Siła skurczu o dowolnej jednostce długości działająca na powierzchnię cieczy nazywana jest napięciem powierzchniowym, a jednostką jest N.·m-1.
Właściwość zmniejszania napięcia powierzchniowego rozpuszczalnika nazywana jest aktywnością powierzchniową, a substancja posiadająca tę właściwość nazywana jest substancją powierzchniowo czynną.
Substancja powierzchniowo czynna, która może wiązać cząsteczki w roztworze wodnym i tworzyć micele i inne asocjacje, a także wykazuje wysoką aktywność powierzchniową, a jednocześnie ma działanie zwilżające, emulgujące, pieniące, myjące itp., nazywana jest środkiem powierzchniowo czynnym.
Surfaktant to związki organiczne o specjalnej budowie i właściwościach, które mogą znacząco zmieniać napięcie międzyfazowe pomiędzy dwiema fazami lub napięcie powierzchniowe cieczy (najczęściej wody), o właściwościach zwilżających, pieniących, emulgujących, myjących i innych.
Pod względem struktury środki powierzchniowo czynne mają wspólną cechę, ponieważ zawierają w swoich cząsteczkach dwie grupy o różnym charakterze. Na jednym końcu znajduje się długi łańcuch grupy niepolarnej, rozpuszczalnej w oleju i nierozpuszczalnej w wodzie, znanej również jako grupa hydrofobowa lub grupa hydrofobowa. Taka grupa hydrofobowa to na ogół długie łańcuchy węglowodorów, czasami także organicznego fluoru, krzemu, fosforanów organicznych, łańcucha cynoorganicznego itp. Na drugim końcu znajduje się grupa rozpuszczalna w wodzie, grupa hydrofilowa lub grupa hydrofobowa. Grupa hydrofilowa musi być wystarczająco hydrofilowa, aby zapewnić, że całe środki powierzchniowo czynne są rozpuszczalne w wodzie i mają niezbędną rozpuszczalność. Ponieważ środki powierzchniowo czynne zawierają grupy hydrofilowe i hydrofobowe, mogą być rozpuszczalne w co najmniej jednej z faz ciekłych. Ta hydrofilowa i lipofilowa właściwość środka powierzchniowo czynnego nazywana jest amfifilowością.
Środek powierzchniowo czynny jest rodzajem cząsteczek amfifilowych zawierających zarówno grupy hydrofobowe, jak i hydrofilowe. Grupy hydrofobowe środków powierzchniowo czynnych składają się na ogół z węglowodorów o długim łańcuchu, takich jak alkil C8-C20 o łańcuchu prostym, alkil C8-C20 o rozgałęzionym łańcuchu, alkilofenyl (liczba atomów węgla alkilu wynosi 8-16) i tym podobne. Różnica, która jest niewielka pomiędzy grupami hydrofobowymi, polega głównie na zmianach strukturalnych łańcuchów węglowodorowych. A rodzajów grup hydrofilowych jest więcej, więc właściwości środków powierzchniowo czynnych są związane głównie z grupami hydrofilowymi, oprócz wielkości i kształtu grup hydrofobowych. Zmiany strukturalne grup hydrofilowych są większe niż grup hydrofobowych, dlatego klasyfikacja środków powierzchniowo czynnych opiera się ogólnie na strukturze grup hydrofilowych. Klasyfikacja ta opiera się na tym, czy grupa hydrofilowa jest jonowa, czy nie, i dzieli się na anionowe, kationowe, niejonowe, obojnacze i inne specjalne rodzaje środków powierzchniowo czynnych.
① Adsorpcja środków powierzchniowo czynnych na granicy faz
Cząsteczki środka powierzchniowo czynnego są cząsteczkami amfifilowymi posiadającymi zarówno grupy lipofilowe, jak i hydrofilowe. Kiedy środek powierzchniowo czynny rozpuszcza się w wodzie, jego grupa hydrofilowa jest przyciągana do wody i rozpuszcza się w wodzie, podczas gdy jego grupa lipofilowa jest odpychana przez wodę i opuszcza wodę, co powoduje adsorpcję cząsteczek środka powierzchniowo czynnego (lub jonów) na granicy faz dwóch faz , co zmniejsza napięcie międzyfazowe pomiędzy dwiema fazami. Im więcej cząsteczek środka powierzchniowo czynnego (lub jonów) jest zaadsorbowanych na granicy faz, tym większa redukcja napięcia międzyfazowego.
② Niektóre właściwości membrany adsorpcyjnej
Ciśnienie powierzchniowe membrany adsorpcyjnej: Adsorpcja środka powierzchniowo czynnego na granicy faz gaz-ciecz w celu utworzenia membrany adsorpcyjnej, na przykład umieszczenie na granicy faz usuwalnego, pływającego arkusza bez tarcia, pływający arkusz popycha membranę adsorbentu wzdłuż powierzchni roztworu, a membrana wytwarza ciśnienie na pływającym arkuszu, co nazywa się naciskiem powierzchniowym.
Lepkość powierzchniowa: Podobnie jak ciśnienie powierzchniowe, lepkość powierzchniowa jest właściwością wykazywaną przez nierozpuszczalną membranę molekularną. Zawieszony na platynowym pierścieniu z cienkiego drutu metalowego, tak aby jego płaszczyzna stykała się z powierzchnią wody w zbiorniku, obracaj platynowy pierścień, platynowy pierścień o lepkość przeszkody wodnej, amplituda stopniowo zanika, zgodnie z czym można określić lepkość powierzchni wymierzony. Metoda jest następująca: najpierw przeprowadza się doświadczenie na powierzchni czystej wody w celu pomiaru zaniku amplitudy, a następnie mierzy się zanik po utworzeniu membrany powierzchniowej, a lepkość membrany powierzchniowej wyprowadza się z różnicy między nimi .
Lepkość powierzchniowa jest ściśle związana ze sztywnością membrany powierzchniowej, a ponieważ membrana adsorpcyjna ma ciśnienie powierzchniowe i lepkość, musi mieć elastyczność. Im wyższe ciśnienie powierzchniowe i im większa lepkość zaadsorbowanej membrany, tym wyższy jest jej moduł sprężystości. Moduł sprężystości powierzchniowej membrany adsorpcyjnej ma znaczenie w procesie stabilizacji pęcherzyków.
③ Tworzenie miceli
Rozcieńczone roztwory środków powierzchniowo czynnych podlegają prawom, jakim podlegają roztwory idealne. Ilość środka powierzchniowo czynnego zaadsorbowanego na powierzchni roztworu wzrasta wraz ze stężeniem roztworu, a gdy stężenie osiągnie lub przekroczy określoną wartość, ilość adsorpcji już nie wzrasta, a te nadmiarowe cząsteczki środka powierzchniowo czynnego znajdują się w roztworze w sposób przypadkowy sposób lub w jakiś regularny sposób. Zarówno praktyka, jak i teoria pokazują, że w roztworze tworzą one asocjacje, które nazywane są micelami.
Krytyczne stężenie miceli (CMC): Minimalne stężenie, przy którym środki powierzchniowo czynne tworzą micele w roztworze, nazywane jest krytycznym stężeniem miceli.
④ Wartości CMC popularnych środków powierzchniowo czynnych.
HLB jest skrótem od terminu hydrofilowy lipofilowy, który wskazuje równowagę hydrofilową i lipofilową grup hydrofilowych i lipofilowych środka powierzchniowo czynnego, tj. wartość HLB środka powierzchniowo czynnego. Duża wartość HLB wskazuje cząsteczkę o silnej hydrofilowości i słabej lipofilowości; i odwrotnie, silna lipofilowość i słaba hydrofilowość.
① Postanowienia dotyczące wartości HLB
Wartość HLB jest wartością względną, zatem przy opracowywaniu wartości HLB jako standard przyjmuje się, że wartość HLB parafiny, która nie ma właściwości hydrofilowych, wynosi 0, natomiast wartość HLB dodecylosiarczanu sodu, który jest bardziej rozpuszczalny w wodzie wynosi 40. Dlatego też wartość HLB środków powierzchniowo czynnych mieści się na ogół w zakresie od 1 do 40. Ogólnie rzecz biorąc, emulgatory o wartościach HLB mniejszych niż 10 są lipofilowe, natomiast te powyżej 10 są hydrofilowe. Zatem punkt zwrotny od lipofilowego do hydrofilowego wynosi około 10.
Na podstawie wartości HLB środków powierzchniowo czynnych można uzyskać ogólny pogląd na ich możliwe zastosowania, jak pokazano w tabeli 1-3.
Dwie wzajemnie nierozpuszczalne ciecze, jedna rozproszona w drugiej w postaci cząstek (kropelek lub ciekłych kryształów), tworzą układ zwany emulsją. Układ ten jest niestabilny termodynamicznie ze względu na wzrost obszaru granicznego dwóch cieczy podczas tworzenia emulsji. Aby emulsja była stabilna należy dodać trzeci składnik - emulgator w celu zmniejszenia energii międzyfazowej układu. Emulgator należy do środków powierzchniowo czynnych, jego główną funkcją jest pełnienie roli emulsji. Faza emulsji występująca w postaci kropelek nazywana jest fazą rozproszoną (lub fazą wewnętrzną, fazą nieciągłą), a druga faza, która jest ze sobą połączona, nazywana jest ośrodkiem dyspersyjnym (lub fazą zewnętrzną, fazą ciągłą).
① Emulgatory i emulsje
Powszechnie stosowane emulsje, jedna faza to woda lub roztwór wodny, druga faza to substancje organiczne niemieszające się z wodą, takie jak tłuszcz, wosk itp. Emulsję utworzoną przez wodę i olej można podzielić na dwa typy w zależności od sposobu ich dyspersji: olej zdyspergowana w wodzie z wytworzeniem emulsji typu olej w wodzie, wyrażona jako O/W (olej/woda): woda zdyspergowana w oleju z wytworzeniem emulsji typu olej w wodzie, wyrażona jako W/O (woda/olej). Można również tworzyć złożone multiemulsje typu woda w oleju w wodzie W/O/W i typu olej w wodzie w oleju O/W/O.
Emulgatory służą do stabilizacji emulsji poprzez zmniejszenie napięcia międzyfazowego i utworzenie jednocząsteczkowej membrany międzyfazowej.
W emulgowaniu wymagania emulgatora:
a: Emulgator musi być w stanie zaadsorbować lub wzbogacić granicę między dwiema fazami, tak aby zmniejszyć napięcie międzyfazowe;
b: Emulgator musi nadać cząstkom ładunek, tak aby nastąpiło odpychanie elektrostatyczne pomiędzy cząstkami lub utworzył wokół cząstek stabilną, bardzo lepką membranę ochronną.
Dlatego substancja stosowana jako emulgator musi posiadać grupy amfifilowe, aby emulgować, a środki powierzchniowo czynne mogą spełnić ten wymóg.
② Metody wytwarzania emulsji i czynniki wpływające na stabilność emulsji
Istnieją dwa sposoby przygotowania emulsji: jeden polega na zastosowaniu metody mechanicznej w celu rozproszenia cieczy w drobnych cząsteczkach w innej cieczy, która jest najczęściej stosowana w przemyśle do wytwarzania emulsji; drugim jest rozpuszczenie cieczy w stanie molekularnym w innej cieczy, a następnie odpowiednie zebranie się w emulsję.
Stabilność emulsji to zdolność do zapobiegania agregacji cząstek, która prowadzi do rozdzielenia faz. Emulsje są termodynamicznie niestabilnymi układami o dużej energii swobodnej. Dlatego tak zwana stabilność emulsji to tak naprawdę czas potrzebny do osiągnięcia przez układ stanu równowagi, czyli czas potrzebny do zajścia oddzielenia się jednej z cieczy w układzie.
Gdy membrana międzyfazowa zawiera alkohole tłuszczowe, kwasy tłuszczowe i aminy tłuszczowe oraz inne polarne cząsteczki organiczne, wytrzymałość membrany jest znacznie wyższa. Dzieje się tak dlatego, że w międzyfazowej warstwie adsorpcyjnej cząsteczki emulgatora i alkohole, kwasy i aminy oraz inne cząsteczki polarne tworzą „kompleks”, dzięki czemu wzrasta wytrzymałość membrany międzyfazowej.
Emulgatory składające się z więcej niż dwóch środków powierzchniowo czynnych nazywane są emulgatorami mieszanymi. Mieszany emulgator zaadsorbowany na granicy faz woda/olej; działanie międzycząsteczkowe może tworzyć kompleksy. Ze względu na silne działanie międzycząsteczkowe znacznie zmniejsza się napięcie międzyfazowe, znacznie zwiększa się ilość emulgatora zaadsorbowanego na granicy faz, zwiększa się tworzenie gęstości błony międzyfazowej, wzrasta wytrzymałość.
Ładunek ciekłych perełek ma znaczący wpływ na stabilność emulsji. Stabilne emulsje, których ciekłe perełki są na ogół naładowane. Gdy stosuje się emulgator jonowy, jon emulgatora zaadsorbowany na granicy faz ma swoją grupę lipofilową wprowadzoną do fazy olejowej, a grupa hydrofilowa znajduje się w fazie wodnej, dzięki czemu ciekłe kulki są naładowane. Podobnie jak kulki emulsyjne o tym samym ładunku, odpychają się one od siebie, niełatwo je aglomerować, przez co zwiększa się stabilność. Można zauważyć, że im więcej jonów emulgatora zaadsorbowanych na kulkach, tym większy ładunek, tym większa zdolność zapobiegania aglomeracji kulek, tym bardziej stabilny układ emulsyjny.
Lepkość ośrodka dyspergującego emulsję ma pewien wpływ na stabilność emulsji. Ogólnie rzecz biorąc, im wyższa lepkość ośrodka dyspersyjnego, tym wyższa stabilność emulsji. Dzieje się tak dlatego, że lepkość ośrodka dyspersyjnego jest duża, co silnie wpływa na ruch Browna ciekłych kulek i spowalnia zderzenie pomiędzy ciekłymi kulkami, dzięki czemu układ pozostaje stabilny. Zwykle substancje polimerowe, które można rozpuścić w emulsjach, mogą zwiększać lepkość układu i zwiększać stabilność emulsji. Ponadto polimery mogą również tworzyć mocną membranę międzyfazową, dzięki czemu układ emulsyjny jest bardziej stabilny.
W niektórych przypadkach dodatek stałego proszku może również spowodować, że emulsja będzie miała tendencję do stabilizacji. Stały proszek znajduje się w wodzie, oleju lub na granicy faz, w zależności od oleju, woda w zależności od zdolności zwilżania stałego proszku, jeśli stały proszek nie jest całkowicie zwilżony wodą, ale także zwilżony olejem, pozostanie na wodzie i oleju interfejs.
Stały proszek nie sprawia, że emulsja jest stabilna, ponieważ proszek zebrany na granicy faz wzmacnia membranę międzyfazową, co jest podobne do międzyfazowej adsorpcji cząsteczek emulgatora, więc im bliżej stały materiał w proszku jest ułożony na granicy faz, tym bardziej stabilny emulsja jest.
Surfaktanty mają zdolność znacznego zwiększania rozpuszczalności nierozpuszczalnych lub słabo rozpuszczalnych w wodzie substancji organicznych po utworzeniu miceli w roztworze wodnym, a roztwór jest w tym momencie przezroczysty. Ten efekt miceli nazywany jest solubilizacją. Środek powierzchniowo czynny, który może powodować solubilizację, nazywany jest solubilizatorem, a rozpuszczona materia organiczna nazywana jest materią solubilizowaną.
Piana odgrywa ważną rolę w procesie prania. Piana to układ dyspersyjny, w którym gaz jest rozproszony w cieczy lub w ciele stałym, przy czym gaz stanowi fazę rozproszoną, a ciecz lub ciało stałe jako ośrodek dyspergujący, przy czym ten pierwszy nazywa się pianką płynną, a drugi pianką stałą, np. jak spienione tworzywa sztuczne, spienione szkło, spieniony cement itp.
(1) Tworzenie się piany
Przez piankę rozumiemy tutaj agregat pęcherzyków powietrza oddzielonych płynną membraną. Ten rodzaj pęcherzyków zawsze szybko unosi się do powierzchni cieczy ze względu na dużą różnicę gęstości pomiędzy fazą rozproszoną (gazem) a ośrodkiem dyspersyjnym (cieczą) w połączeniu z niską lepkością cieczy.
Proces formowania się pęcherzyka polega na wprowadzeniu do cieczy dużej ilości gazu, a pęcherzyki w cieczy szybko wracają na powierzchnię, tworząc agregat pęcherzyków oddzielonych niewielką ilością ciekłego gazu.
Piana ma dwie istotne cechy pod względem morfologii: po pierwsze, pęcherzyki jako faza rozproszona mają często kształt wielościenny, ponieważ na przecięciu pęcherzyków istnieje tendencja do rozrzedzania się warstwy cieczy, w wyniku czego pęcherzyki stają się wielościenny, gdy warstwa cieczy rozrzedzi się w pewnym stopniu, prowadzi to do pęknięcia pęcherzyków; po drugie, czyste ciecze nie mogą tworzyć stabilnej piany, a ciecz, która może tworzyć pianę, składa się z co najmniej dwóch lub więcej składników. Wodne roztwory środków powierzchniowo czynnych są typowe dla układów skłonnych do tworzenia piany, a ich zdolność do wytwarzania piany jest związana także z innymi właściwościami.
Środki powierzchniowo czynne o dobrej sile pienienia nazywane są środkami spieniającymi. Chociaż środek spieniający ma dobrą zdolność pienienia, ale utworzona pianka może nie być w stanie utrzymać się przez długi czas, to znaczy jej stabilność niekoniecznie jest dobra. Aby zachować stabilność pianki, często do środka spieniającego dodaje się substancje, które mogą zwiększyć stabilność pianki, substancję nazywa się stabilizatorem piany, powszechnie stosowanym stabilizatorem jest laurylodietanoloamina i tlenek dodecylodimetyloaminy.
(2) Stabilność pianki
Piana jest układem niestabilnym termodynamicznie i ostatecznym trendem jest to, że całkowita powierzchnia cieczy w układzie zmniejsza się po przebiciu pęcherzyka i zmniejszeniu się energii swobodnej. Proces odpieniania to proces, w wyniku którego płynna membrana oddzielająca gaz staje się coraz grubsza i cieńsza, aż do pęknięcia. Dlatego o stopniu stabilności pianki decyduje głównie prędkość wypływu cieczy i wytrzymałość filmu cieczy. Wpływ na to mają również następujące czynniki.
(3) Zniszczenie piany
Podstawową zasadą niszczenia piany jest zmiana warunków powstawania piany lub wyeliminowanie czynników stabilizujących pianę, dlatego istnieją zarówno fizyczne, jak i chemiczne metody odpieniania.
Odpienianie fizyczne oznacza zmianę warunków wytwarzania piany przy zachowaniu składu chemicznego roztworu piany, na przykład zakłócenia zewnętrzne, zmiany temperatury lub ciśnienia, a także obróbka ultradźwiękowa to skuteczne fizyczne metody eliminacji piany.
Chemiczna metoda odpieniania polega na dodaniu pewnych substancji, które wchodzą w interakcję ze środkiem spieniającym, aby zmniejszyć wytrzymałość filmu cieczy w piance, a tym samym zmniejszyć stabilność pianki, aby osiągnąć cel odpieniania. Substancje takie nazywane są środkami przeciwpieniącymi. Większość środków przeciwpieniących to środki powierzchniowo czynne. Dlatego zgodnie z mechanizmem odpieniania, środek przeciwpieniący powinien charakteryzować się dużą zdolnością do zmniejszania napięcia powierzchniowego, łatwą adsorbcją na powierzchni, a oddziaływanie między cząsteczkami adsorpcji powierzchniowej jest słabe, cząsteczki adsorpcyjne ułożone w bardziej luźną strukturę.
Istnieje wiele rodzajów środków przeciwpieniących, ale zasadniczo wszystkie są niejonowymi środkami powierzchniowo czynnymi. Niejonowe środki powierzchniowo czynne mają właściwości przeciwpieniące w pobliżu lub powyżej temperatury zmętnienia i są często stosowane jako środki przeciwpieniące. Jako doskonałe środki przeciwpieniące powszechnie stosuje się również alkohole, zwłaszcza alkohole o strukturze rozgałęzionej, kwasy tłuszczowe i estry kwasów tłuszczowych, poliamidy, estry fosforanowe, oleje silikonowe itp.
(4) Piana i mycie
Nie ma bezpośredniego związku pomiędzy pianą a efektywnością prania, a ilość piany nie świadczy o efektywności prania. Na przykład niejonowe środki powierzchniowo czynne mają znacznie mniej właściwości pieniących niż mydła, ale ich odkażanie jest znacznie lepsze niż mydła.
W niektórych przypadkach pianka może być pomocna w usuwaniu brudu i brudu. Na przykład podczas mycia naczyń w domu piana detergentu zbiera kropelki oleju, a podczas szorowania dywanów pianka pomaga zbierać kurz, proszek i inne stałe zabrudzenia. Ponadto pianę można czasami wykorzystać jako wskaźnik skuteczności detergentu. Ponieważ oleje tłuszczowe hamują pienienie się detergentu, gdy będzie za dużo oleju, a za mało detergentu, piana nie będzie się wytwarzać lub pierwotna piana zniknie. Piana może być również czasami stosowana jako wskaźnik czystości płukania, ponieważ ilość piany w roztworze do płukania ma tendencję do zmniejszania się wraz ze zmniejszaniem się ilości detergentu, zatem ilość piany można wykorzystać do oceny stopnia płukania.
W szerokim znaczeniu mycie to proces usuwania niepożądanych składników z mytego przedmiotu i osiągania określonego celu. Mycie w potocznym rozumieniu odnosi się do procesu usuwania brudu z powierzchni nośnika. Podczas prania oddziaływanie brudu z nośnikiem zostaje osłabione lub wyeliminowane przez działanie niektórych substancji chemicznych (np. detergentów itp.), w wyniku czego połączenie brudu i nośnika zostaje zamienione na połączenie brudu i detergentu, a na koniec brud zostaje oddzielony od nośnika. Ponieważ myte przedmioty i usuwane zabrudzenia są różnorodne, mycie jest procesem bardzo złożonym, a podstawowy proces mycia można wyrazić następującymi prostymi zależnościami.
Carrie··Brud + Detergent= Nośnik + Brud·Detergent
Proces prania można zazwyczaj podzielić na dwa etapy: po pierwsze, pod działaniem detergentu następuje oddzielenie brudu od jego nośnika; po drugie, oderwany brud zostaje rozproszony i zawieszony w medium. Proces mycia jest procesem odwracalnym i rozproszony i zawieszony w medium brud może również zostać ponownie wytrącony z medium na myty przedmiot. Dlatego dobry detergent powinien mieć zdolność rozpraszania i zawieszania brudu oraz zapobiegania ponownemu osadzaniu się brudu, a także zdolność usuwania brudu z nośnika.
(1) Rodzaje zabrudzeń
Nawet w przypadku tego samego przedmiotu rodzaj, skład i ilość zanieczyszczeń mogą się różnić w zależności od środowiska, w którym jest używany. Zanieczyszczenia oleiste to głównie niektóre oleje zwierzęce i roślinne oraz oleje mineralne (takie jak ropa naftowa, olej opałowy, smoła węglowa itp.), zabrudzenia stałe to głównie sadza, popiół, rdza, sadza itp. Jeśli chodzi o zabrudzenia odzieżowe, znajdują się brudy z ludzkiego ciała, takie jak pot, sebum, krew itp.; zabrudzenia z żywności takie jak plamy po owocach, plamy z oleju kuchennego, plamy z przypraw, skrobia itp.; zabrudzenia po kosmetykach typu szminka, lakier do paznokci itp.; brud z atmosfery, taki jak sadza, kurz, błoto itp.; inne, takie jak atrament, herbata, powłoka itp. Występuje w różnych typach.
Różne rodzaje brudu można zazwyczaj podzielić na trzy główne kategorie: brud stały, brud płynny i brud specjalny.
① Solidny brud
Typowy stały brud zawiera cząstki popiołu, błota, ziemi, rdzy i sadzy. Większość tych cząstek ma ładunek elektryczny na swojej powierzchni, większość z nich jest naładowana ujemnie i mogą być łatwo adsorbowane na elementach włóknistych. Stały brud jest na ogół trudny do rozpuszczenia w wodzie, ale może zostać rozproszony i zawieszony w roztworach detergentów. Stały brud o mniejszym punkcie masy jest trudniejszy do usunięcia.
② Płynny brud
Zanieczyszczenia płynne są w większości rozpuszczalne w olejach, w tym olejach roślinnych i zwierzęcych, kwasach tłuszczowych, alkoholach tłuszczowych, olejach mineralnych i ich tlenkach. Wśród nich mogą wystąpić oleje roślinne i zwierzęce, kwasy tłuszczowe i zasady zmydlania, natomiast alkohole tłuszczowe, oleje mineralne nie są zmydlane zasadami, ale mogą być rozpuszczalne w alkoholach, eterach i węglowodorowych rozpuszczalnikach organicznych oraz emulgować i dyspergować wodne roztwory detergentów. Rozpuszczalny w oleju płynny brud ma na ogół dużą siłę oddziaływania na elementy włókniste i jest mocniej adsorbowany na włóknach.
③ Specjalny brud
Do zanieczyszczeń specjalnych zaliczają się białka, skrobia, krew, wydzieliny ludzkie takie jak pot, sebum, mocz oraz sok owocowy i sok herbaciany. Większość tego typu zabrudzeń może być chemicznie i silnie adsorbowana na przedmiotach włóknistych. Dlatego trudno jest go umyć.
Różne rodzaje brudu rzadko występują pojedynczo, ale często są mieszane razem i adsorbowane na przedmiocie. Brud może czasami utlenić się, rozłożyć lub zepsuć pod wpływem czynników zewnętrznych, tworząc w ten sposób nowy brud.
（2）Przyczepność brudu
Ubrania, ręce itp. mogą zostać poplamione, ponieważ istnieje pewien rodzaj interakcji pomiędzy przedmiotem a brudem. Brud przylega do przedmiotów na różne sposoby, ale istnieją jedynie adhezje fizyczne i chemiczne.
①Przyczepność sadzy, kurzu, błota, piasku i węgla drzewnego do odzieży jest przyczepnością fizyczną. Ogólnie rzecz biorąc, dzięki temu przyleganiu brudu, a rola zabrudzonego przedmiotu jest stosunkowo niewielka, usunięcie brudu jest również stosunkowo łatwe. W zależności od różnych sił, fizyczne przyleganie brudu można podzielić na przyczepność mechaniczną i przyczepność elektrostatyczną.
Odp.: Przyczepność mechaniczna
Ten rodzaj przyczepności odnosi się głównie do przyczepności niektórych stałych zanieczyszczeń (np. kurzu, błota i piasku). Przyczepność mechaniczna jest jedną ze słabszych form przylegania brudu i można ją usunąć niemal metodami czysto mechanicznymi, jednak gdy brud jest mały (<0,1um), jest trudniejszy do usunięcia.
B: Przyczepność elektrostatyczna
Adhezja elektrostatyczna objawia się głównie działaniem naładowanych cząstek brudu na przeciwnie naładowane obiekty. Większość obiektów włóknistych jest w wodzie naładowana ujemnie i mogą do nich łatwo przylegać niektóre dodatnio naładowane zabrudzenia, takie jak rodzaje wapna. Niektóre zabrudzenia, choć ujemnie naładowane, np. cząstki sadzy w roztworach wodnych, mogą przylegać do włókien poprzez mostki jonowe (jony pomiędzy wieloma przeciwnie naładowanymi obiektami, działającymi razem z nimi w sposób mostkowy) utworzone przez jony dodatnie w wodzie (np. , Ca2+, Mg2+ itp.).
Działanie elektrostatyczne jest silniejsze niż zwykłe działanie mechaniczne, co sprawia, że usuwanie brudu jest stosunkowo trudne.
② Przyczepność chemiczna
Adhezja chemiczna to zjawisko oddziaływania brudu na przedmiot poprzez wiązania chemiczne lub wodorowe. Na przykład polarny stały brud, białko, rdza i inne przyleganie do elementów włóknistych, włókna zawierają grupy karboksylowe, hydroksylowe, amidowe i inne, grupy te i brud oleisty, kwasy tłuszczowe, alkohole tłuszczowe łatwo tworzą wiązania wodorowe. Siły chemiczne są na ogół duże, dlatego brud jest mocniej związany z przedmiotem. Tego typu zabrudzenia są trudne do usunięcia zwykłymi metodami i wymagają specjalnych metod, aby się z nimi uporać.
Stopień przylegania brudu jest związany z naturą samego brudu i rodzajem przedmiotu, do którego jest przyklejony. Generalnie cząstki łatwo przylegają do elementów włóknistych. Im mniejsza tekstura stałego brudu, tym silniejsza przyczepność. Brud polarny na przedmiotach hydrofilowych, takich jak bawełna i szkło, przylega silniej niż brud niepolarny. Brud niepolarny przylega mocniej niż brud polarny, taki jak tłuszcze polarne, kurz i glina, i jest trudniejszy do usunięcia i oczyszczenia.
(3) Mechanizm usuwania brudu
Celem prania jest usunięcie brudu. W ośrodku o określonej temperaturze (głównie wodzie). Wykorzystanie różnych efektów fizycznych i chemicznych detergentu w celu osłabienia lub wyeliminowania działania brudu i umytych przedmiotów pod wpływem określonych sił mechanicznych (takich jak pocieranie dłoni, poruszanie pralką, uderzenie wody), tak aby brud i umyte przedmioty od celu dekontaminacji.
① Mechanizm usuwania płynnych zanieczyszczeń
Odp.: zwilżanie
Płynne zabrudzenia powstają głównie na bazie oleju. Plamy oleju zwilżają większość elementów włóknistych i rozprzestrzeniają się mniej więcej w postaci filmu olejowego na powierzchni materiału włóknistego. Pierwszym etapem działania myjącego jest zwilżenie powierzchni płynem myjącym. Dla ilustracji powierzchnię włókna można traktować jako gładką, stałą powierzchnię.
B: Oddzielenie oleju – mechanizm zwijania
Drugim etapem działania myjącego jest usunięcie oleju i smaru, usunięcie płynnych zabrudzeń uzyskuje się poprzez swego rodzaju zwijanie. Płynny brud pierwotnie występował na powierzchni w postaci rozprzestrzenionego filmu olejowego i pod wpływem preferencyjnego zwilżającego działania płynu myjącego na powierzchnię stałą (tj. powierzchnię włókien) stopniowo zwijał się w kulki oleju, które zostały zastąpione przez płyn myjący i ostatecznie opuściły powierzchnię pod wpływem pewnych sił zewnętrznych.
② Mechanizm usuwania zanieczyszczeń stałych
Usuwanie brudu płynnego odbywa się głównie poprzez preferencyjne zwilżanie nośnika brudu roztworem myjącym, natomiast w przypadku brudu stałego mechanizm usuwania jest inny, gdzie proces mycia polega głównie na zwilżaniu masy brudu i powierzchni jej nośnika przez mycie rozwiązanie. W wyniku adsorpcji środków powierzchniowo czynnych na zabrudzeniu stałym i jego powierzchni nośnika, oddziaływanie brudu z powierzchnią ulega zmniejszeniu i zmniejsza się siła przylegania masy brudu do powierzchni, dzięki czemu masa brudu jest łatwo usuwana z powierzchni przewoźnik.
Ponadto adsorpcja środków powierzchniowo czynnych, zwłaszcza jonowych, na powierzchni brudu stałego i jego nośnika może potencjalnie zwiększyć potencjał powierzchniowy na powierzchni brudu stałego i jego nośnika, co bardziej sprzyja usuwaniu zanieczyszczeń brud. Powierzchnie stałe lub ogólnie włókniste są zwykle naładowane ujemnie w środowisku wodnym i dlatego mogą tworzyć rozproszone podwójne warstwy elektroniczne na masach brudu lub stałych powierzchniach. W wyniku odpychania jednorodnych ładunków przyczepność cząstek brudu znajdujących się w wodzie do powierzchni ciała stałego ulega osłabieniu. Po dodaniu anionowego środka powierzchniowo czynnego, ponieważ może on jednocześnie zwiększyć ujemny potencjał powierzchniowy cząsteczki brudu i powierzchni stałej, odpychanie między nimi jest bardziej wzmocnione, siła przylegania cząsteczki jest bardziej zmniejszona, a brud jest łatwiejszy do usunięcia .
Niejonowe środki powierzchniowo czynne są adsorbowane na ogólnie naładowanych powierzchniach stałych i chociaż nie zmieniają znacząco potencjału międzyfazowego, zaadsorbowane niejonowe środki powierzchniowo czynne mają tendencję do tworzenia na powierzchni określonej grubości zaadsorbowanej warstwy, co pomaga zapobiegać ponownemu osadzaniu się brudu.
W przypadku kationowych środków powierzchniowo czynnych ich adsorpcja zmniejsza lub eliminuje ujemny potencjał powierzchniowy masy brudu i jej powierzchni nośnej, co zmniejsza odpychanie brudu od powierzchni i w związku z tym nie sprzyja usuwaniu brudu; ponadto, po adsorpcji na powierzchni stałej, kationowe środki powierzchniowo czynne mają tendencję do nadawania powierzchni stałej hydrofobowości i dlatego nie sprzyjają zwilżaniu powierzchni, a zatem myciu.
③ Usuwanie specjalnych zabrudzeń
Białko, skrobia, wydzieliny ludzkie, soki owocowe, soki herbaciane i inne tego typu zabrudzenia są trudne do usunięcia zwykłymi środkami powierzchniowo czynnymi i wymagają specjalnego traktowania.
Plamy białkowe, takie jak śmietana, jajka, krew, mleko i odchody skóry, mają tendencję do koagulacji na włóknach i degeneracji oraz uzyskania silniejszej przyczepności. Zabrudzenia białkowe można usunąć za pomocą proteaz. Enzym proteaza rozkłada białka zawarte w brudzie na rozpuszczalne w wodzie aminokwasy lub oligopeptydy.
Plamy ze skrobi pochodzą głównie z artykułów spożywczych, takich jak sos, klej itp. Amylaza ma działanie katalityczne na hydrolizę plam ze skrobi, powodując rozkład skrobi na cukry.
Lipaza katalizuje rozkład trójglicerydów, które są trudne do usunięcia normalnymi metodami, takimi jak sebum i oleje jadalne, i rozkłada je na rozpuszczalny glicerol i kwasy tłuszczowe.
Niektóre kolorowe plamy po sokach owocowych, sokach herbacianych, tuszach, szminkach itp. często są trudne do dokładnego oczyszczenia nawet po wielokrotnym praniu. Plamy te można usunąć w reakcji redoks ze środkiem utleniającym lub redukującym, takim jak wybielacz, który niszczy strukturę grup generujących kolor lub grup pomocniczych i rozkłada je na mniejsze składniki rozpuszczalne w wodzie.
(4) Mechanizm usuwania plam w przypadku czyszczenia na sucho
Powyższe dotyczy właściwie wody jako środka myjącego. W rzeczywistości, ze względu na różne rodzaje odzieży i konstrukcję, niektóre ubrania poddane praniu wodą nie są wygodne lub trudne do wyprania w czystości, niektóre po praniu ulegają nawet deformacji, blaknięciu itp., na przykład: większość włókien naturalnych wchłania wodę i łatwo pęcznieje, wysycha i łatwo się kurczy, przez co po praniu ulegnie deformacji; podczas prania wyrobów wełnianych często pojawia się zjawisko kurczenia się, niektóre produkty wełniane po praniu wodnym łatwo się mechacą, zmieniają kolor; Niektóre jedwabie pogarszają uczucie dłoni po praniu i tracą połysk. W przypadku tych ubrań często stosuje się metodę czyszczenia chemicznego w celu odkażania. Tak zwane czyszczenie chemiczne ogólnie odnosi się do metody prania w rozpuszczalnikach organicznych, zwłaszcza w rozpuszczalnikach niepolarnych.
Czyszczenie chemiczne jest delikatniejszą formą prania niż mycie wodą. Ponieważ czyszczenie na sucho nie wymaga dużych działań mechanicznych, nie powoduje uszkodzeń, marszczenia i deformacji odzieży, a środki do czyszczenia na sucho, w przeciwieństwie do wody, rzadko powodują rozszerzanie i kurczenie się. Przy właściwym zastosowaniu tej technologii ubrania można czyścić chemicznie bez zniekształceń, blaknięcia kolorów i wydłużonej żywotności.
Jeśli chodzi o czyszczenie chemiczne, istnieją trzy główne rodzaje zabrudzeń.
①Brud rozpuszczalny w oleju Brud rozpuszczalny w oleju obejmuje wszelkiego rodzaju oleje i smary, które są płynne lub tłuste i można je rozpuścić w rozpuszczalnikach do czyszczenia na sucho.
② Brud rozpuszczalny w wodzie Brud rozpuszczalny w wodzie jest rozpuszczalny w roztworach wodnych, ale nie w środkach do czyszczenia na sucho, adsorbuje się na odzieży w stanie wodnym, woda odparowuje po wytrąceniu się ziarnistych ciał stałych, takich jak sole nieorganiczne, skrobia, białko itp.
③Brud nierozpuszczalny w oleju i wodzie Brud nierozpuszczalny w oleju i wodzie nie jest rozpuszczalny w wodzie ani w rozpuszczalnikach do czyszczenia na sucho, takich jak sadza, krzemiany różnych metali i tlenki itp.
Ze względu na odmienny charakter poszczególnych rodzajów zabrudzeń, istnieją różne sposoby usuwania zabrudzeń w procesie czyszczenia chemicznego. Zanieczyszczenia rozpuszczalne w olejach, takie jak oleje zwierzęce i roślinne, oleje mineralne i tłuszcze, są łatwo rozpuszczalne w rozpuszczalnikach organicznych i można je łatwiej usunąć podczas czyszczenia na sucho. Doskonała rozpuszczalność rozpuszczalników do czyszczenia na sucho olejów i smarów wynika zasadniczo z sił van der Wallsa pomiędzy cząsteczkami.
Aby usunąć zabrudzenia rozpuszczalne w wodzie, takie jak sole nieorganiczne, cukry, białka i pot, do środka czyszczącego należy dodać także odpowiednią ilość wody, w przeciwnym razie zabrudzenia rozpuszczalne w wodzie będą trudne do usunięcia z odzieży. Woda jest jednak trudno rozpuszczalna w środku czyszczącym, dlatego aby zwiększyć ilość wody należy dodać także środki powierzchniowo czynne. Obecność wody w środku pralniczym może spowodować nawilżenie powierzchni brudu i odzieży, dzięki czemu łatwo wchodzi w interakcję z polarnymi grupami środków powierzchniowo czynnych, co sprzyja adsorpcji środków powierzchniowo czynnych na powierzchni. Ponadto, gdy środki powierzchniowo czynne tworzą micele, w micelach można solubilizować rozpuszczalny w wodzie brud i wodę. Oprócz zwiększania zawartości wody w rozpuszczalniku do czyszczenia na sucho, środki powierzchniowo czynne mogą również odgrywać rolę w zapobieganiu ponownemu osadzaniu się brudu, wzmacniając efekt odkażania.
Do usunięcia zabrudzeń rozpuszczalnych w wodzie konieczna jest obecność niewielkiej ilości wody, jednak zbyt duża ilość wody może powodować zniekształcenia i zagniecenia niektórych ubrań, dlatego ilość wody w płynie do czyszczenia chemicznego musi być umiarkowana.
Brud, który nie jest rozpuszczalny w wodzie ani w oleju, cząstki stałe, takie jak popiół, błoto, ziemia i sadza, zazwyczaj przyczepiają się do odzieży za pomocą sił elektrostatycznych lub w połączeniu z olejem. Podczas czyszczenia na sucho przepływ rozpuszczalnika i uderzenie mogą spowodować adsorpcję brudu pod wpływem siły elektrostatycznej, a środek do czyszczenia na sucho może rozpuścić olej, w wyniku czego połączenie oleju i brudu oraz cząstki stałe przyczepione do odzieży zostaną usunięte na sucho -środek czyszczący, środek do czyszczenia na sucho w niewielkiej ilości wody i środków powierzchniowo czynnych, dzięki czemu z cząstek stałych brudu może powstać stabilna zawiesina, dyspersja, zapobiegająca jego ponownemu osadzaniu się na odzieży.
(5) Czynniki wpływające na działanie prania
Kierunkowa adsorpcja środków powierzchniowo czynnych na granicy faz oraz redukcja napięcia powierzchniowego (międzyfazowego) to główne czynniki usuwania zanieczyszczeń płynnych lub stałych. Jednak proces prania jest złożony i na efekt prania, nawet przy użyciu tego samego rodzaju detergentu, wpływa wiele innych czynników. Czynniki te obejmują stężenie detergentu, temperaturę, rodzaj zabrudzenia, rodzaj włókna i strukturę tkaniny.
① Stężenie środka powierzchniowo czynnego
Micele środków powierzchniowo czynnych w roztworze odgrywają ważną rolę w procesie prania. Gdy stężenie osiągnie krytyczne stężenie miceli (CMC), efekt prania gwałtownie wzrasta. Dlatego też, aby uzyskać dobry efekt prania, stężenie detergentu w rozpuszczalniku powinno być wyższe niż wartość CMC. Jeżeli jednak stężenie środka powierzchniowo czynnego jest wyższe niż wartość CMC, przyrostowy wzrost efektu prania nie jest oczywisty i nie jest konieczne nadmierne zwiększanie stężenia środka powierzchniowo czynnego.
Podczas usuwania oleju poprzez solubilizację, efekt solubilizacji wzrasta wraz ze wzrostem stężenia środka powierzchniowo czynnego, nawet gdy stężenie przekracza CMC. W tym momencie zaleca się stosowanie detergentu w sposób lokalny i scentralizowany. Na przykład, jeśli na mankietach i kołnierzu odzieży jest dużo brudu, podczas prania można nałożyć warstwę detergentu, aby zwiększyć działanie solubilizujące środka powierzchniowo czynnego na olej.
②Temperatura ma bardzo istotny wpływ na działanie odkażające. Ogólnie rzecz biorąc, podniesienie temperatury ułatwia usunięcie zanieczyszczeń, ale czasami zbyt wysoka temperatura może również powodować wady.
Wzrost temperatury ułatwia dyfuzję brudu, stały smar łatwo emulguje w temperaturach powyżej jego temperatury topnienia, a włókna pod wpływem wzrostu temperatury zwiększają pęcznienie, co ułatwia usuwanie brudu. Jednakże w przypadku tkanin zwartych mikroszczeliny między włóknami zmniejszają się w miarę rozszerzania się włókien, co jest szkodliwe dla usuwania brudu.
Zmiany temperatury wpływają również na rozpuszczalność, wartość CMC i wielkość miceli środków powierzchniowo czynnych, wpływając tym samym na efekt prania. Rozpuszczalność środków powierzchniowo czynnych o długich łańcuchach węglowych jest niska w niskich temperaturach, a czasami jest nawet niższa niż wartość CMC, dlatego należy odpowiednio podnieść temperaturę prania. Wpływ temperatury na wartość CMC i wielkość miceli jest inny dla jonowych i niejonowych środków powierzchniowo czynnych. W przypadku jonowych środków powierzchniowo czynnych wzrost temperatury na ogół zwiększa wartość CMC i zmniejsza wielkość miceli, co oznacza, że należy zwiększyć stężenie środka powierzchniowo czynnego w roztworze myjącym. W przypadku niejonowych środków powierzchniowo czynnych wzrost temperatury prowadzi do spadku wartości CMC i znacznego wzrostu objętości miceli, zatem jasne jest, że odpowiedni wzrost temperatury pomoże niejonowemu związkowi powierzchniowo czynnemu wywrzeć działanie powierzchniowo czynne . Jednakże temperatura nie powinna przekraczać punktu zmętnienia.
Krótko mówiąc, optymalna temperatura prania zależy od składu detergentu i mytego przedmiotu. Niektóre detergenty mają dobre działanie detergentowe w temperaturze pokojowej, podczas gdy inne mają znacznie różną skuteczność piorącą w przypadku prania na zimno i na gorąco.
③ Piana
Zwyczajowo myli się siłę pienienia z efektem prania, wierząc, że detergenty o dużej sile pienienia mają dobre działanie myjące. Badania wykazały, że nie ma bezpośredniego związku pomiędzy efektem prania a ilością piany. Na przykład mycie detergentami niskopieniącymi jest nie mniej skuteczne niż mycie detergentami wysokopieniącymi.
Chociaż piana nie jest bezpośrednio związana ze zmywaniem, zdarzają się przypadki, gdy pomaga usunąć brud, na przykład podczas ręcznego mycia naczyń. Podczas szorowania dywanów pianka może również usuwać kurz i inne stałe cząstki brudu, brud z dywanów stanowi dużą część kurzu, dlatego środki do czyszczenia dywanów powinny wykazywać pewną zdolność pienienia.
Siła pienienia jest również ważna w przypadku szamponów, gdzie drobna piana wytwarzana przez płyn podczas mycia szamponem lub kąpieli pozostawia włosy nawilżone i wygodne.
④ Odmiany włókien i właściwości fizyczne tekstyliów
Oprócz budowy chemicznej włókien, która wpływa na przyczepność i usuwanie zabrudzeń, na łatwość usuwania zabrudzeń wpływa również wygląd włókien oraz organizacja przędzy i tkaniny.
Łuski włókien wełny i zakrzywione płaskie wstęgi włókien bawełny są bardziej podatne na gromadzenie brudu niż włókna gładkie. Przykładowo sadzę zabrudzoną na foliach celulozowych (foliach wiskozowych) można łatwo usunąć, natomiast sadzę zabrudzoną na tkaninach bawełnianych trudno zmyć. Innym przykładem jest to, że tkaniny z krótkich włókien wykonane z poliestru są bardziej podatne na gromadzenie się plam olejowych niż tkaniny z długich włókien, a plamy olejowe z tkanin z krótkich włókien są również trudniejsze do usunięcia niż plamy z oleju z tkanin z długich włókien.
Ciasno skręcone przędze i ciasne tkaniny, ze względu na małą szczelinę między włóknami, są w stanie oprzeć się wnikaniu brudu, ale to samo może również uniemożliwić płynowi do prania wyeliminowanie wewnętrznych zabrudzeń, więc ciasne tkaniny zaczynają być odporne na zabrudzenia, ale po poplamieniu mycie jest również trudniejsze.
⑤ Twardość wody
Stężenie jonów Ca2+, Mg2+ i innych metali w wodzie ma ogromny wpływ na efekt prania, zwłaszcza gdy anionowe środki powierzchniowo czynne napotkają jony Ca2+ i Mg2+ tworząc sole wapnia i magnezu, które są mniej rozpuszczalne i zmniejszą jego zdolność piorącą. W twardej wodzie, nawet przy wysokim stężeniu środka powierzchniowo czynnego, skuteczność czyszcząca jest nadal znacznie gorsza niż w przypadku destylacji. Aby środek powierzchniowo czynny miał najlepszy efekt myjący, stężenie jonów Ca2+ w wodzie należy obniżyć do 1 x 10-6 mol/L (CaCO3 do 0,1 mg/L) lub mniej. Wymaga to dodania do detergentu różnych zmiękczaczy.
Czas publikacji: 25 lutego 2022 r