Schaumtesten
Die Bedeutung des Schaums einer Flüssigkeit und die Anforderungen an die Schaumeigenschaften sind sehr unterschiedlich. Beim Duschen, Rasieren oder bei Getränken wie Bier und Limonaden ist Schaum erwünscht, während er in industriellen Prozessen oft Probleme bereitet und vermieden werden muss. Deshalb werden die Schaumeigenschaften von der Schaumbildung bis zum Schaumzerfall bereits bei der Produktentwicklung eingestellt und getestet.
Schaum und Schaumarten
Schaum ist eine Dispersion eines Gases in einer Flüssigkeit oder einem Feststoff. Das Volumen des Gases ist relativ größer als das der anderen Phase. Schäume in Flüssigkeiten werden meist durch amphiphile Stoffe stabilisiert, z. B. durch Tenside, Partikel oder andere Verbindungen.
Kugelschaum oder Nassschaum entsteht, wenn sich zwischen den Gasblasen viel Dispergiermittel oder Flüssigkeit befindet. Die Flüssigkeit bewirkt, dass die Gasblasen eine Kugelform annehmen (kleinste Oberfläche bei größtem Volumen). Bei Polyederschaum oder Trockenschaum verringert sich der Abstand zwischen den einzelnen Gasblasen und das Dispersionsmittel zieht sich zu Lamellen zusammen.
Häufig treten Kugelschaum und Polyederschaum gleichzeitig auf, wobei sich der Polyederschaum oberhalb des Kugelschaums befindet. Die Schwerkraft bewirkt, dass die Flüssigkeit aus den Schaumlamellen nach unten fließt.
Methoden
Die Methoden zur Schaumcharakterisierung und Schaumprüfung sind sehr vielfältig und verfolgen in der Regel einen anwendungsorientierten Ansatz. So ist bei der Bewertung von Geschirrspülmitteln der Tellertest weit verbreitet, bei dem so viele verschmutzte Teller gespült werden, bis die Schaumdecke der Spülflüssigkeit zerfällt.
Bei diesem und anderen manuellen Tests wird der Schaum durch manuelles Schütteln, Rühren oder Gießen erzeugt und die Stabilität und Menge des Schaums visuell beurteilt. Die Aussagekraft dieser Tests hängt stark von der Ausbildung und Erfahrung des Personals ab.
Die instrumentellen Methoden sind den manuellen Tests nachempfunden, bieten jedoch durch die technische Umsetzung reproduzierbare Abläufe und quantitative, anwenderunabhängige Auswertungen. Die Methoden zur Schaumerzeugung basieren ebenfalls auf mechanischen Prinzipien wie z. B. Rühren, Schütteln, Schlagen, Gießen, Sprühen oder auf der Zufuhr von Luft.
SITA FoamTester
Der SITA FoamTester erzeugt Schaum durch Rühren mit einer mechanischen Rührscheibe. Zwei optische, berührungslose Messysteme liefern Daten zur Charakterisierung der Schaumeigenschaften wie Schaumvolumen, Schaumstabilität, Flüssigkeitsdrainage sowie die Schaumstruktur.
Schaumvolumen
Das Schaumvolumen beschreibt das Gesamtvolumen des erzeugten Schaums als Summe seines gasförmigen und seines flüssigen Anteils. Grundlage für die Berechnung des Schaumvolumens mit dem SITA FoamTester sind die Messdaten der unteren Schaumgrenze (obere Flüssigkeitsgrenze) und der oberen Schaumgrenze.
Die obere Schaumgrenze wird durch den Foam Surface Scanner mit strukturiertem Licht bestimmt. Dazu wird die Schaumoberfläche mit einer Folge von Streifenmustern definierter Form beleuchtet und die entstehenden Schnittbilder mit einer Kamera aufgenommen. Aus den Bilddaten können die Koordinaten der Schaumoberfläche exakt berechnet und das Gesamtvolumen im Messgefäß genau bestimmt werden.
Der Foam Interface Scanner erfasst die Schaumuntergrenze als Totalreflexion an der Behälterwand. Totalreflexion tritt bei optisch unterschiedlich dichten Medien auf. Trifft das Licht hinter der Behälterwand auf Luft, wird es reflektiert und im Winkel [Theta] von einem lichtempfindlichen Sensor detektiert. Dies ermöglicht eine genaue Trennung der Gasphase von der Flüssigkeitsphase und damit die Bestimmung des verbleibenden Flüssigkeitsvolumens.
Schaumaufbau, Schaumzerfall und Flüssigkeitsdrainage
Schaumaufbau und Schaumzerfall sind dynamische Prozesse. Der Schaumaufbau stellt das Schaumvolumen als Funktion der Zeit (Rührzeit) dar, während beim Schaumzerfall das Schaumvolumen im ruhenden Zustand bestimmt wird. Parallel zum Schaumzerfall liefert die untere Schaumgrenze Informationen zur Flüssigkeitsdrainage und somit zur Schaumtrocknung.
Schaumstruktur
Die Schaumstruktur wird mit dem Foam Interface Scanner als Totalreflexion erfasst. Für eine Schaumstrukturmessung werden der lichtempfindliche Sensor und die Lichtquelle am Messgefäß um bis zu 50 mm verfahren. Mit Hilfe von Bildverarbeitungsalgorithmen werden anschließend in der PC-Software SITA FoamLab verschiedene geometrische Eigenschaften aller erfassten Blasen bestimmt und statistisch ausgewertet.
Die Schaumstruktur an Grenzflächen wie der Behälterwand unterscheidet sich zwangsläufig von der Struktur im freien Schaumvolumen, da der Schaum mit der Grenzfläche interagiert.
Zunächst werden drei Fälle unterschieden.
- die Grenzfläche zur Flüssigkeit
- die Grenzfläche zur umgebenden Atmosphäre
- die Grenzfläche zur Wand des Messgefäßes
An der Grenzfläche zur Flüssigkeit ist der Flüssigkeitsanteil sehr hoch. Dadurch liegt hier in der Regel Kugelschaum vor.
Die Schaumblasen an der Grenzfläche zur umgebenden Atmosphäre, der oberen Schaumgrenze, werden nicht durch benachbarte Blasen beeinflusst. Um die Schaumoberfläche zu minimieren, formen sich die Lamellen zu Domen. Da der Schaum durch Drainage trocknet, bildet sich Polyederschaum. Der strukturelle Einfluss an der Grenzfläche zur umgebenden Atmosphäre ist daher hoch.
An der Grenzfläche zur Behälterwand kommen Benetzungseffekte hinzu. Oberflächenaktive Substanzen wie Tenside verstärken die Benetzung der Gefäßwand mit dem Schaum. Es kommt zu einer Deformation der Blasenform, zwischen den deformierten Blasen lagern sich Pseudo-Plateau-Grenzen ab. Eine solche Grenze besteht aus nur einer Lamelle.
Für die messtechnische Analyse der Schaumstruktur an Grenzflächen ist der Einfluss der Pseudo-Plateau-Grenzen entscheidend. Diese Grenzen sind aufgrund ihrer Krümmung und Dicke optisch nicht sofort sichtbar, da sie Licht erst ab einer bestimmten Dicke reflektieren oder brechen. Daher ist der messbare Blasendurchmesser nicht der tatsächliche Abstand zwischen den Pseudo-Plateau-Grenzen, sondern liegt dazwischen. Diese Diskrepanz führt zu einer systematischen Messabweichung, die bei der Auswertung und Interpretation berücksichtigt werden muss.
