Vaht

Vaht on keemias pihussüsteem, kus suhteliselt väiksesse hulka tahkesse ainesse või vedelikku on pihustunud palju gaasi. Erinevaid vahtusid kasutatakse igapäevaelus märkamatult palju: vedelate vahtude kujul on näiteks šampoon, habemeajamisvaht ja piimavaht kohvil; tahked vahud on aga nii plastvahtudest polsterdused autodes ja mööblis kui ka näiteks leib ja besee. Erinevate kasutusvaldkondadega vahtudel peavad olema ka erinevad omadused, näiteks habemeajamisvahu puhul on oluline, et see oleks aeglaselt kaduv ja pika säilivusajaga, samas tulekustutusvahud peavad olema vastupidavad kütusega kokku puutudes ja kõrgete temperatuuride juures. Vaht võib olla ka ebasoovitav, näiteks pesu pesemisel, keemias destilleerimisel ja mitmetes tööstuslikes protsessides. Vahu omadused sõltuvad peamiselt mulle eraldava õhukese vedelikust või tahkisest kile (lamelli) keemilisest koostisest ja omadustest. Vahu omadusi mõjutavad ka mitmed teised tegurid, näiteks mullide suuruse jaotus, vedeliku pindpinevus, gaasi difusioon mullide sisse ja sealt välja, samuti väline rõhk ja temperatuur. Mullide suurus vahus jääb enamasti vahemikku 50 mikromeetrit kuni paar millimeetrit. Vahu tihedus võib ulatuda peaaegu nullist kuni umbes 0,7 g/cm3-ni, suurema tiheduse korral on tegemist pigem emulsiooni kui vahuga. Kui gaas moodustab vahust üle 75%, siis paratamatult mullid deformeerivad üksteist. Mulle eraldavate lamellide paksus võib varieeruda vahemikus 10–1000 nm. Mullid paiknevad vahus nii, et oleks täidetud minimaalse pindala nõue, ning seda kirjeldavad Plateau seadused: a) mööda mullide äärt (Plateau piiri) puutuvad kokku 3 lamelli ja need on üksteise suhtes 120° all; b) punktis, kus puutuvad kokku 4 Plateau piiri, on need paigutunud üksteise suhtes tetraeedriliste nurkade all (≈109,47°). Kui vahu struktuuri lõhutakse nii, et lamellid rebenevad, paigutuvad mullid ümber sellisel viisil, et nad alluvad jälle Plateau seadustele. Vahud võivad ajas muutuda, kaotades potentsiaalset energiat vahus sisalduva gaasi paisumisel või lamellide kokkutõmbumisel. Potentsiaalse energia vähenemine toimub spontaanselt kas lamellide rebenemisel või gaaside difusioonil väiksemastest pooridest suurematesse. Mõned vedelad vahud võivad olla lamellide rebenemise suhtes väga vastupidavad, kuid siiski kahanevad need aeglaselt gaasi difusiooni tõttu. Vahtu saab teha kahel viisil: 1) üleküllastades vedeliku gaasiga, kas lahustades gaasi rõhu all ja seejärel rõhku vabastades või gaasi tekkides in situ (näiteks taina kerkimisel pärmseente mõjul); 2) mehaaniliste vahenditega, kas läbi väikese ava gaasi vedelikku sisestades või kloppimise teel õhku vedelikku sisse segades ja mulle väiksemaks lõhkudes. Esimest kasutatakse peamiselt tööstuses, sest see võimaldab reguleerida sisestatava gaasi hulka, teist meetodit aga majapidamises mitmeid toiduaineid vahustades. Kohe pärast mullide tekkimist hakkavad toimuma mitmed muutused. Gaas hakkab difundeeruma väiksematest mullidest suurematesse, põhjustades väiksemate mullide kadumise ja suuremate mullide mõõtmete kasvu. Mullid tõusevad vedeliku pinnale, moodustades vedeliku peale vahukihi. Mullid deformeerivad üksteist ning võtavad kindla kuju, alludes Plateau seadustele. Vahus olev vedelik valgub tagasi ülejäänud vedeliku hulka ning lamellid mullide vahel hakkavad rebenema, põhjustades mullide ühinemist ja seeläbi lõpuks vahu kadumist. Termodünaamilise ebastabiilsuse tõttu ei ole vaht püsiv, kui see koosneb puhtast vedelikust ja selles täiesti lahustumatust gaasist. Eksperimendid näitavad, et sellised vahud eksisteerivad ainult hetke ja seetõttu ei saa stabiilset ja püsivat vahtu teha puhtast vedelikust. Selle printsiibi järgi saab hinnata ka destilleeritud vee puhtust: kui mullid jõuavad vee pinnale ja on seal stabiilsed, siis on vesi saastunud. Et mullidevahelised lamellid ja seega ka vaht oleks termodünaamiliselt stabiilsed, peavad vahus olema pindaktiivsed ained (surfaktandid). Surfaktant adsorbeerub vahus õhu-vedeliku piirpinnale, vähendades vedeliku pindpinevust. Samas ei anna termodünaamilise stabiilsuse seletus ühtegi füüsikalist mehhanismi ja seetõttu põhjendatakse vahu stabiliseerumist mitmete nähtustega, mis esinevad surfaktantide olemasolul. Vahu püsivust saab seletada van der Waalsi jõududega vedeliku molekulide vahel, dipolaarsete surfaktantide põhjustatud elektriliste kaksikkihtide ja Marangoni efektiga, mis toimib lamellide suhtes taastava jõuna. Elektrilises kaksikkihis, kus surfaktantide ioonid ja lamellide vastasioonid kompenseerivad üksteist, hakkavad lamellide vastasioonid omavahel suuremal või vähemal määral tõukuma. Selline tõukumine takistab lamellide edasist õhenemist ja seega ka nende rebenemist. Surfaktandi molekulid moodustavad kihi lamellikile ümber ning kui vahtu mõjutatakse nii, nagu näidatud esimesel pildil (näiteks kui õhumull läbi vedeliku pinnale tõuseb), siis selles piirkonnas suureneb lamelli pindala, põhjustades lokaalse pindpinevuse kasvu. Surfaktantide aeglase difusiooni tõttu on selles piirkonnas surfaktandi kontsentratsioon väiksem ning saab toimuda Marangoni efekt: pindpinevuste erinevuse tõttu tekib gradient, mille tagajärjel hakkab vedelik voolama väiksema pindpinevusega aladest suurema pindpinevusega aladele, kuni saabub uus tasakaal. Üks vahu oluline omadus on gaasi ruumala osakaal. Seda on lihtne arvutada, mõõtes esmalt vahu tihedust. Teiseks iseloomustab vahtu mullide keskmine suurus, suuruse jaotus ja nende kuju. Vahu sisemist struktuuri on võimalik uurida erinevate difraktsiooni meetoditega. Tahkeid vahtusid saab lisaks uurida skaneeriva elektronmikroskoopia ja skaneeriva teravikmikroskoopia meetoditega. Vedelad vahud leiavad palju kasutust toitudes, näiteks vahukoor ja jäätis. Enamasti on sellised vahud stabiliseeritud toidus leiduvate valkudega. Samuti on vaht väga tähtis komponent õlle juures, kus vahu moodustab lahustunud süsihappegaas. Õlles stabiliseerivad vahtu valgud ja polüfenoolid, vahel lisatakse vahu stabiliseerimiseks ka muid ühendeid. Samuti kasutatakse vedelaid vahtusid palju kosmeetikas, näiteks šampoonides, hambapastades ja raseerimisvahtudes. Siin on vahu eesmärgiks mööda pinda hästi laiali levida, ent samas ka piisavalt nahal (või muudel aluspindadel) kinni püsida. Lisaks on vedelatel vahtudel veel mitmesuguseid rakendusi, näiteks lennukitelt jää eemaldamise vahendid, herbitsiidid ja erinevad militaarrakendused. Tahke vaht saab olla suletud pooridega või avatud pooridega. Suletud pooridega vahus moodustab gaas diskreetsed mullid, mis on täielikult ümbritsetud tahkisega. Avatud pooridega vahus on poorid üksteisega ühendatud, võimaldades mõnel teisel gaasil või vedelikul vahust läbi voolata. Avatud pooridega vaht on näiteks pesušvamm, suletud pooridega vaht aga näiteks matkamatt, mis tänu suletud pooridele vett ei ima. Sõltuvalt tahke pihuskeskkonna materjalist saab tahket vahtu liigitada keraamiliseks vahuks, metallvahuks, polümeervahuks ja komposiitvahuks. Keraamilises vahus on tahkeks pihuskeskkonnaks keraamilised lähteühendid, näiteks alumiiniumoksiid. Keraamilisi vahtusid kasutatakse filtrina sulametalli eraldamiseks metallide valamisel, samuti aluspinnana katalüüsides, milles on oluline suur sisemine pindala. Metallvahus on tahkeks pihuskeskkonnaks metall, tihti alumiinium. Metallvahud on väga poorsed, tavaliselt moodustab 75–95% materjali ruumalast gaas, mille tõttu on metallvahud ülikerged. Metallvahud säilitavad mõned oma algmaterjali omadused, näiteks mittesüttivast metallist tehtud metallvaht on samuti mittesüttiv ning vahtusid on võimalik ümber töödelda tagasi algmaterjaliks. Avatud pooridega metallvahtudel on mitmesuguseid rakendusi: need on head soojusvahetid ja neelavad energiat, neid kasutatakse kerges optikas ning väga väikeste pooridega metallvahte kasutatakse keemiatööstuses kõrgtemperatuuriliste filtritena. Suletud pooridega metallvahtusid rakendatakse näiteks lööki absorbeeriva materjalina. Materjali kalliduse tõttu kasutatakse seda peamiselt kosmosetööstuses, arenenud tehnoloogiates ja tootmises. Polümeervahus on tahkeks pihuskeskkonnaks polümeer. Polümeervahtusid tehakse nii polüuretaanist, kummist, polüstüreenist kui ka polüvinüülkloriidist. Selliseid vahtusid kasutatakse laialt pehmendusmaterjalidena autodes ning mööblis, samuti pakkimisel ja soojusisolatsioonis. Polümeervahtude tootmiseks kasutatakse kahte meetodit: temperatuuri tõstmist ja kõrget rõhku. Mõlemas tingimuses muutub polümeer vedelaks ning sinna on võimalik lisada gaasi; temperatuuri või rõhu langemisel gaas eraldub ning polümeer taheneb üheaegselt, mille tulemusena moodustub lõpuks käsnalaadne struktuur. Komposiitvahus on lisaks põhilisele tahkele pihuskeskkonnale veel üks tahke faas, mis on üle kogu materjali ühtlaselt jaotunud. Erinevate kiudude või osakeste lisamine vahtu võimaldab suurendada selle tugevust ja vastupidavust. Komposiitvahtudel on palju rakendusi, näiteks avameres nafta ja gaasi puurimine, elektromagnetilise häirimise eest kaitsmine, termiline ja akustiline isolatsioon, niisutamine ja kiht- ehk sandwich-konstruktsioonid ehituses. Vahublokaatorid on ained, mis väikeses koguses vahusüsteemile lisatult kas takistavad vahu tekkimist või hävitavad olemasolevat vahtu. Seda saavutatakse kas mehaaniliste, termiliste või keemiliste vahenditega, millest keemilised vahendid (põhiliselt räni baasil) on kõige efektiivsemad ja enim kasutatud. Lahus T. Briggs, 1996. "Foams: theory, measurements, and applications". New York: Marcel Dekker, lk 465–509 I. D. Morrison, S. Ross, 2002. "Colloidal dispersions: suspensions, emulsions, and foams". New York: Wiley-Interscience. lk 456–459 P. Walstra, 1989. "Principles of foam formation and stability" raamatus "Foams: physics, chemistry and structure". London: Springer, lk 1–16 I. D. Morrison, S. Ross, 2002. "Colloidal dispersions: suspensions, emulsions, and foams". New York: Wiley-Interscience. lk 460–479 J. I. Paredes jt, 2002. "Scanning probe microscopies for the characterization of porous solids: strengths and limitations". Studies in surface science and catalysis 144, lk 1–3 V. Bergeron ja P. Walstra, 2005. "Foams" raamatus "Fundamentals of interface and colloid science" V köide. kirjastus Elsevier, lk 734–737 J. Banhart, 2001. "Manufacture, Characterization and application of cellular metals and metal foams". Progress in materials Science 46 (6), lk 559–632. doi:10.1016/S0079-6425(00)00002-5 M. V. Twigg, J. T. Richardson, 2002. "Theory and Applications of Ceramic Foam Catalysts". Chemical Engineering Research and Design 80 (2), lk 183. doi:10.1205/026387602753501906 W. D. Callister Jr, D. G. Rethwisch, 2014. "Materials Science and Engineering". Asia: John Wiley & Sons, lk 527. G. M. Gladysz, K. K. Chawla, 2004. "Composite Foams" raamatus "Encyclopedia of polymer science and technology". John Wiley & Sons. R.D. Kulkarni jt, 1996. "Science and technology of silicone antifoams" raamatus "Foams: theory, measurements, and applications). New York: Marcel Dekker, lk 556