Пе́ны, грубодисперсные системы с жидкой или твёрдой дисперсионной средой и высокой (более 70 % по объёму) концентрацией газовой дисперсной фазы. Образование пен наиболее характерно для растворов поверхностно-активных веществ (ПАВ), при этом могут получаться пены с различной стабильностью – от нескольких секунд до нескольких часов или даже суток. Чистые жидкости с низкой вязкостью не образуют пены, твёрдые вещества (металлы, полимеры, керамика и т. п.) могут давать пены или пенообразные пористые структуры при охлаждении и/или отверждении. В момент выделения газа из жидкости (если не происходит быстрое отверждение дисперсионной среды) кратковременно может существовать разбавленная дисперсия газа в жидкости – газовая эмульсия, которая претерпевает расслоение, а газовые пузырьки объединяются в более крупные (коалесценция). При всплывании пузырьков образуется слой пены – совокупность заполненных газом ячеек, разделённых плёнками жидкости (пенными плёнками).

Пену получают диспергированием газа в жидкости или конденсацией образующейся газовой фазы в объёме жидкости. При диспергировании (падении струи, перемешивании, барботировании и т. п.) газ механически вовлекается в жидкость. Конденсационные методы получения пены подразделяют на химические и физические. В первом случае газовыделение в жидкости происходит в результате химической реакции (пример: термическое разложение бикарбоната аммония, используемого в качестве разрыхлителя теста); во втором – газ выделяется вследствие понижения растворимости в жидкости (например, при повышении температуры или сбросе давления).

Характеристикой концентрации пены служит показатель кратности К – отношение объёма пены к объёму содержащейся в ней жидкости. Различают пены низкой (К < 10), средней (К ≈ 10–100) и высокой (К > 100) кратности. В низкократных пенах форма пузырьков газа близка к сферической, но по мере стекания жидкости (синерезиса) под действием силы тяжести пузырьки приходят в соприкосновение друг с другом, их стенки уплощаются, образуя плоские пенные плёнки. Стабильность пенных плёнок связана с вязкоупругими свойствами адсорбционных слоёв. Бельгийский физик Ж. Плато показал, что три плоские пенные плёнки сходятся в вогнутый, с треугольным сечением канал под углом около 120° (т. н. каналы Гиббса – Плато), четыре канала – в узел под углом около 109°. По единой системе каналов и узлов осуществляется перенос жидкости в пене. Вытекание жидкости в пенных плёнках происходит в радиальном направлении, т. к. капиллярное давление в каналах ниже, чем в ячейках пены. Большинство ячеек «сухой» (с очень малым содержанием жидкой фазы) монодисперсной пены имеет форму искажённого пентагонального додекаэдра. Неравномерные по толщине стекающие пенные плёнки обычно имеют радужную окраску.

Неравномерные по толщине стекающие пенные плёнки.Неравномерные по толщине стекающие пенные плёнки.В пенах средней кратности бо́льшая часть жидкости стекает по каналам под действием силы тяжести. Очень сухая пена высокой кратности может вовсе не стекать, а, наоборот, всасывать в себя жидкость. Скорость стекания зависит от вязкости жидкости, а также от структурообразования в каналах и пенных плёнках.

Монодисперсность (и, следовательно, одинаковое давление газа в смежных пузырьках) является предпосылкой для высокой устойчивости пены. Тем не менее даже если плёнки не рвутся, пены сокращаются в объёме вследствие диффузии газа или (при достаточной устойчивости) продолжают стекать вплоть до разрыва либо образования слоистых чёрных (перреновских) плёнок. В поперечном сечении чёрная плёнка состоит из плотно упакованных сольватированных адсорбционных слоёв ПАВ, которые разделены тончайшей прослойкой дисперсионной среды и обеспечивают в плёнке расклинивающее давление. Дальнейшее утончение прекращается, и чёрная пенная плёнка при отсутствии испарения, вибрации и других возмущающих воздействий переходит в метастабильное состояние; её толщина может составлять менее 20 нм.

Реологическое поведение, прочностные, оптические, термо- и электроизоляционные свойства пен сильно зависят от их состава, кратности и дисперсности. Пены используются как средства пожаротушения, пылеподавления, изоляции, применяются в пищевой промышленности, обработке полей, пенной флотации, бурении, очистке газоконденсатных скважин, входят в состав косметических, моющих и дезинфицирующих средств. Разнообразное применение находят отверждённые пены – пенопласты, пенобетоны, пенокерамика, пенометаллы и прочие вспененные материалы. Избыточное пенообразование сточных и природных вод служит индикатором их загрязнения.

Алюминиевые металлические пены с открытыми порами. Фото из статьи: August A., Nestler B. About the Surface Area to Volume Relations of Open Cell Foams // Engineering Research Express. 2020. Vol. 2.Алюминиевые металлические пены с открытыми порами. Фото из статьи: August A., Nestler B. About the Surface Area to Volume Relations of Open Cell Foams // Engineering Research Express. 2020. Vol. 2.В ряде процессов, таких как машинная стирка, струйная очистка, окрашивание поверхностей, производство бумаги, упаривание пищевых продуктов, образование пен нежелательно, и для его подавления используют добавки антивспенивателей. Моющие составы с пониженным пенообразованием обычно содержат неионогенные ПАВ. В различных биотехнологических и пищевых производствах практикуют добавление пеногасителей, что позволяет избегать потерь и более эффективно использовать технологическое оборудование. В качестве антивспенивателей и пеногасителей применяют дисперсии кремнийорганических жидкостей и углеводородов, композиции которых нередко усилены добавкой твёрдых частиц (например, тонкодисперсного кремнезёма). Разрушение пен также возможно механическим или ультразвуковым воздействием, обдуванием перегретым паром и другими способами.