きくなります。結果として、界面活性剤の拡散時間が長いため、マランゴニ効果が発生する時間が生じます。表面張力の差によって勾配が生じ、表面張力の低い領域から高い領域への流体の流れが促進されます。2枚目の写真は、マランゴニ効果が発現した後の平衡状態にある膜を示しています。^[10]

フォームを硬化させると固化し、標準温度で無期限に安定します。 ^[11]

不安定化

Witold Rybczynski と Jacques Hadamard は、泡が半径 の球形であるという仮定のもとで、泡の中で上昇する泡の速度を計算する方程式を開発しました。 ${\displaystyle r}$

${\displaystyle u={\frac {2gr^{2}}{9\eta _{2}}}(\rho _{2}-\rho _{1})\left({\frac {3\eta _{1}+3\eta _{2}}{3\eta _{1}+2\eta _{2}}}\right)\!}$

速度の単位はセンチメートル/秒です。ρ ₁と ρ ₂はそれぞれ気体と液体の密度で単位は g/cm ³です。ῃ ₁と ῃ ₂はそれぞれ気体と液体の動粘度で単位は g/cm·s です。g は重力加速度で単位は cm/s ²です。

しかし、液体の密度と粘度は気体よりもはるかに大きいため、気体の密度と粘度は無視することができ、上昇する泡の速度に関する新しい式は次のようになります。

${\displaystyle u={\frac {gr^{2}}{3\eta _{2}}}(\rho _{2})\!}$

しかし、実験を通じて、泡の上昇に関するより正確なモデルは次のものであることが示されました。

${\displaystyle u={\frac {2gr^{2}}{9\eta _{2}}}(\rho _{2}-\rho _{1})\!}$

これらの偏差は、マランゴニ効果と毛細管圧によるもので、気泡が球形であるという仮定に影響を与えます。曲面気液界面のラプラス圧の場合、ある点における2つの主曲率半径はR ₁とR ₂です。^[12]曲面界面では、一方の相の圧力がもう一方の相の圧力よりも大きくなります。毛細管圧P _cは次の式で与えられます。

${\displaystyle P_{c}=\gamma \left({\frac {1}{R_{1}}}+{\frac {1}{R_{2}}}\right)\!}$ 、

表面張力は どこにあるか。下図の泡は液体（相2）中の気体（相1）であり、点Aは泡の上部、点Bは泡の底部を示しています。${\displaystyle \gamma }$

静水圧用バブル

点Aの気泡上部では、液体と気体 の圧力はp _{0と仮定します。点Bの気泡底部では、静水圧は次のようになります。}

${\displaystyle P_{B},1=p_{0}+g\rho _{1}z\!}$

${\displaystyle P_{B},2=p_{0}+g\rho _{2}z\!}$

ここで、ρ ₁と ρ ₂はそれぞれ気体と液体の密度です。気泡上部の静水圧差は0ですが、界面を挟んだ気泡底部の静水圧差はgz ( ρ ₂ − ρ ₁ ) です。点Aの曲率半径が等しく R _A、点Bの曲率半径が等しく R _Bとすると、点Aと点B間の毛細管圧力差は次のようになります。

${\displaystyle P_{c}=2\gamma \left({\frac {1}{R_{A}}}-{\frac {1}{R_{B}}}\right)\!}$

平衡状態では、毛細管圧の差は静水圧の差と釣り合わなければならない。したがって、

${\displaystyle gz(\rho _{2}-\rho _{1})=2\gamma \left({\frac {1}{R_{A}}}-{\frac {1}{R_{B}}}\right)\!}$

気体の密度は液体の密度よりも小さいため、式の左辺は常に正の値となります。したがって、R _Aの逆数はR _Bよりも大きくなければなりません。つまり、気泡の上部から底部に向かって曲率半径が増加することを意味します。したがって、重力を無視しない限り、気泡は球形にはなりません。さらに、zが増加すると、R _AとR _Bの差も大きくなり、気泡が大きくなるにつれて、その形状からより大きく逸脱することを意味します。^[9]

泡の不安定化はいくつかの原因で発生します。まず、重力によって液体が泡底へ排出されます。これはRybczynskiとHadamarの理論にも含まれています。しかし、泡は浸透圧によっても不安定化します。浸透圧は泡内部の濃度差によってラメラからプラトー境界へ液体を排出します。また、ラプラス圧は圧力差によって小さな泡から大きな泡へのガスの拡散を引き起こします。さらに、膜は分離圧力によって破断する可能性があります。これらの影響により、泡よりも大きなスケールで泡構造の再配置が起こり、これは個別的（T1過程）または集合的（「雪崩」型）に発生する可能性があります。

機械的特性

液体泡

固形フォーム

閉気泡フォームでは、ガスは個別のポケットを形成し、それぞれが固体材料に完全に囲まれています。一方、開放気泡フォームでは、ガスポケットは互いに連結しています。開放気泡フォームと閉鎖気泡フォームの両方を含む固体フォームは、セル構造のサブクラスと考えられています。これらのフォームは、ハニカムやトラス格子などの他のセル構造と比較して、節点接続性^{（専門用語）}が低い場合が多く、そのため、その破壊メカニズムは部材の曲げによって支配されます。節点接続性の低さとそれに伴う破壊メカニズムは、最終的にハニカムやトラス格子と比較して機械的強度と剛性が低くなる原因となります。^{[13] [14]}

発泡体の強度は、密度、使用される材料、細胞構造の配置（開放型と閉鎖型、気孔の等方性）によって影響を受ける可能性があります。^{[要出典]発泡体の}機械的特性を評価するために、圧縮応力-ひずみ曲線を用いて強度とエネルギー吸収能力を測定します。これは、発泡体ベースの技術において重要な要素です。^[要出典]

エラストマーフォーム

エラストマー性気泡固体の場合、フォームを圧縮すると、まずセル壁が曲がる弾性挙動を示し、次にセル壁が座屈するにつれて材料の降伏と破壊が起こり、最終的にセル壁が押しつぶされて材料が破裂します。^[15]これは、応力-ひずみ曲線において、急峻な線形弾性領域、降伏後に緩やかな勾配を持つ線形領域（プラトー応力）、および指数関数的に増加する領域として現れます。材料の剛性は線形弾性領域から計算できます^[16] 。ここで、開放セルフォームの弾性率は以下の式で定義されます。

エラストマーフォームの概略的な応力-ひずみ曲線。線形弾性、細胞壁の座屈、細胞壁の破壊の 3 つの領域を示しています。指定された曲線の下の面積は、フォームが吸収できる単位体積あたりのエネルギーを表します。^{[引用が必要]}

${\displaystyle \left({\frac {E^{*}}{E_{s}}}\right)_{f}=C_{f}\left({\frac {\rho ^{*}}{\rho _{s}}}\right)^{2}}$

ここで、 は固体成分の弾性率、はハニカム構造の弾性率、は1に近い値を持つ定数、はハニカム構造の密度、 は固体の密度です。独立気泡フォームの弾性率は同様に次のように表すことができます。 ${\displaystyle E_{s}}$ ${\displaystyle E^{*}}$ ${\displaystyle C_{f}}$ ${\displaystyle \rho ^{*}}$ ${\displaystyle \rho _{s}}$

${\displaystyle \left({\frac {E^{*}}{E_{s}}}\right)_{f}=C_{f}\left({\frac {\rho ^{*}}{\rho _{s}}}\right)^{3}}$

ここで、唯一の違いは密度依存性の指数です。しかし、実際の材料では、閉鎖気泡フォームはセルエッジに材料が多く存在するため、開放気泡フォームの式に近づきます。^[17]ハニカム構造の密度とソリッド構造の密度の比は、材料の弾性率に大きな影響を与えます。全体的に、フォームの強度はセル密度とマトリックス材料の剛性に伴って増加します。

変形エネルギー

応力ひずみ曲線から推定できるもう一つの重要な特性は、フォームが吸収できるエネルギーです。曲線の下の面積（ピーク応力における急速な緻密化前の面積と規定）は、フォーム内のエネルギーを単位体積あたりのエネルギー単位で表します。フォームが破裂する前に蓄積される最大エネルギーは、次の式で表されます。^[15]

${\displaystyle {\frac {W_{max}}{E_{s}}}=0.05\left({\frac {\rho ^{*}}{\rho _{s}}}\right)^{2}\left[0.975-1.4\left({\frac {\rho ^{*}}{\rho _{s}}}\right)\right]}$

この式は、実験結果に基づく工学的近似を用いて理想化された泡を仮定することで導出されます。エネルギー吸収の大部分は、急峻な線形弾性域を越えた後のプラトー応力領域で発生します。^[要出典]

方向依存性

セル構造の等方性と液体の吸収性も、発泡体の機械的特性に影響を与える可能性があります。異方性が存在する場合、材料の応力応答は方向に依存し、応力-ひずみ曲線、弾性率、エネルギー吸収は、加えられた力の方向によって異なります。 ^[18]また、連続した気孔を持つオープンセル構造は、水やその他の液体が構造内を流れる可能性があり、これも剛性とエネルギー吸収能力に影響を与える可能性があります。^[19]

液体泡と固体泡の違い

物理学および物理化学における泡の形成、構造、特性に関する理論は、液体泡と固体泡とで多少異なります。液体泡は、気体が細胞間を拡散したり、液体が泡からバルク液体に排出されたりすることで動的（例えば、「連続的に変形する」）であるという点で異なります。^{[1] : 1–2}液体泡に関する理論は、エマルジョンに関する理論に直接類似しています。^{[1] : 3}一つの液体が別の液体に囲まれた二相物質システム。^[20]

例

洗浄スポンジ

• バススポンジ– バススポンジは連続気泡フォームの一例です。水は構造全体を容易に流れ、空気を押しのけます。
• ビールのグラスの上の泡
• 石鹸の泡^[21]（sudsとも呼ばれる）
• 寝袋マット– 寝袋マットは、独立気泡フォームで構成された製品の一例です。

泡は、量子泡など、泡に類似したものを指すこともあります。

アプリケーション

シャボン玉

液体泡

液体泡は、火災、特に石油火災の消火に使用される難燃性泡に使用できます。^[要出典]

発酵パンの生地は伝統的に独立気泡の泡（酵母がパンの気孔となる小さな気泡を介してパンを膨らませる）であると理解されてきたが、細胞は互いにつながっていない。生地を切ると、切れ目から気泡が放出されるが、生地の残りの部分の気泡は逃げることができない。^[要出典]生地が膨らみすぎると、気泡がつながって連続気泡の泡になる。その時点で生地の表面を切ると大量のガスが逃げ、生地が崩れてしまう。^{[要出典] [22]}最近の研究では、パンの気孔構造は99％が1つの大きな空胞に相互接続されており、そのため湿った生地の独立気泡はパンの中で連続気泡の固体泡に変化すると示されている。^{[23] [非一次情報源必要]}

非常に高い比表面積を有する気液混合泡のユニークな特性は、フロス浮選や泡分留などの化学プロセスで利用されています。^[要出典]

固形フォーム

固体フォームは、軽量のセル構造を持つエンジニアリング材料の一種です。これらのフォームは、その細孔構造に基づいて、一般的にオープンセル構造フォーム（網状フォームとも呼ばれる）とクローズドセルフォームの2種類に分類されます。セル解像度が十分に高ければ、どのタイプも連続体または「連続体」材料として扱うことができ、セル構造固体^[24]と呼ばれ、予測可能な機械的特性を有します。

オープンセル金属フォーム

オープンセルフォームは空気ろ過に使用できます。例えば、触媒を組み込んだフォームは、ホルムアルデヒドで汚染された空気がオープンセル構造を通過する際に、ホルムアルデヒドを無害な物質に触媒変換することが示されています。^[25]

オープンセル構造のフォームは、互いに連結した気孔を有し、比較的柔らかい相互接続ネットワークを形成します。オープンセルフォームは、周囲のガスを充填します。空気で満たされると比較的良好な断熱性が得られますが、オープンセルに水が充填されると断熱性が低下します。最近の研究では、オープンセルフォームの断熱材としての特性に関する研究に焦点が当てられています。小麦グルテン/TEOSバイオフォームが製造されており、石油由来の資源から得られるフォームと同等の断熱特性を示しています。^[26]フォームラバーはオープンセルフォームの一種です。

独立気泡金属フォーム

独立気泡フォームは、相互に連結した気孔を有しません。独立気泡フォームは、その構造上、通常、高い圧縮強度を有します。しかし、独立気泡フォームは一般的に密度が高く、より多くの材料を必要とするため、製造コストが高くなります。独立気泡に特殊なガスを充填することで、断熱性を向上させることができます。独立気泡構造フォームは、連続気泡構造フォームと比較して、寸法安定性、吸湿係数、強度に優れています。あらゆる種類のフォームは、サンドイッチ構造複合材料のコア材として広く使用されています。

気泡性固体の工学的利用として最も古く知られているのは木材です。木材は乾燥状態では、リグニン、セルロース、空気からなる独立気泡フォームです。20世紀初頭からは、特殊製造された様々な種類の固体フォームが使用されるようになりました。これらのフォームは密度が低いため、断熱材や浮力装置として優れており、軽量で圧縮性に優れているため、梱包材や詰め物として最適です。

^{アゾジカルボンアミド[27]を}発泡剤として使用する例としては、ビニル（PVC）フォームやEVA-PEフォームの製造が挙げられ、高温でガスに分解して気泡を形成する役割を果たしている。^{[28] [29] [30]}

これらのフォームのランダムな、あるいは「確率論的」な形状は、エネルギー吸収にも優れています。20世紀後半から21世紀初頭にかけて、新たな製造技術の進歩により、重量当たりの強度と剛性に優れた形状を実現することが可能になりました。これらの新素材は、一般的にエンジニアード・セルラー・ソリッド（人工セルラーソリッド）と呼ばれています。^[24]

合成フォーム

インテグラルスキンフォーム

インテグラルスキンフォーム（セルフスキンフォームとも呼ばれる）は、高密度のスキンと低密度のコアを持つフォームの一種です。オープンモールド法とクローズドモールド法の2つの方法で成形できます。オープンモールド法では、2つの反応性成分を混合し、オープンモールドに流し込みます。その後、モールドを閉じ、混合物を膨張させて硬化させます。この方法で製造される製品の例としては、アームレスト、ベビーシート、靴底、マットレスなどがあります。クローズドモールド法は、一般的に反応射出成形（RIM）と呼ばれ、混合成分を高圧下でクローズドモールドに注入します。^[31]

ギャラリー

• 
  テンパーフォーム（メモリーフォーム）の顕微鏡写真
• 
  シリコンフォーム 浸透シール ^{[説明が必要]}
• 
  発泡ボールの工業用CTスキャン^{[説明が必要]}
• 
  ポリスチレンフォームクッション
• 
  発泡 アルミニウム ^{[説明が必要]}

泡スケールと特性

参照

• アルミフォームサンドイッチ
• 防弾フォーム
• 混沌としたバブル
• 消泡剤
• 発泡ガラス
• 金属フォーム
• ナノフォーム
• 海の泡
• 可逆的に組み立てられたセルラー複合材料
• 泡パーティー
• ソフトマター

参考文献

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3. 名詞と動詞の両方を含むこの用語の一般的な用法は、ここで説明する材料科学における用法よりも狭義にも広義にもなります。一般的な用法では、液体の泡を指すことが多い点で狭義ですが、あらゆる種類の泡と、それらを生成する行為を含む点で広義です。したがって、メリアム・ウェブスター辞典によれば、この用語は「液体の中または表面上、あるいは液体から形成される、軽く泡立った微細な泡の塊」を指し、「唾液分泌や発汗」によって生成されるもの、消火活動のために安定して生成されるもの、製造過程で発生するガス泡の生成物であるもの、そしてさらに広義の例として海水の泡、そしてこれらに類似するものなどが挙げられます。最後に、一般的な定義には、上記すべてを生成する行為が含まれます。「泡」を参照。メリアム・ウェブスター辞典。2014年12月9日時点のオリジナルよりアーカイブ。
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29. Reyes-Labarta, JA; Marcilla, A. (2008). 「エチレン酢酸ビニル、ポリエチレン、アゾジカルボンアミド三成分混合物の熱処理における示差走査熱量測定分析」. Journal of Applied Polymer Science . 110 (5): 3217– 3224. doi :10.1002/app.28802. hdl : 10045/13312 .
30. Reyes-Labarta, JA; Olaya, MM; Marcilla, A. (2006). 「PEとEVA共重合体の発泡性混合物のアゾジカルボンアミドによる熱処理における遷移のDSC研究」. Journal of Applied Polymer Science . 102 (3): 2015– 2025. doi :10.1002/app.23969. hdl : 10045/24680 .
31. 芦田兼好 (2006). ポリウレタンおよび関連フォーム：化学と技術. CRC Press. pp.  79– 81. ISBN 978-1-58716-159-9. 2017年2月17日時点のオリジナルよりアーカイブ。

さらに読む

• ウィアー, DL; ハッツラー, ステファン (1999). 『泡の物理学』. オックスフォード, イギリス: オックスフォード大学出版局. ISBN 0198510977. 2024年8月30日閲覧。液体の泡にほぼ重点を置いた現代の論文。
• ギブソン、ローナ・J.; アシュビー、マイケル・F. (1997). セルラー固体：構造と性質. ケンブリッジ固体科学. ケンブリッジ、イギリス: ケンブリッジ大学出版局. ISBN 0521499119. 2024年8月30日閲覧。固体泡と、彼らが液体泡に焦点を限定する理由について、Weaire と Hutzler (1999) が古典と呼ぶ論文。
• カンタット、私;コーエン・アダッド、S;エリアス、F;グラナー、F;ホーラー、R;ピトワ、O;ロワイエ、F;セント・ジャルム、A (2013)。泡: 構造と力学。オックスフォード、イギリス：オックスフォード大学出版局。ISBN 978-0199662890. 2024年8月30日閲覧。 なお、この情報源は液体フォームにも焦点を当てています。
• トーマス・ヒプケ、ギュンター・ランゲ、ルネ・ポス: アルミニウムショーメのタッシェンブーフ。アルミニウム版、デュッセルドルフ、2007、ISBN 978-3-87017-285-5。
• ハンネローレ・ディットマール・イルゲン: メタル・ラーネン・シュヴィメン。で: Dies.: Wie der Kork-Krümel ands Weinglas kommt.ヒルツェル、シュトゥットガルト、2006 年、ISBN 978-3-7776-1440-3、S.74。

外部リンク

• Andrew M. Kraynik、Douglas A. Reinelt、Frank van Swol ランダム単分散泡の構造
• モリアーティ、フィリップ (2010). 「泡の物理学」. 60のシンボル.ノッティンガム大学ブレイディ・ハラン.