1. Napięcie powierzchniowe
Siła skurczu na jednostkę długości na powierzchni cieczy nazywana jest napięciem powierzchniowym i mierzona jest w N·m-1.
2. Aktywność powierzchniowa i surfaktant
Zdolność rozpuszczalników do zmniejszania napięcia powierzchniowego nazywa się aktywnością powierzchniową, natomiast substancje wykazujące aktywność powierzchniową nazywane są substancjami powierzchniowo czynnymi.
Surfaktanty to substancje powierzchniowo czynne, które mogą tworzyć micele i inne agregaty w roztworach wodnych, mają dużą aktywność powierzchniową, a także pełnią funkcje zwilżania, emulgowania, spieniania, mycia i inne.
3. Charakterystyka strukturalna molekularna surfaktantów
Surfaktanty to związki organiczne o specjalnej strukturze i właściwościach, które mogą znacząco zmieniać napięcie międzyfazowe między dwiema fazami lub napięcie powierzchniowe cieczy (zwykle wody) i mają takie właściwości, jak zwilżanie, pienienie, emulgowanie i mycie.
Strukturalnie rzecz biorąc, surfaktanty mają wspólną cechę, jaką jest zawartość dwóch różnych grup funkcyjnych w cząsteczkach. Jeden koniec to długołańcuchowa grupa niepolarna, która jest rozpuszczalna w oleju, ale nierozpuszczalna w wodzie, znana jako grupa hydrofobowa lub grupa hydrofobowa. Te grupy hydrofobowe to zazwyczaj długołańcuchowe węglowodory, czasami również organiczne łańcuchy fluoru, krzemoorganiczne, fosforoorganiczne, cynoorganiczne itp. Drugi koniec to rozpuszczalna w wodzie grupa funkcyjna, a mianowicie grupa hydrofilowa lub grupa hydrofilowa. Grupa hydrofilowa musi mieć wystarczającą hydrofilowość, aby zapewnić rozpuszczalność całego surfaktantu w wodzie i odpowiednią rozpuszczalność. Ze względu na obecność grup hydrofilowych i hydrofobowych w surfaktantach, mogą one rozpuszczać się w co najmniej jednej fazie fazy ciekłej. Właściwości hydrofilowe i oleofilowe surfaktantów nazywane są amfifilowością.
4.Rodzaje surfaktantów
Surfaktanty to cząsteczki amfifilowe, które posiadają zarówno grupy hydrofobowe, jak i hydrofilowe. Grupy hydrofobowe surfaktantów składają się zazwyczaj z węglowodorów o długim łańcuchu, takich jak prostołańcuchowe alkilo-C8-C20, rozgałęzione alkilo-C8-C20, alkilofenylowe (z 8-16 alkilowymi atomami węgla) itp. Różnica w grupach hydrofobowych polega głównie na strukturalnych zmianach łańcuchów węglowodorowo-wodorowych, przy stosunkowo niewielkich różnicach, podczas gdy istnieje więcej typów grup hydrofilowych. Dlatego właściwości surfaktantów, oprócz wielkości i kształtu grup hydrofobowych, zależą głównie od grup hydrofilowych. Zmiany strukturalne grup hydrofilowych są większe niż w przypadku grup hydrofobowych, dlatego klasyfikacja surfaktantów opiera się zazwyczaj na strukturze grup hydrofilowych. Klasyfikacja ta opiera się głównie na tym, czy grupy hydrofilowe są jonowe, dzieląc je na anionowe, kationowe, niejonowe, obojnacze i inne specjalne typy surfaktantów.
5. Charakterystyka wodnego roztworu surfaktantu
① Adsorpcja surfaktantów na granicach faz
Cząsteczki surfaktantów posiadają grupy lipofilowe i hydrofilowe, co czyni je cząsteczkami amfifilowymi. Woda jest silnie polarną cieczą. Gdy surfaktanty rozpuszczają się w wodzie, zgodnie z zasadą podobieństwa i odpychania różnic polarności, ich grupy hydrofilowe są przyciągane do fazy wodnej i rozpuszczają się w wodzie, podczas gdy ich grupy lipofilowe odpychają wodę i ją opuszczają. W rezultacie cząsteczki surfaktantów (lub jony) adsorbują się na granicy faz, zmniejszając napięcie międzyfazowe między nimi. Im więcej cząsteczek surfaktantów (lub jonów) jest zaadsorbowanych na granicy faz, tym większy jest spadek napięcia międzyfazowego.
② Niektóre właściwości membrany adsorpcyjnej
Ciśnienie powierzchniowe membrany adsorpcyjnej: Surfaktanty adsorbują się na granicy faz gaz-ciecz, tworząc membranę adsorpcyjną. Jeśli na granicy faz zostanie umieszczona ruchoma, beztarciowa płytka pływająca, która będzie popychać membranę adsorpcyjną wzdłuż powierzchni roztworu, membrana będzie wywierać ciśnienie na płytkę pływającą, nazywane ciśnieniem powierzchniowym.
Lepkość powierzchniowa: Podobnie jak ciśnienie powierzchniowe, lepkość powierzchniowa jest właściwością nierozpuszczalnych filmów molekularnych. Zawieś platynowy pierścień na cienkim metalowym drucie, doprowadź jego płaszczyznę do kontaktu z powierzchnią wody w zlewie, obróć platynowy pierścień. Pierścień platynowy jest blokowany przez lepkość wody, a amplituda stopniowo maleje, co pozwala na pomiar lepkości powierzchniowej. Metoda jest następująca: najpierw przeprowadź eksperymenty na czystej powierzchni wody, zmierz tłumienie amplitudy, a następnie zmierz tłumienie po utworzeniu maski powierzchniowej i oblicz lepkość maski powierzchniowej na podstawie różnicy między tymi dwoma wartościami.
Lepkość powierzchniowa jest ściśle związana z twardością powierzchniowej maski. Ponieważ film adsorpcyjny charakteryzuje się ciśnieniem powierzchniowym i lepkością, musi być elastyczny. Im wyższe ciśnienie powierzchniowe i lepkość membrany adsorpcyjnej, tym większy jest jej moduł sprężystości. Moduł sprężystości powierzchniowego filmu adsorpcyjnego ma ogromne znaczenie w procesie stabilizacji piany.
③ Tworzenie miceli
Rozcieńczony roztwór surfaktantów podlega prawom roztworów doskonałych. Ilość adsorpcji surfaktantów na powierzchni roztworu rośnie wraz ze stężeniem roztworu. Gdy stężenie osiągnie lub przekroczy określoną wartość, ilość adsorpcji przestaje rosnąć. Te nadmierne cząsteczki surfaktantów w roztworze są nieuporządkowane lub występują w sposób regularny. Zarówno praktyka, jak i teoria wykazały, że tworzą one agregaty w roztworze, zwane micelami.
Krytyczne stężenie micelarne: Minimalne stężenie, przy którym surfaktanty tworzą micele w roztworze, nazywa się krytycznym stężeniem micelarne.
④ Wartość CMC powszechnie stosowanych środków powierzchniowo czynnych.
6. Wartość równowagi hydrofilowej i oleofilowej
HLB to skrót od hydrofilowo-lipofilowej równowagi, która reprezentuje wartości równowagi hydrofilowej i lipofilowej grup hydrofilowych i lipofilowych surfaktantu, czyli wartość HLB surfaktantu. Wysoka wartość HLB wskazuje na silną hydrofilowość i słabą lipofilowość cząsteczki; przeciwnie, wykazuje ona silną lipofilowość i słabą hydrofilowość.
① Przepisy dotyczące wartości HLB
Wartość HLB jest wartością względną, dlatego przy formułowaniu wartości HLB, standardowo przyjmuje się wartość HLB parafiny bez właściwości hydrofilowych równą 0, natomiast wartość HLB dodecylosiarczanu sodu o wysokiej rozpuszczalności w wodzie równą 40. Zatem wartość HLB surfaktantów mieści się zazwyczaj w zakresie 1–40. Ogólnie rzecz biorąc, emulgatory o wartościach HLB poniżej 10 są lipofilowe, a emulgatory o wartościach HLB powyżej 10 są hydrofilowe. Zatem punkt przejścia od lipofilowości do hydrofilowości wynosi około 10.
7. Efekty emulgowania i solubilizacji
Dwie niemieszające się ciecze, jedna utworzona przez rozproszenie cząstek (kropli lub ciekłych kryształów) w drugiej, nazywane są emulsjami. Podczas tworzenia emulsji powierzchnia międzyfazowa między dwiema cieczami wzrasta, co powoduje, że układ staje się niestabilny termodynamicznie. Aby ustabilizować emulsję, należy dodać trzeci składnik – emulgator – w celu zmniejszenia energii międzyfazowej układu. Emulgatory należą do surfaktantów, a ich główną funkcją jest działanie jako emulgatory. Faza, w której znajdują się krople w emulsji, nazywana jest fazą rozproszoną (lub fazą wewnętrzną, fazą nieciągłą), a druga faza, która jest ze sobą połączona, nazywana jest ośrodkiem rozproszonym (lub fazą zewnętrzną, fazą ciągłą).
① Emulgatory i emulsje
Typowe emulsje składają się z jednej fazy wody lub roztworu wodnego, a drugiej fazy ze związków organicznych niemieszalnych z wodą, takich jak oleje, woski itp. Emulsje utworzone przez wodę i olej można podzielić na dwa rodzaje w zależności od ich dyspersji: olej zdyspergowany w wodzie tworzy emulsję woda w oleju, reprezentowaną przez O/W (olej/woda); woda zdyspergowana w oleju tworzy emulsję woda w oleju, reprezentowaną przez W/O (woda/olej). Ponadto mogą powstawać złożone emulsje woda w oleju w wodzie W/O/W oraz olej w wodzie w oleju O/W/O.
Emulgator stabilizuje emulsję, zmniejszając napięcie międzyfazowe i tworząc jednowarstwową maskę na twarz.
Wymagania stawiane emulgatorom w procesie emulgowania: a: emulgatory muszą być zdolne do adsorpcji lub wzbogacania na granicy faz między dwiema fazami, zmniejszając napięcie międzyfazowe; b: emulgatory muszą nadawać cząsteczkom ładunek elektryczny, powodując odpychanie elektrostatyczne między cząsteczkami lub tworząc wokół nich stabilną, wysoce lepką warstwę ochronną. Zatem substancje stosowane jako emulgatory muszą posiadać grupy amfifilowe, aby działać emulgująco, a surfaktanty spełniają to wymaganie.
② Metody przygotowywania emulsji i czynniki wpływające na stabilność emulsji
Istnieją dwie metody przygotowywania emulsji: pierwsza polega na zastosowaniu metod mechanicznych w celu rozproszenia cieczy na małe cząsteczki w innej cieczy, co jest powszechnie stosowane w przemyśle do przygotowywania emulsji; druga metoda polega na rozpuszczeniu cieczy w stanie cząsteczkowym w innej cieczy, a następnie umożliwieniu jej odpowiedniego połączenia się w celu utworzenia emulsji.
Stabilność emulsji odnosi się do ich zdolności do przeciwdziałania agregacji cząstek i powodowania rozdziału faz. Emulsje to układy termodynamicznie niestabilne, charakteryzujące się znaczną energią swobodną. Dlatego stabilność emulsji odnosi się w rzeczywistości do czasu potrzebnego do osiągnięcia przez układ stanu równowagi, czyli czasu potrzebnego na rozdzielenie się cieczy w układzie.
Obecność polarnych cząsteczek organicznych, takich jak alkohole tłuszczowe, kwasy tłuszczowe i aminy tłuszczowe w maseczce, znacząco zwiększa wytrzymałość membrany. Dzieje się tak, ponieważ cząsteczki emulgatora w warstwie adsorpcyjnej oddziałują z cząsteczkami polarnymi, takimi jak alkohole, kwasy i aminy, tworząc „kompleks”, który zwiększa wytrzymałość maseczki.
Emulgatory składające się z dwóch lub więcej surfaktantów nazywane są emulgatorami mieszanymi. Emulgatory mieszane adsorbują się na granicy faz woda/olej, a oddziaływania międzycząsteczkowe mogą tworzyć kompleksy. Dzięki silnym oddziaływaniom międzycząsteczkowym napięcie międzyfazowe ulega znacznemu obniżeniu, ilość emulgatora zaadsorbowanego na granicy faz ulega znacznemu zwiększeniu, a gęstość i wytrzymałość utworzonej maski międzyfazowej ulegają zwiększeniu.
Ładunek kropel ma znaczący wpływ na stabilność emulsji. Stabilne emulsje zazwyczaj składają się z kropel o ładunku elektrycznym. W przypadku emulgatorów jonowych, jony emulgatora zaadsorbowane na powierzchni międzyfazowej wprowadzają swoje grupy lipofilowe do fazy olejowej, podczas gdy grupy hydrofilowe znajdują się w fazie wodnej, co powoduje naładowanie kropel. Ponieważ krople emulsji mają ten sam ładunek, odpychają się one i nie ulegają łatwej aglomeracji, co przekłada się na zwiększoną stabilność. Widać, że im więcej jonów emulgatora zaadsorbowanych na kroplach, tym większy jest ich ładunek i tym większa jest ich zdolność do zapobiegania koalescencji kropel, co zwiększa stabilność układu emulsyjnego.
Lepkość ośrodka dyspersyjnego emulsji ma pewien wpływ na jej stabilność. Zasadniczo, im wyższa lepkość ośrodka dyspergującego, tym wyższa stabilność emulsji. Wynika to z faktu, że wysoka lepkość ośrodka dyspergującego silnie hamuje ruchy Browna kropel cieczy, spowalnia zderzenia między nimi i utrzymuje stabilność układu. Substancje polimerowe, które zazwyczaj rozpuszczają się w emulsjach, mogą zwiększać lepkość układu i poprawiać jego stabilność. Ponadto polimer może również tworzyć stałą maskę międzyfazową, zwiększając stabilność układu emulsyjnego.
W niektórych przypadkach dodanie stałego proszku może również stabilizować emulsję. Stały proszek nie znajduje się w wodzie, oleju ani na granicy faz, w zależności od zdolności zwilżania oleju i wody przez stały proszek. Jeśli stały proszek nie zostanie całkowicie zwilżony wodą i można go zwilżyć olejem, pozostanie na granicy faz woda-olej.
Powodem, dla którego stały proszek nie stabilizuje emulsji, jest to, że proszek zgromadzony na granicy faz nie wzmacnia maski na powierzchni styku, co jest podobne do działania cząsteczek emulgatora adsorpcyjnego na powierzchni styku. Dlatego im bliżej siebie znajdują się cząstki stałego proszku na granicy faz, tym stabilniejsza będzie emulsja.
Surfaktanty mają zdolność znacznego zwiększenia rozpuszczalności związków organicznych nierozpuszczalnych lub słabo rozpuszczalnych w wodzie po utworzeniu miceli w roztworze wodnym, dzięki czemu roztwór staje się wówczas przezroczysty. Ten efekt miceli nazywa się solubilizacją. Surfaktanty, które mogą wywoływać efekt solubilizacji, nazywane są solubilizatorami, a związki organiczne, które ulegają solubilizacji, nazywane są związkami solubilizowanymi.
8. Piana
Piana odgrywa ważną rolę w procesie prania. Piana odnosi się do układu dyspersyjnego, w którym gaz jest rozproszony w cieczy lub ciele stałym. Gaz stanowi fazę dyspersyjną, a ciecz lub ciało stałe – ośrodek dyspersyjny. Pierwsza z nich nazywana jest pianą ciekłą, a druga pianą stałą, taką jak pianka z tworzywa sztucznego, szkło piankowe, spieniony cement itp.
(1) Tworzenie się piany
Piana w tym przypadku odnosi się do skupisk pęcherzyków oddzielonych warstwą cieczy. Ze względu na dużą różnicę gęstości między fazą rozproszoną (gazem) a ośrodkiem rozproszonym (cieczą) oraz niską lepkość cieczy, piana może zawsze szybko unieść się do poziomu cieczy.
Proces tworzenia piany polega na wprowadzeniu dużej ilości gazu do cieczy, a pęcherzyki w cieczy szybko powracają na powierzchnię cieczy, tworząc agregat pęcherzyków oddzielony niewielką ilością cieczy i gazu.
Piana ma dwie niezwykłe cechy morfologiczne: po pierwsze, pęcherzyki jako faza rozproszona są często wielościenne, ponieważ na styku pęcherzyków występuje tendencja do cieńszego filmu cieczy, co powoduje, że pęcherzyki stają się wielościenne. Gdy film cieczy stanie się cieńszy do pewnego stopnia, pęcherzyki pękają; po drugie, czysta ciecz nie może utworzyć stabilnej piany, ale ciecz, która może ją utworzyć, składa się z co najmniej dwóch lub więcej składników. Wodny roztwór surfaktantu to typowy układ, który łatwo wytwarza pianę, a jego zdolność do wytwarzania piany jest również związana z innymi właściwościami.
Surfaktanty o dobrych właściwościach pieniących nazywane są środkami spieniającymi. Pomimo dobrych właściwości pieniących, utworzona piana może nie być w stanie utrzymać się długo, co oznacza, że jej stabilność może być niska. Aby utrzymać stabilność piany, do środka spieniającego często dodaje się substancję, która może ją zwiększyć, zwaną stabilizatorem piany. Powszechnie stosowanymi stabilizatorami piany są lauroilodietanoloamina i tlenek dodecylodimetyloaminy.
(2) Stabilność piany
Piana jest układem termodynamicznie niestabilnym, a ostateczną tendencją jest zmniejszenie całkowitej powierzchni cieczy w układzie i spadek energii swobodnej po pęknięciu pęcherzyków. Proces odpieniania to proces, w którym warstwa cieczy oddzielająca gaz zmienia grubość aż do jej pęknięcia. Dlatego stabilność piany zależy głównie od prędkości wypływu cieczy i wytrzymałości warstwy cieczy. Na stabilność piany wpływa również kilka innych czynników.
① Napięcie powierzchniowe
Z punktu widzenia energetycznego, niskie napięcie powierzchniowe jest korzystniejsze dla tworzenia piany, ale nie gwarantuje jej stabilności. Niskie napięcie powierzchniowe, niska różnica ciśnień, niska prędkość wypływu cieczy i powolne rozrzedzanie filmu cieczy sprzyjają stabilności piany.
② Lepkość powierzchniowa
Kluczowym czynnikiem decydującym o stabilności piany jest wytrzymałość filmu ciekłego, która jest głównie determinowana przez twardość filmu adsorpcyjnego na powierzchni, mierzoną lepkością powierzchniową. Doświadczenia pokazują, że piana wytworzona przez roztwór o wyższej lepkości powierzchniowej ma dłuższą żywotność. Dzieje się tak, ponieważ interakcja między zaadsorbowanymi cząsteczkami na powierzchni prowadzi do wzrostu wytrzymałości membrany, wydłużając tym samym żywotność piany.
③ Lepkość roztworu
Gdy lepkość samej cieczy wzrasta, ciecz w warstwie cieczy nie jest łatwa do usunięcia, a szybkość zmniejszania się grubości warstwy cieczy jest powolna, co opóźnia czas pęknięcia warstwy cieczy i zwiększa stabilność piany.
④ „Naprawiający” efekt napięcia powierzchniowego
Surfaktanty zaadsorbowane na powierzchni filmu ciekłego mają zdolność przeciwdziałania rozszerzaniu się lub kurczeniu powierzchni filmu ciekłego, co nazywamy efektem naprawczym. Dzieje się tak, ponieważ na powierzchni zaadsorbowana jest ciekła warstwa surfaktantów, a rozszerzanie jej powierzchni zmniejsza stężenie zaadsorbowanych cząsteczek i zwiększa napięcie powierzchniowe. Dalsze rozszerzanie powierzchni będzie wymagało większego wysiłku. Z kolei kurczenie się powierzchni zwiększa stężenie zaadsorbowanych cząsteczek na powierzchni, zmniejszając napięcie powierzchniowe i hamując dalsze kurczenie.
⑤ Dyfuzja gazu przez warstwę cieczy
Ze względu na występowanie ciśnienia kapilarnego, ciśnienie małych pęcherzyków w pianie jest wyższe niż w dużych pęcherzykach. Powoduje to dyfuzję gazu z małych pęcherzyków do dużych pęcherzyków o niskim ciśnieniu poprzez warstwę cieczy. W rezultacie małe pęcherzyki stają się mniejsze, duże większe, a piana ostatecznie pęka. Dodanie surfaktantu sprawi, że piana będzie jednolita i gęsta podczas spieniania, a jej odpienianie będzie utrudnione. Ponieważ surfaktant jest ściśle związany z warstwą cieczy, wentylacja jest utrudniona, co zwiększa stabilność piany.
⑥ Wpływ ładunku powierzchniowego
Jeśli warstwa cieczy piankowej zostanie naładowana tym samym symbolem, obie powierzchnie warstwy cieczy będą się odpychać, zapobiegając jej rozrzedzeniu, a nawet zniszczeniu. Surfaktanty jonowe mogą zapewnić ten efekt stabilizujący.
Podsumowując, wytrzymałość filmu ciekłego jest kluczowym czynnikiem decydującym o stabilności piany. Jako środek powierzchniowo czynny w środkach spieniających i stabilizatorach piany, szczelność i twardość cząsteczek zaadsorbowanych na powierzchni są najważniejszymi czynnikami. Silne oddziaływanie między zaadsorbowanymi cząsteczkami na powierzchni powoduje ich ścisłe ułożenie, co nie tylko sprawia, że sama maseczka ma wysoką wytrzymałość, ale również utrudnia przepływ roztworu w pobliżu maseczki ze względu na wysoką lepkość powierzchniową. W rezultacie film ciekły jest stosunkowo trudny do odsączania, a jego grubość jest łatwa do utrzymania. Ponadto, ściśle ułożone cząsteczki powierzchniowe mogą również zmniejszać przepuszczalność cząsteczek gazu, a tym samym zwiększać stabilność piany.
(3) Zniszczenie piany
Podstawową zasadą usuwania piany jest zmiana warunków jej powstawania lub wyeliminowanie czynników wpływających na stabilność piany. W związku z tym stosuje się dwie metody usuwania piany: fizyczną i chemiczną.
Fizyczne odpienianie polega na zmianie warunków powstawania piany, przy jednoczesnym zachowaniu niezmienionego składu chemicznego roztworu piany. Na przykład, oddziaływanie siły zewnętrznej, zmiana temperatury lub ciśnienia oraz obróbka ultradźwiękowa to skuteczne metody fizyczne usuwania piany.
Chemiczna metoda odpieniania polega na dodaniu substancji, które wchodzą w interakcję ze środkiem spieniającym, zmniejszają wytrzymałość filmu ciekłego w pianie, a następnie obniżają jej stabilność, aby osiągnąć cel odpieniania. Takie substancje nazywane są środkami odpieniającymi. Większość środków odpieniających to surfaktanty. Zatem, zgodnie z mechanizmem odpieniania, środki odpieniające powinny charakteryzować się silną zdolnością do obniżania napięcia powierzchniowego, łatwo adsorbować się na powierzchni i wykazywać słabe oddziaływania między zaadsorbowanymi na powierzchni cząsteczkami, co skutkuje stosunkowo luźną strukturą ułożenia zaadsorbowanych cząsteczek.
Istnieje wiele rodzajów środków przeciwpieniących, ale większość z nich to surfaktanty niejonowe. Surfaktanty niejonowe mają właściwości przeciwpieniące w pobliżu lub powyżej temperatury zmętnienia i są powszechnie stosowane jako środki przeciwpieniące. Alkohole, zwłaszcza te o strukturze rozgałęzionej, kwasy tłuszczowe i estry, poliamidy, fosforany, oleje silikonowe itp. są również powszechnie stosowane jako doskonałe środki przeciwpieniące.
(4) Piana i mycie
Nie ma bezpośredniego związku między pianą a efektem mycia, a ilość piany nie decyduje o dobrym lub złym efekcie mycia. Na przykład, właściwości pieniące niejonowych środków powierzchniowo czynnych są znacznie gorsze niż mydła, ale ich siła czyszcząca jest znacznie większa niż mydła.
W niektórych przypadkach piana jest pomocna w usuwaniu brudu. Na przykład, podczas mycia naczyń w domu, piana detergentu może usunąć krople oleju, które spłukano; podczas szorowania dywanów piana pomaga usunąć stałe zabrudzenia, takie jak kurz i proszek. Ponadto, piana może czasami służyć jako wskaźnik skuteczności detergentu, ponieważ tłuste plamy olejowe mogą hamować jego pienienie. Gdy jest zbyt dużo plam olejowych i zbyt mało detergentu, piana nie będzie powstawać lub pierwotna piana zniknie. Czasami piana może być również używana jako wskaźnik czystości płukania. Ponieważ ilość piany w roztworze płuczącym ma tendencję do zmniejszania się wraz ze spadkiem zawartości detergentu, stopień płukania można ocenić na podstawie ilości piany.
9. Proces mycia
W szerokim znaczeniu mycie to proces usuwania niepożądanych składników z mytego obiektu i osiągania określonego celu. Mycie w powszechnym rozumieniu odnosi się do procesu usuwania brudu z powierzchni nośnika. Podczas mycia interakcja między brudem a nośnikiem jest osłabiana lub eliminowana poprzez działanie niektórych substancji chemicznych (takich jak detergenty), przekształcając połączenie brudu i nośnika w połączenie brudu i detergentu, co ostatecznie powoduje oddzielenie brudu i nośnika. Ponieważ myte obiekty i usuwany brud są różnorodne, mycie jest bardzo złożonym procesem, a podstawowy proces mycia można przedstawić za pomocą następującej prostej zależności.
Nośnik • Brud + Detergent = Nośnik + Brud • Detergent
Proces prania można zazwyczaj podzielić na dwa etapy: pierwszy to oddzielenie brudu od jego nośnika pod wpływem detergentu; drugi to rozproszenie i zawieszenie oderwanego brudu w medium. Proces prania jest procesem odwracalnym, a brud rozproszony lub zawieszony w medium może również ponownie osadzać się z medium na praniu. Dlatego dobry detergent powinien nie tylko oddzielać brud od nośnika, ale także skutecznie rozpraszać i zawieszać brud, zapobiegając jego ponownemu osadzaniu się.
(1) Rodzaje brudu
Nawet w przypadku tego samego przedmiotu, rodzaj, skład i ilość brudu będą się różnić w zależności od środowiska użytkowania. Brud olejowy ciała obejmuje głównie oleje zwierzęce i roślinne, a także oleje mineralne (takie jak ropa naftowa, olej opałowy, smoła węglowa itp.), podczas gdy brud stały obejmuje głównie dym, kurz, rdzę, sadzę itp. Jeśli chodzi o brud odzieżowy, istnieją brud z ciała ludzkiego, taki jak pot, sebum, krew itp.; Brud z jedzenia, taki jak plamy z owoców, plamy z oleju jadalnego, plamy z przypraw, skrobi itp.; Brud przenoszony przez kosmetyki, taki jak szminka i lakier do paznokci; Brud z atmosfery, taki jak dym, kurz, gleba itp.; Inne materiały, takie jak atrament, herbata, farba itp. Można powiedzieć, że istnieje wiele różnych typów brudu.
Różne rodzaje brudu można podzielić na trzy kategorie: brud stały, brud płynny i brud specjalny.
① Do typowych zanieczyszczeń stałych zalicza się cząsteczki takie jak popiół, błoto, gleba, rdza i sadza. Większość z tych cząsteczek ma ładunek powierzchniowy, przeważnie ujemny, i łatwo adsorbuje się na obiektach włóknistych. Zanieczyszczenia stałe są zazwyczaj trudne do rozpuszczenia w wodzie, ale można je rozproszyć i zawiesić za pomocą roztworów detergentów. Zanieczyszczenia stałe o małych cząsteczkach są trudne do usunięcia.
② Zanieczyszczenia płynne są głównie rozpuszczalne w olejach, w tym oleje zwierzęce i roślinne, kwasy tłuszczowe, alkohole tłuszczowe, oleje mineralne i ich tlenki. Spośród nich oleje zwierzęce i roślinne oraz kwasy tłuszczowe mogą ulegać zmydlaniu alkaliami, natomiast alkohole tłuszczowe i oleje mineralne nie ulegają zmydlaniu alkaliami, lecz mogą rozpuszczać się w alkoholach, eterach i organicznych rozpuszczalnikach węglowodorowych, a także ulegać emulgowaniu i dyspergowaniu w wodnych roztworach detergentów. Zanieczyszczenia płynne rozpuszczalne w oleju zazwyczaj silnie oddziałują z obiektami włóknistymi i silnie adsorbują się na włóknach.
③ Do zabrudzeń specjalnych zalicza się białko, skrobię, krew, wydzieliny ludzkie, takie jak pot, sebum, mocz, a także soki owocowe, herbatę itp. Większość tych zabrudzeń może silnie adsorbować się na przedmiotach włóknistych poprzez reakcje chemiczne. Dlatego ich spłukanie jest dość trudne.
Różne rodzaje brudu rzadko występują osobno, często mieszają się ze sobą i adsorbują na przedmiotach. Brud może czasami utleniać się, rozkładać lub gnić pod wpływem czynników zewnętrznych, co prowadzi do powstawania nowego brudu.
(2) Efekt przylegania brudu
Powodem, dla którego ubrania, ręce itp. mogą się brudzić, jest pewnego rodzaju interakcja między przedmiotami a brudem. Brud ma różne właściwości adhezyjne, ale głównie są to adhezja fizyczna i chemiczna.
① Fizyczne przyleganie popiołu papierosowego, kurzu, osadu, sadzy i innych substancji do odzieży. Ogólnie rzecz biorąc, interakcja między przyklejonym brudem a zanieczyszczonym przedmiotem jest stosunkowo słaba, a usunięcie brudu jest również stosunkowo łatwe. W zależności od siły, fizyczne przyleganie brudu można podzielić na przyleganie mechaniczne i przyleganie elektrostatyczne.
A: Adhezja mechaniczna odnosi się głównie do przylegania stałych zanieczyszczeń, takich jak kurz i osad. Adhezja mechaniczna to słaba metoda przylegania do zanieczyszczeń, które można usunąć praktycznie za pomocą prostych metod mechanicznych. Jednak gdy rozmiar cząstek zanieczyszczeń jest mały (<0,1 µm), ich usunięcie jest trudniejsze.
B: Adhezja elektrostatyczna objawia się głównie działaniem naładowanych cząstek brudu na przedmioty o przeciwnych ładunkach. Większość przedmiotów włóknistych ma ładunek ujemny w wodzie i łatwo przylega do nich dodatnio naładowany brud, taki jak wapno. Niektóre zanieczyszczenia, mimo że mają ładunek ujemny, takie jak cząsteczki sadzy w roztworach wodnych, mogą przylegać do włókien poprzez mostki jonowe utworzone przez jony dodatnie (takie jak Ca2+, Mg2+ itp.) w wodzie (jony oddziałują na siebie między wieloma przeciwstawnymi ładunkami, działając jak mostki).
Elektryczność statyczna jest silniejsza od prostych oddziaływań mechanicznych, dlatego usuwanie brudu jest stosunkowo trudne.
③ Usuwanie zabrudzeń specjalnych
Białko, skrobia, wydzieliny ludzkie, sok owocowy, sok z herbaty i inne rodzaje zabrudzeń są trudne do usunięcia za pomocą zwykłych środków powierzchniowo czynnych i wymagają specjalnych metod usuwania.
Plamy białkowe, takie jak śmietana, jajka, krew, mleko i wydzieliny skórne, są podatne na koagulację i denaturację na włóknach, przez co przylegają mocniej. W przypadku zanieczyszczeń białkowych można użyć proteazy do ich usunięcia. Proteaza rozkłada białka w brudzie na rozpuszczalne w wodzie aminokwasy lub oligopeptydy.
Plamy ze skrobi pochodzą głównie z jedzenia, ale zdarzają się też plamy z soków mięsnych, past itp. Enzymy skrobiowe działają katalitycznie na hydrolizę plam skrobiowych, rozkładając skrobię na cukry.
Lipaza może katalizować rozkład niektórych trójglicerydów, które trudno usunąć konwencjonalnymi metodami, takimi jak sebum wydzielane przez ludzki organizm, oleje jadalne itp., powodując rozbicie trójglicerydów na rozpuszczalny glicerol i kwasy tłuszczowe.
Niektóre kolorowe plamy z soku owocowego, herbaty, atramentu, szminki itp. są często trudne do dokładnego usunięcia, nawet po wielokrotnym praniu. Tego rodzaju plamy można usunąć poprzez reakcje utleniania-redukcji z użyciem utleniaczy lub reduktorów, takich jak wybielacz, które rozkładają strukturę chromoforu lub grup chromoforowych i rozkładają je na mniejsze, rozpuszczalne w wodzie składniki.
Z punktu widzenia czyszczenia chemicznego istnieją trzy rodzaje zabrudzeń.
① Zanieczyszczenia rozpuszczalne w oleju obejmują różne oleje i tłuszcze, które są płynne lub tłuste i rozpuszczalne w rozpuszczalnikach stosowanych do czyszczenia na sucho.
② Brud rozpuszczalny w wodzie rozpuszcza się w roztworze wodnym, ale nie rozpuszcza się w środkach do czyszczenia chemicznego. Adsorbuje się na odzieży w postaci roztworu wodnego, a po odparowaniu wody wytrącają się ziarniste substancje stałe, takie jak sole nieorganiczne, skrobia, białka itp.
③ Brud nierozpuszczalny w wodzie i w oleju nie rozpuszcza się ani w wodzie, ani w rozpuszczalnikach stosowanych do czyszczenia na sucho, takich jak sadza, różne krzemiany metali i tlenki.
Ze względu na zróżnicowane właściwości różnych rodzajów zabrudzeń, istnieją różne sposoby ich usuwania podczas czyszczenia na sucho. Zabrudzenia rozpuszczalne w oleju, takie jak oleje zwierzęce i roślinne, oleje mineralne i tłuszcze, łatwo rozpuszczają się w rozpuszczalnikach organicznych i można je łatwo usunąć podczas czyszczenia na sucho. Doskonała rozpuszczalność rozpuszczalników do czyszczenia na sucho w przypadku oleju i smaru wynika głównie z sił van der Waalsa między cząsteczkami.
Aby usunąć rozpuszczalne w wodzie zabrudzenia, takie jak sole nieorganiczne, cukry, białka, pot itp., konieczne jest również dodanie odpowiedniej ilości wody do środka czyszczącego. W przeciwnym razie rozpuszczalne w wodzie zabrudzenia będą trudne do usunięcia z odzieży. Woda jest jednak trudna do rozpuszczenia w środkach czyszczących, dlatego aby zwiększyć jej ilość, należy dodać środki powierzchniowo czynne. Woda obecna w środkach czyszczących może uwodnić brud i powierzchnię odzieży, ułatwiając interakcję z polarnymi grupami środków powierzchniowo czynnych, co korzystnie wpływa na adsorpcję środków powierzchniowo czynnych na powierzchni. Ponadto, gdy środki powierzchniowo czynne tworzą micele, rozpuszczalny w wodzie brud i woda mogą zostać rozpuszczone w micelach. Środki powierzchniowo czynne mogą nie tylko zwiększyć zawartość wody w rozpuszczalnikach do czyszczenia na sucho, ale także zapobiegać ponownemu osadzaniu się brudu, zwiększając skuteczność czyszczenia.
Do usunięcia rozpuszczalnych w wodzie zabrudzeń niezbędna jest niewielka ilość wody, jednak nadmiar wody może powodować odkształcenie, zagniecenie itp. niektórych ubrań, dlatego zawartość wody w suchym detergencie musi być umiarkowana.
Cząstki stałe, takie jak popiół, błoto, gleba i sadza, które nie rozpuszczają się ani w wodzie, ani w oleju, zazwyczaj przylegają do ubrań poprzez adsorpcję elektrostatyczną lub łącząc się z plamami oleju. Podczas czyszczenia chemicznego przepływ i działanie rozpuszczalników może powodować odpadanie brudu zaadsorbowanego przez siły elektrostatyczne, podczas gdy środki czyszczące rozpuszczają plamy oleju, powodując odpadanie ze środka czyszczącego cząstek stałych, które łączą się z plamami oleju i przylegają do ubrań. Niewielka ilość wody i środków powierzchniowo czynnych w środku czyszczącym może trwale zawiesić i rozproszyć opadające cząstki brudu, zapobiegając ich ponownemu osadzaniu się na ubraniach.
(5) Czynniki wpływające na efekt prania
Kierunkowa adsorpcja surfaktantów na granicy faz oraz redukcja napięcia powierzchniowego (międzyfazowego) to główne czynniki usuwania zanieczyszczeń ciekłych lub stałych. Proces prania jest jednak stosunkowo złożony, a nawet na skuteczność prania tego samego rodzaju detergentu wpływa wiele innych czynników. Należą do nich stężenie detergentu, temperatura, rodzaj zabrudzeń, rodzaj włókna i struktura tkaniny.
① Stężenie środków powierzchniowo czynnych
Micele surfaktantów w roztworze odgrywają ważną rolę w procesie prania. Gdy stężenie osiągnie krytyczne stężenie miceli (CMC), efekt prania gwałtownie wzrasta. Dlatego, aby uzyskać dobry efekt prania, stężenie detergentu w rozpuszczalniku powinno być wyższe niż wartość CMC. Jednakże, gdy stężenie surfaktantów przekroczy wartość CMC, rosnący efekt prania staje się mniej znaczący, a nadmierne zwiększanie stężenia surfaktantów staje się zbędne.
W przypadku stosowania solubilizacji do usuwania plam olejowych, nawet jeśli stężenie przekracza wartość CMC, efekt solubilizacji nadal wzrasta wraz ze wzrostem stężenia surfaktantu. W tym przypadku zaleca się stosowanie detergentu miejscowo, np. na mankietach i kołnierzach ubrań, gdzie występuje duże zabrudzenie. Podczas prania, można najpierw nałożyć warstwę detergentu, aby poprawić efekt solubilizacji surfaktantów na plamy olejowe.
② Temperatura ma znaczący wpływ na skuteczność czyszczenia. Ogólnie rzecz biorąc, podwyższenie temperatury jest korzystne dla usuwania brudu, ale czasami zbyt wysoka temperatura może również powodować niekorzystne skutki.
Wzrost temperatury sprzyja dyfuzji brudu. Plamy z oleju stałego łatwo emulgują, gdy temperatura przekracza ich temperaturę topnienia, a włókna również zwiększają swój stopień ekspansji z powodu wzrostu temperatury. Wszystkie te czynniki sprzyjają usuwaniu brudu. Jednak w przypadku ściśle przylegających tkanin, mikroszczeliny między włóknami zmniejszają się po rozszerzeniu włókien, co nie sprzyja usuwaniu brudu.
Zmiany temperatury wpływają również na rozpuszczalność, wartość CMC i wielkość miceli surfaktantów, wpływając tym samym na efekt prania. Surfaktanty o długim łańcuchu węglowym mają niższą rozpuszczalność w niskich temperaturach, a czasami nawet niższą niż wartość CMC. W takim przypadku należy odpowiednio zwiększyć temperaturę prania. Wpływ temperatury na wartość CMC i wielkość miceli jest różny dla surfaktantów jonowych i niejonowych. W przypadku surfaktantów jonowych wzrost temperatury zazwyczaj prowadzi do wzrostu wartości CMC i zmniejszenia wielkości miceli. Oznacza to, że stężenie surfaktantów w roztworze piorącym powinno być zwiększone. W przypadku surfaktantów niejonowych wzrost temperatury prowadzi do spadku ich wartości CMC i znacznego wzrostu wielkości ich miceli. Można zauważyć, że odpowiednie zwiększenie temperatury może pomóc surfaktantom niejonowym w wywieraniu ich aktywności powierzchniowej. Jednak temperatura nie powinna przekraczać ich temperatury zmętnienia.
Krótko mówiąc, najodpowiedniejsza temperatura prania zależy od składu detergentu i mytego przedmiotu. Niektóre detergenty dobrze czyszczą w temperaturze pokojowej, podczas gdy inne mają znacząco różną skuteczność czyszczenia w przypadku prania na zimno i na gorąco.
③ Piana
Ludzie często mylą zdolność pienienia się z efektem prania, sądząc, że detergenty o dużej pienistości mają lepsze właściwości piorące. Wyniki pokazują, że efekt prania nie jest bezpośrednio związany z ilością piany. Na przykład, użycie detergentu niskopieniącego nie ma gorszego efektu prania niż użycie detergentu wysokopieniącego.
Chociaż piana nie jest bezpośrednio związana z praniem, w niektórych sytuacjach jest pomocna w usuwaniu brudu. Na przykład, piana płynu do mycia naczyń może porywać krople oleju podczas ręcznego mycia naczyń. Podczas szorowania dywanu piana może również usuwać stałe cząsteczki brudu, takie jak kurz. Kurz stanowi znaczną część brudu na dywanie, dlatego środek do czyszczenia dywanów powinien mieć pewne właściwości pieniące.
W przypadku szamponu ważna jest również siła pienienia. Delikatna piana, którą płyn wytwarza podczas mycia włosów lub kąpieli, zapewnia komfort.
④ Rodzaje włókien i właściwości fizyczne tekstyliów
Oprócz struktury chemicznej włókien wpływającej na przyczepność i usuwanie brudu, na trudność usuwania brudu wpływa również wygląd włókien oraz struktura organizacyjna przędz i tkanin.
Łuski włókien wełnianych i płaska, paskowata struktura włókien bawełnianych są bardziej podatne na gromadzenie się brudu niż włókna gładkie. Na przykład, sadza przyklejona do folii celulozowej (folii klejącej) jest łatwa do usunięcia, podczas gdy sadza przyklejona do tkaniny bawełnianej jest trudna do zmycia. Na przykład, tkaniny poliestrowe z krótkich włókien są bardziej podatne na gromadzenie się plam oleju niż tkaniny długowłókniste, a plamy oleju na tkaninach z krótkich włókien są również trudniejsze do usunięcia niż na tkaninach długowłóknistych.
Mocno skręcone przędze i ściśle przylegające tkaniny, dzięki niewielkim mikroprzerwom między włóknami, mogą być odporne na wnikanie brudu, ale jednocześnie uniemożliwiają roztworowi czyszczącemu usunięcie zanieczyszczeń wewnętrznych. Dlatego ściśle przylegające tkaniny charakteryzują się początkowo dobrą odpornością na brud, ale są trudne do czyszczenia, gdy już się zabrudzą.
⑤ Twardość wody
Stężenie jonów metali, takich jak Ca2+ i Mg2+ w wodzie, ma znaczący wpływ na skuteczność prania, zwłaszcza gdy anionowe środki powierzchniowo czynne napotykają jony Ca2+ i Mg2+, tworząc sole wapnia i magnezu o słabej rozpuszczalności, co może zmniejszyć ich zdolność czyszczącą. Nawet jeśli stężenie środków powierzchniowo czynnych jest wysokie w twardej wodzie, ich skuteczność czyszcząca jest nadal znacznie gorsza niż w przypadku destylacji. Aby uzyskać najlepszy efekt prania środków powierzchniowo czynnych, stężenie jonów Ca2+ w wodzie powinno zostać obniżone poniżej 1 × 10-6 mol/l (stężenie CaCO3 powinno zostać obniżone do 0,1 mg/l). Wymaga to dodania do detergentu różnych zmiękczaczy.
Czas publikacji: 16-08-2024