1. Повърхностно напрежение
Силата на свиване на единица дължина върху повърхността на течност се нарича повърхностно напрежение и се измерва в N • m-1.
2. Повърхностна активност и повърхностноактивно вещество
Свойството, което може да намали повърхностното напрежение на разтворителите, се нарича повърхностна активност, а веществата с повърхностна активност се наричат повърхностноактивни вещества.
Повърхностноактивните вещества се отнасят до повърхностноактивни вещества, които могат да образуват мицели и други агрегати във водни разтвори, имат висока повърхностна активност, а също така имат омокрящи, емулгиращи, пенообразуващи, измиващи и други функции.
3. Молекулярно-структурни характеристики на повърхностноактивното вещество
Повърхностноактивните вещества са органични съединения със специални структури и свойства, които могат значително да променят междуфазовото напрежение между две фази или повърхностното напрежение на течности (обикновено вода) и притежават свойства като омокряне, образуване на пяна, емулгиране и измиване.
Структурно погледнато, повърхностноактивните вещества споделят обща характеристика да съдържат две различни функционални групи в молекулите си. Единият край е дълговерижна неполярна група, която е разтворима в масло, но неразтворима във вода, известна като хидрофобна група или хидрофобна група. Тези хидрофобни групи обикновено са дълговерижни въглеводороди, понякога също органичен флуор, органосилиций, органофосфор, органотин и др. Другият край е водоразтворима функционална група, а именно хидрофилна група или хидрофилна група. Хидрофилната група трябва да има достатъчна хидрофилност, за да гарантира, че цялото повърхностноактивно вещество е разтворимо във вода и има необходимата разтворимост. Поради наличието на хидрофилни и хидрофобни групи в повърхностноактивните вещества, те могат да се разтворят в поне една фаза на течната фаза. Хидрофилните и олеофилните свойства на повърхностноактивните вещества се наричат амфифилност.
4. Видове повърхностноактивни вещества
Повърхностноактивните вещества са амфифилни молекули, които имат както хидрофобни, така и хидрофилни групи. Хидрофобните групи на повърхностноактивните вещества обикновено са съставени от дълговерижни въглеводороди, като например алкил C8-C20 с права верига, алкил C8-C20 с разклонена верига, алкилфенил (с 8-16 алкилни въглеродни атома) и др. Разликата в хидрофобните групи се състои главно в структурните промени на въглерод-водородните вериги, като разликите са относително малки, докато има повече видове хидрофилни групи. Следователно, свойствата на повърхностноактивните вещества са свързани главно с хидрофилните групи, в допълнение към размера и формата на хидрофобните групи. Структурните промени на хидрофилните групи са по-големи от тези на хидрофобните групи, така че класификацията на повърхностноактивните вещества обикновено се основава на структурата на хидрофилните групи. Тази класификация се основава главно на това дали хидрофилните групи са йонни, като се разделят на анионни, катионни, нейонни, цвитерйонни и други специални видове повърхностноактивни вещества.
5. Характеристики на воден разтвор на повърхностноактивно вещество
① Адсорбция на повърхностноактивни вещества на повърхностните интерфейси
Молекулите на повърхностноактивните вещества имат липофилни и хидрофилни групи, което ги прави амфифилни молекули. Водата е силно полярна течност. Когато повърхностноактивните вещества се разтварят във вода, съгласно принципа на сходство в полярността и отблъскване на разликата в полярността, техните хидрофилни групи се привличат към водната фаза и се разтварят във вода, докато техните липофилни групи отблъскват водата и напускат водата. В резултат на това молекулите (или йоните) на повърхностноактивните вещества се адсорбират на границата между двете фази, намалявайки междуфазовото напрежение между двете фази. Колкото повече молекули (или йони) на повърхностноактивните вещества се адсорбират на границата, толкова по-голямо е намаляването на междуфазовото напрежение.
② Някои свойства на адсорбционната мембрана
Повърхностно налягане на адсорбционната мембрана: Повърхностноактивните вещества се адсорбират на границата газ-течност, образувайки адсорбционна мембрана. Ако върху границата се постави подвижна плаваща плоча без триене и плаващата плоча избутва адсорбционната мембрана по повърхността на разтвора, мембраната упражнява налягане върху плаващата плоча, което се нарича повърхностно налягане.
Повърхностен вискозитет: Подобно на повърхностното налягане, повърхностният вискозитет е свойство, проявявано от неразтворими молекулярни филми. Платинов пръстен се окачва на тънка метална тел, равнината му се докосва до водната повърхност на мивката, след което се завърта платиновият пръстен. Вискозитетът на водата възпрепятства платиновия пръстен и амплитудата му постепенно намалява, което позволява измерване на повърхностния вискозитет. Методът е следният: първо се провеждат експерименти върху чиста водна повърхност, измерва се затихването на амплитудата, след това се измерва затихването след образуването на повърхностната маска за лице и се изчислява вискозитетът на повърхностната маска за лице от разликата между двете.
Повърхностният вискозитет е тясно свързан с твърдостта на повърхността на маската за лице. Тъй като адсорбционният филм има повърхностно налягане и вискозитет, той трябва да е еластичен. Колкото по-високи са повърхностното налягане и вискозитетът на адсорбционната мембрана, толкова по-голям е нейният модул на еластичност. Модулът на еластичност на повърхностния адсорбционен филм е от голямо значение в процеса на стабилизиране на пяната.
③ Образуване на мицели
Разреденият разтвор на повърхностноактивни вещества следва законите на идеалните разтвори. Адсорбционното количество на повърхностноактивните вещества върху повърхността на разтвора се увеличава с концентрацията на разтвора. Когато концентрацията достигне или надвиши определена стойност, адсорбционното количество вече не се увеличава. Тези излишни молекули на повърхностноактивните вещества в разтвора са неподредени или съществуват по правилен начин. Както практиката, така и теорията показват, че те образуват агрегати в разтвора, които се наричат мицели.
Критична мицелна концентрация: Минималната концентрация, при която повърхностноактивните вещества образуват мицели в разтвор, се нарича критична мицелна концентрация.
④ CMC стойността на обичайното повърхностноактивно вещество.
6. Хидрофилна и олеофилна равновесна стойност
HLB е съкращение от хидрофилен липофилен баланс, което представлява хидрофилните и липофилните равновесни стойности на хидрофилните и липофилните групи на повърхностноактивното вещество, т.е. HLB стойността на повърхностноактивното вещество. Високата HLB стойност показва силна хидрофилност и слаба липофилност на молекулата; напротив, тя има силна липофилност и слаба хидрофилност.
① Регламенти относно стойността на HLB
HLB стойността е относителна стойност, така че при формулирането на HLB стойността, като стандарт, HLB стойността на парафин без хидрофилни свойства се задава на 0, докато HLB стойността на натриев додецилсулфат със силна водоразтворимост се задава на 40. Следователно, HLB стойността на повърхностноактивните вещества обикновено е в диапазона от 1-40. Най-общо казано, емулгаторите със HLB стойности по-малки от 10 са липофилни, докато емулгаторите със HLB стойности по-големи от 10 са хидрофилни. Следователно, преходната точка от липофилност към хидрофилност е приблизително 10.
7. Ефекти на емулгиране и солюбилизация
Две несмесващи се течности, едната образувана от диспергиране на частици (капчици или течни кристали) в другата, се наричат емулсии. При образуването на емулсия, повърхностната повърхност между двете течности се увеличава, което прави системата термодинамично нестабилна. За да се стабилизира емулсията, е необходимо да се добави трети компонент - емулгатор - за да се намали повърхностната енергия на системата. Емулгаторите принадлежат към повърхностноактивните вещества и основната им функция е да действат като емулгатори. Фазата, в която капчиците съществуват в емулсията, се нарича диспергирана фаза (или вътрешна фаза, прекъсната фаза), а другата фаза, свързана помежду си, се нарича диспергирана среда (или външна фаза, непрекъсната фаза).
① Емулгатори и емулсии
Често срещаните емулсии се състоят от едната фаза вода или воден разтвор, а другата фаза - от органични съединения, които са несмесващи се с вода, като масла, восъци и др. Емулсиите, образувани от вода и масло, могат да бъдат разделени на два вида въз основа на тяхната дисперсия: масло, диспергирано във вода, образува емулсия вода в масло, представена като O/W (масло/вода); вода, диспергирана в масло, образува емулсия вода в масло, представена като W/O (вода/масло). Освен това, могат да се образуват и сложни емулсии вода в масло във вода W/O/W и масло във вода в масло O/W/O.
Емулгаторът стабилизира емулсията, като намалява междуфазовото напрежение и образува еднослойна маска за лице.
Изисквания към емулгаторите при емулгиране: а: емулгаторите трябва да могат да адсорбират или обогатяват на границата между двете фази, намалявайки междуфазовото напрежение; б: Емулгаторите трябва да придават на частиците електрически заряд, причинявайки електростатично отблъскване между частиците или образувайки стабилен, силно вискозен защитен филм около частиците. Така че, веществата, използвани като емулгатори, трябва да имат амфифилни групи, за да имат емулгиращ ефект, а повърхностноактивните вещества могат да отговорят на това изискване.
② Методи за приготвяне на емулсии и фактори, влияещи върху стабилността на емулсията
Има два метода за приготвяне на емулсии: единият е да се използват механични методи за диспергиране на течността на малки частици в друга течност, което обикновено се използва в промишлеността за приготвяне на емулсии; Друг метод е да се разтвори течност в молекулярно състояние в друга течност и след това да се позволи тя да се агрегира по подходящ начин, за да образува емулсия.
Стабилността на емулсиите се отнася до способността им да устояват на агрегацията на частиците и да причиняват фазово разделяне. Емулсиите са термодинамично нестабилни системи със значителна свободна енергия. Следователно, стабилността на емулсията всъщност се отнася до времето, необходимо на системата да достигне равновесие, т.е. времето, необходимо на течността в системата да се раздели.
Когато в маската за лице има полярни органични молекули като мастен алкохол, мастна киселина и мастен амин, здравината на мембраната се увеличава значително. Това е така, защото молекулите на емулгатора в адсорбционния слой на интерфейса взаимодействат с полярни молекули като алкохол, киселина и амин, за да образуват „комплекс“, което увеличава здравината на интерфейсната маска за лице.
Емулгаторите, съставени от две или повече повърхностноактивни вещества, се наричат смесени емулгатори. Смесените емулгатори се адсорбират върху границата вода/масло, а междумолекулните взаимодействия могат да образуват комплекси. Поради силното междумолекулно взаимодействие, междуфазовото напрежение е значително намалено, количеството емулгатор, адсорбиран върху границата, е значително увеличено, а плътността и здравината на образуваната междуфазова маска за лице се увеличават.
Зарядът на капчиците има значително влияние върху стабилността на емулсиите. Стабилните емулсии обикновено имат капчици с електрически заряди. При използване на йонни емулгатори, емулгаторните йони, адсорбирани върху повърхността на раздела, вмъкват своите липофилни групи в маслената фаза, докато хидрофилните групи са във водната фаза, като по този начин правят капчиците заредени. Поради факта, че капчиците на емулсията носят еднакъв заряд, те се отблъскват взаимно и не се агломерират лесно, което води до повишена стабилност. Може да се види, че колкото повече емулгаторни йони са адсорбирани върху капчиците, толкова по-голям е техният заряд и толкова по-голяма е способността им да предотвратяват коалесценцията на капчиците, което прави емулсионната система по-стабилна.
Вискозитетът на емулсионната дисперсионна среда има известно влияние върху стабилността на емулсията. Обикновено, колкото по-висок е вискозитетът на диспергиращата среда, толкова по-висока е стабилността на емулсията. Това е така, защото вискозитетът на диспергиращата среда е висок, което силно възпрепятства Брауновото движение на течните капчици, забавя сблъсъка между капчиците и поддържа системата стабилна. Полимерните вещества, които обикновено са разтворими в емулсии, могат да увеличат вискозитета на системата и да подобрят стабилността ѝ. Освен това, полимерът може да образува твърда повърхностна маска за лице, което прави емулсионната система по-стабилна.
В някои случаи добавянето на твърд прах може също да стабилизира емулсията. Твърдият прах не е във вода, масло или на границата на раздела, в зависимост от омокрящата способност на маслото и водата върху твърдия прах. Ако твърдият прах не е напълно омокрен от вода и може да бъде омокрен от масло, той ще остане на границата вода-масло.
Причината, поради която твърдият прах не стабилизира емулсията, е, че прахът, събран на границата на раздела, не укрепва повърхността на маската за лице, която е подобна на адсорбционните емулгаторни молекули на границата. Следователно, колкото по-близо са разположени частиците на твърдия прах на границата, толкова по-стабилна ще бъде емулсията.
Повърхностноактивните вещества имат способността значително да увеличат разтворимостта на органични съединения, които са неразтворими или слабо разтворими във вода, след образуване на мицели във воден разтвор, като разтворът е прозрачен по това време. Този ефект на мицелите се нарича солюбилизация. Повърхностноактивните вещества, които могат да произведат солюбилизиращи ефекти, се наричат солюбилизатори, а органичните съединения, които са разтворени, се наричат солюбилизирани съединения.
8. Пяна
Пяната играе важна роля в процеса на измиване. Пяната се отнася до дисперсионна система, в която газът е диспергиран в течност или твърдо вещество. Газът е дисперсионната фаза, а течността или твърдото вещество е дисперсионната среда. Първата се нарича течна пяна, докато втората се нарича твърда пяна, като например пенопласт, пеностъкло, пеноцимент и др.
(1) Образуване на пяна
Пяната тук се отнася до агрегацията от мехурчета, разделени от течен филм. Поради голямата разлика в плътността между дисперсната фаза (газ) и дисперсната среда (течност) и ниския вискозитет на течността, пяната винаги може бързо да се издигне до нивото на течността.
Процесът на образуване на пяна е да се внесе голямо количество газ в течността, а мехурчетата в течността бързо се връщат на повърхността на течността, образувайки агрегат от мехурчета, разделен от малко количество течност и газ.
Пяната има две забележителни морфологични характеристики: първо, мехурчетата като дисперсна фаза често са полиедрични, защото в пресечната точка на мехурчетата има тенденция течният филм да става по-тънък, което прави мехурчетата полиедрични. Когато течният филм стане по-тънък до известна степен, мехурчетата ще се спукат; второ, чистата течност не може да образува стабилна пяна, но течността, която може да образува пяна, е поне от два или повече компонента. Водният разтвор на повърхностноактивно вещество е типична система, лесна за образуване на пяна, а способността му да образува пяна е свързана и с други свойства.
Повърхностноактивните вещества с добра пенообразуваща способност се наричат пенообразуващи агенти. Въпреки че пенообразувателят има добра пенообразуваща способност, образуваната пяна може да не е в състояние да се поддържа дълго време, т.е. нейната стабилност може да не е добра. За да се поддържа стабилността на пяната, към пенообразувателя често се добавя вещество, което може да увеличи стабилността на пяната, наречено стабилизатор на пяната. Най-често използваните стабилизатори на пяната са лауроил диетаноламин и додецил диметил амин оксид.
(2) Стабилност на пяната
Пяната е термодинамично нестабилна система и крайната тенденция е, че общата повърхност на течността в системата намалява, а свободната енергия намалява след разкъсване на мехурчетата. Процесът на обезпеняване е процес, при който течният филм, отделящ газа, променя дебелината си, докато се разкъса. Следователно, стабилността на пяната се определя главно от скоростта на изтичане на течността и здравината на течния филм. Има и няколко други влияещи фактора.
① Повърхностно напрежение
От енергийна гледна точка, ниското повърхностно напрежение е по-благоприятно за образуването на пяна, но не може да гарантира стабилността на пяната. Ниското повърхностно напрежение, ниската разлика в налягането, бавната скорост на изтичане на течността и бавното изтъняване на течния филм са благоприятни за стабилността на пяната.
② Повърхностен вискозитет
Ключовият фактор, определящ стабилността на пяната, е здравината на течния филм, която се определя главно от твърдостта на повърхностния адсорбционен филм, измерена чрез повърхностния вискозитет. Експериментите показват, че пяната, получена от разтвор с по-висок повърхностен вискозитет, има по-дълъг живот. Това е така, защото взаимодействието между адсорбираните молекули на повърхността води до увеличаване на здравината на мембраната, като по този начин подобрява живота на пяната.
③ Вискозитет на разтвора
Когато вискозитетът на самата течност се увеличи, течността в течния филм не се отделя лесно и скоростта на изтъняване на течния филм е бавна, което забавя времето за разкъсване на течния филм и увеличава стабилността на пяната.
④ „Възстановяващият“ ефект на повърхностното напрежение
Повърхностноактивните вещества, адсорбирани върху повърхността на течния филм, имат способността да устояват на разширяването или свиването на повърхността на течния филм, което наричаме възстановителен ефект. Това е така, защото върху повърхността е адсорбиран течен филм от повърхностноактивни вещества, чието разширяване на повърхностната му площ ще намали концентрацията на адсорбирани върху повърхността молекули и ще увеличи повърхностното напрежение. По-нататъшното разширяване на повърхността ще изисква по-големи усилия. Обратно, свиването на повърхностната площ ще увеличи концентрацията на адсорбирани молекули върху повърхността, намалявайки повърхностното напрежение и възпрепятствайки по-нататъшното свиване.
⑤ Дифузията на газ през течен филм
Поради наличието на капилярно налягане, налягането на малките мехурчета в пяната е по-високо от това на големите мехурчета, което ще доведе до дифундиране на газа в малките мехурчета в големите мехурчета с ниско налягане през течния филм. В резултат на това малките мехурчета стават по-малки, големите мехурчета стават по-големи и накрая пяната се разпуква. Ако се добави повърхностноактивно вещество, пяната ще бъде равномерна и плътна при разпенване и не е лесно да се обезпени. Тъй като повърхностноактивното вещество е разположено плътно върху течния филм, е трудно да се вентилира, което прави пяната по-стабилна.
⑥ Влиянието на повърхностния заряд
Ако течният филм от пяна е зареден с един и същ символ, двете повърхности на течния филм ще се отблъскват взаимно, предотвратявайки изтъняването или дори разрушаването му. Йонните повърхностноактивни вещества могат да осигурят този стабилизиращ ефект.
В заключение, здравината на течния филм е ключов фактор за определяне на стабилността на пяната. Като повърхностноактивно вещество за пенообразуватели и стабилизатори на пяна, плътността и твърдостта на адсорбираните на повърхността молекули са най-важните фактори. Когато взаимодействието между адсорбираните молекули върху повърхността е силно, адсорбираните молекули са разположени плътно една до друга, което не само прави самата повърхностна маска за лице с висока здравина, но и затруднява течливостта на разтвора в съседство с повърхността на маската поради високия повърхностен вискозитет. Така че е сравнително трудно за течния филм да се отцеди и дебелината на течния филм е лесна за поддържане. Освен това, плътно разположените повърхностни молекули могат също да намалят пропускливостта на газовите молекули и по този начин да увеличат стабилността на пяната.
(3) Разрушаване на пяната
Основният принцип на разрушаване на пяната е да се променят условията за образуване на пяна или да се елиминират факторите на стабилност на пяната, така че има два метода за обезпеняване - физичен и химичен.
Физическото обезпеняване е промяна на условията, при които се образува пяна, като същевременно се запазва непроменен химичният състав на пяновия разтвор. Например, външни силови смущения, промяна на температурата или налягането и ултразвукова обработка са ефективни физични методи за премахване на пяната.
Методът за химическо обезпеняване е добавянето на някои вещества, които взаимодействат с пенообразувателя, намаляват здравината на течния филм в пяната и след това намаляват стабилността на пяната, за да се постигне целта на обезпеняване. Такива вещества се наричат пеногасители. Повечето пеногасители са повърхностноактивни вещества. Следователно, според механизма на обезпеняване, пеногасителите трябва да имат силна способност за намаляване на повърхностното напрежение, да се адсорбират лесно върху повърхността и да имат слабо взаимодействие между повърхностно адсорбираните молекули, което води до относително свободна структура на разположение на адсорбираните молекули.
Съществуват различни видове пеногасители, но те са предимно нейонни повърхностноактивни вещества. Нейонните повърхностноактивни вещества имат антипенни свойства близо до или над точката на помътняване и обикновено се използват като пеногасители. Алкохолите, особено тези с разклонени структури, мастните киселини и естери, полиамидите, фосфатите, силиконовите масла и др., също често се използват като отлични пеногасители.
(4) Пяна и измиване
Няма пряка връзка между пяната и измиващия ефект, а количеството пяна не означава, че измиващият ефект е добър или лош. Например, нейонните повърхностноактивни вещества имат много по-ниска пенообразуваща способност от тази на сапуна, но почистващата им сила е много по-добра.
В някои случаи пяната е полезна за премахване на замърсявания. Например, при миене на съдове за хранене у дома, пяната на препарата може да отстрани отмити капки масло; при търкане на килими, пяната помага за премахване на твърди замърсявания като прах и пудра. Освен това, пяната понякога може да се използва като индикатор за ефективността на препарата, тъй като мазните петна от масло могат да попречат на образуването на пяна. Когато има твърде много мазни петна и твърде малко препарат, няма да има пяна или оригиналната пяна ще изчезне. Понякога пяната може да се използва и като индикатор за чистота на изплакването. Тъй като количеството пяна в разтвора за изплакване има тенденция да намалява с намаляването на съдържанието на препарат, степента на изплакване може да се оцени по количеството пяна.
9. Процес на пране
В широк смисъл, измиването е процес на отстраняване на нежелани компоненти от измития обект и постигане на определена цел. Измиването в обичайния смисъл се отнася до процеса на отстраняване на замърсявания от повърхността на носител. По време на измиване взаимодействието между замърсяванията и носителя се отслабва или елиминира чрез действието на някои химични вещества (като детергенти), превръщайки комбинацията от замърсяване и носител в комбинация от замърсяване и детергент, което в крайна сметка води до отделянето на замърсяванията и носителя. Тъй като обектите, които трябва да се измият, и замърсяванията, които трябва да се отстранят, са разнообразни, измиването е много сложен процес и основният процес на измиване може да бъде представен чрез следната проста зависимост.
Превозвач • Мръсотия + Препарат = Превозвач + Мръсотия • Препарат
Процесът на пране обикновено може да се раздели на два етапа: първият е отделянето на замърсяванията от носителя им под действието на перилния препарат; вторият е, че отделените замърсявания се диспергират и суспендират в средата. Процесът на пране е обратим процес и замърсяванията, които са диспергирани или суспендирани в средата, могат също да се утаят отново от средата върху прането. Следователно, един отличен перилен препарат трябва не само да има способността да отделя замърсяванията от носителя, но и да има добра способност да диспергира и суспендира замърсяванията, и да предотвратява повторното им отлагане.
(1) Видове мръсотия
Дори за един и същ предмет, видът, съставът и количеството замърсявания ще варират в зависимост от средата на употреба. Замърсяванията от масло по тялото включват главно животински и растителни масла, както и минерални масла (като суров петрол, мазут, каменовъглен катран и др.), докато твърдите замърсявания включват главно дим, прах, ръжда, сажди и др. Що се отнася до замърсяванията от дрехи, има замърсявания от човешкото тяло, като пот, себум, кръв и др.; замърсявания от храна, като петна от плодове, петна от хранителни масла, петна от подправки, нишесте и др.; замърсявания, внесени от козметика, като червило и лак за нокти; замърсявания от атмосферата, като дим, прах, пръст и др.; други материали като мастило, чай, боя и др. Може да се каже, че има различни и разнообразни видове.
Различните видове замърсявания обикновено могат да бъдат разделени на три категории: твърда мръсотия, течна мръсотия и специална мръсотия.
① Обикновените твърди замърсявания включват частици като пепел, кал, почва, ръжда и сажди. Повечето от тези частици имат повърхностен заряд, предимно отрицателен, и лесно се адсорбират върху влакнести предмети. Обикновено твърдите замърсявания са трудни за разтваряне във вода, но могат да бъдат диспергирани и суспендирани от разтвори на детергенти. Твърдите замърсявания с малки частици са трудни за отстраняване.
② Течните замърсявания са предимно маслоразтворими, включително животински и растителни масла, мастни киселини, мастни алкохоли, минерални масла и техните оксиди. Сред тях животинските и растителните масла и мастните киселини могат да претърпят осапуняване с алкали, докато мастните алкохоли и минералните масла не се осапуняват от алкали, но могат да се разтворят в алкохоли, етери и въглеводородни органични разтворители, както и да се емулгират и диспергират от водни разтвори на детергенти. Маслоразтворимите течни замърсявания обикновено имат силно взаимодействие с влакнестите обекти и се адсорбират здраво върху влакната.
③ Специалните замърсявания включват протеини, нишесте, кръв, човешки секрети като пот, себум, урина, както и плодов сок, чай и др. Повечето от тези видове замърсявания могат силно да се адсорбират върху влакнести предмети чрез химични реакции. Следователно, измиването им е доста трудно.
Различните видове замърсявания рядко съществуват самостоятелно, често се смесват и адсорбират заедно върху предмети. Понякога замърсяванията могат да се окисляват, разлагат или гният под външни влияния, което води до образуването на нови замърсявания.
(2) Адхезионният ефект на мръсотията
Причината, поради която дрехите, ръцете и др. могат да се замърсят, е, че има някакъв вид взаимодействие между предметите и мръсотията. Съществуват различни адхезионни ефекти на мръсотията върху предметите, но те са основно физическа адхезия и химическа адхезия.
① Физическото прилепване на цигарена пепел, прах, утайки, въглероден сажди и други вещества към дрехите. Най-общо казано, взаимодействието между прилепналата мръсотия и замърсения предмет е сравнително слабо и отстраняването ѝ също е сравнително лесно. В зависимост от различните сили, физическото прилепване на мръсотията може да се раздели на механично и електростатично.
A: Механичното прилепване се отнася главно до прилепването на твърди замърсявания, като прах и утайки. Механичното прилепване е слаб метод за прилепване на замърсявания, които почти могат да бъдат отстранени с прости механични методи. Въпреки това, когато размерът на частиците на замърсяването е малък (<0,1 μm), отстраняването им е по-трудно.
Б: Електростатичната адхезия се проявява главно чрез действието на заредени частици мръсотия върху обекти с противоположни заряди. Повечето влакнести обекти носят отрицателен заряд във водата и лесно се залепват за положително заредени замърсявания, като например вар. Някои замърсявания, макар и отрицателно заредени, като например частици от въглероден сажди във водни разтвори, могат да се залепват за влакната чрез йонни мостове, образувани от положителни йони (като Ca2+, Mg2+ и др.) във вода (йоните действат заедно между множество противоположни заряди, действайки като мостове).
Статичното електричество е по-силно от простото механично действие, което прави премахването на замърсявания сравнително трудно.
③ Премахване на специални замърсявания
Протеини, нишесте, човешки секрети, плодов сок, чай и други видове замърсявания са трудни за отстраняване с обикновени повърхностноактивни вещества и изискват специални методи на третиране.
Протеинови петна като сметана, яйца, кръв, мляко и кожни екскременти са склонни към коагулация и денатурация върху влакната и се прилепват по-здраво. За отстраняване на протеинови замърсявания може да се използва протеаза. Протеазата може да разгради протеините в замърсяванията до водоразтворими аминокиселини или олигопептиди.
Петната от нишесте идват главно от храна, докато други, като например месни сокове, паста и др. Нишестените ензими имат каталитичен ефект върху хидролизата на нишестените петна, разграждайки нишестето до захари.
Липазата може да катализира разграждането на някои триглицериди, които са трудни за отстраняване чрез конвенционални методи, като например себум, отделян от човешкото тяло, хранителни масла и др., за да разгради триглицеридите до разтворим глицерол и мастни киселини.
Някои цветни петна от плодов сок, чай, мастило, червило и др. често са трудни за цялостно почистване дори след многократно пране. Този тип петна могат да бъдат премахнати чрез окислително-редукционни реакции, използващи окислители или редуциращи агенти като белина, които разграждат структурата на хромофора или хромофорните групи и ги разграждат на по-малки водоразтворими компоненти.
От гледна точка на химическото чистене, има приблизително три вида замърсявания.
① Маслоразтворимите замърсявания включват различни масла и мазнини, които са течни или мазни и разтворими в разтворители за химическо чистене.
② Водоразтворимите замърсявания са разтворими във воден разтвор, но неразтворими в препарати за химическо чистене. Те се адсорбират върху дрехите под формата на воден разтвор и след изпаряване на водата се утаяват гранулирани твърди вещества като неорганични соли, нишесте, протеини и др.
③ Неразтворимите във вода замърсявания от масло са неразтворими както във вода, така и в разтворители за химическо чистене, като например въглероден черен, различни метални силикати и оксиди.
Поради различните свойства на различните видове замърсявания, има различни начини за тяхното отстраняване по време на процеса на химическо чистене. Маслоразтворимите замърсявания, като животински и растителни масла, минерални масла и мазнини, са лесно разтворими в органични разтворители и могат лесно да бъдат отстранени по време на химическо чистене. Отличната разтворимост на разтворителите за химическо чистене на масла и мазнини се дължи основно на силите на Ван дер Ваалс между молекулите.
За премахване на водоразтворими замърсявания, като неорганични соли, захари, протеини, пот и др., е необходимо да се добави и подходящо количество вода към препарата за химическо чистене, в противен случай водоразтворимите замърсявания са трудни за отстраняване от дрехите. Но водата е трудна за разтваряне в препаратите за химическо чистене, така че за да се увеличи количеството вода, е необходимо да се добавят повърхностноактивни вещества. Водата, присъстваща в препаратите за химическо чистене, може да хидратира замърсяванията и повърхността на дрехите, което улеснява взаимодействието им с полярните групи на повърхностноактивните вещества, което е благоприятно за адсорбцията им върху повърхността. Освен това, когато повърхностноактивните вещества образуват мицели, водоразтворимите замърсявания и водата могат да се разтворят в мицелите. Повърхностноактивните вещества могат не само да увеличат съдържанието на вода в разтворителите за химическо чистене, но и да предотвратят повторното отлагане на замърсявания, за да подобрят почистващия ефект.
Наличието на малко количество вода е необходимо за премахване на водоразтворими замърсявания, но прекомерното количество вода може да доведе до деформация, набръчкване и др. на някои дрехи, така че съдържанието на вода в сухия перилен препарат трябва да бъде умерено.
Твърди частици като пепел, кал, почва и въглероден черен, които не са нито водоразтворими, нито маслоразтворими, обикновено полепват по дрехите чрез електростатична адсорбция или чрез комбиниране с маслени петна. При химическо чистене потокът и въздействието на разтворителите могат да доведат до падане на адсорбираната от електростатичните сили мръсотия, докато препаратите за химическо чистене могат да разтворят маслени петна, което води до падане на твърди частици, които се комбинират с маслените петна и полепват по дрехите, от препарата. Малкото количество вода и повърхностноактивни вещества в препарата за химическо чистене могат стабилно да суспендират и разпръснат твърдите частици мръсотия, които падат, предотвратявайки повторното им отлагане върху дрехите.
(5) Фактори, влияещи върху ефекта на измиване
Насочената адсорбция на повърхностноактивни вещества на границата на раздела и намаляването на повърхностното (междуфазово) напрежение са основните фактори за отстраняване на течни или твърди замърсявания. Процесът на пране обаче е сравнително сложен и дори ефектът на пране на един и същ вид препарат се влияе от много други фактори. Тези фактори включват концентрацията на препарата, температурата, естеството на замърсяванията, вида на влакната и структурата на тъканта.
① Концентрация на повърхностноактивни вещества
Мицелите на повърхностноактивните вещества в разтвора играят важна роля в процеса на измиване. Когато концентрацията достигне критичната мицелна концентрация (КМК), ефектът на измиване се увеличава рязко. Следователно, концентрацията на детергента в разтворителя трябва да бъде по-висока от стойността на КМК, за да се постигне добър ефект на измиване. Когато обаче концентрацията на повърхностноактивните вещества надвиши стойността на КМК, нарастващият ефект на измиване става по-малко значителен и прекомерното увеличаване на концентрацията на повърхностноактивните вещества не е необходимо.
Когато се използва солюбилизация за премахване на мазни петна, дори ако концентрацията е над стойността на CMC, ефектът на солюбилизация все пак се увеличава с увеличаване на концентрацията на повърхностноактивното вещество. В този случай е препоръчително да се използва препарат локално, например върху маншетите и яките на дрехите, където има много замърсявания. При пране първо може да се нанесе слой препарат, за да се подобри ефектът на солюбилизация на повърхностноактивните вещества върху мазните петна.
② Температурата има значително влияние върху почистващия ефект. Като цяло, повишаването на температурата е полезно за премахване на замърсявания, но понякога прекомерната температура може да причини и неблагоприятни фактори.
Повишаването на температурата е благоприятно за дифузията на замърсяванията. Твърдите маслени петна лесно се емулгират, когато температурата е над точката им на топене, а влакната също увеличават степента си на разширяване поради повишаването на температурата. Всички тези фактори са благоприятни за отстраняването на замърсявания. При плътните тъкани обаче микропролуките между влакната се намаляват след разширяването им, което не е благоприятно за отстраняването на замърсявания.
Температурните промени също влияят върху разтворимостта, стойността на CMC и размера на мицелите на повърхностноактивните вещества, като по този начин влияят върху ефекта на измиване. Повърхностноактивните вещества с дълга въглеродна верига имат по-ниска разтворимост при ниски температури, а понякога дори по-ниска разтворимост от стойността на CMC. В този случай температурата на измиване трябва да се повиши съответно. Влиянието на температурата върху стойността на CMC и размера на мицелите е различно за йонните и нейонните повърхностноактивни вещества. За йонните повърхностноактивни вещества повишаването на температурата обикновено води до повишаване на стойността на CMC и намаляване на размера на мицелите. Това означава, че концентрацията на повърхностноактивните вещества трябва да се увеличи в измиващия разтвор. За нейонните повърхностноактивни вещества повишаването на температурата води до намаляване на тяхната CMC стойност и значително увеличаване на размера на мицелите им. Може да се види, че подходящото повишаване на температурата може да помогне на нейонните повърхностноактивни вещества да проявят своята повърхностна активност. Но температурата не трябва да надвишава точката им на помътняване.
Накратко, най-подходящата температура на пране е свързана с формулата на препарата и предмета, който се пере. Някои препарати имат добри почистващи ефекти при стайна температура, докато други препарати имат значително различни почистващи ефекти при студено и горещо пране.
③ Пяна
Хората често бъркат способността за образуване на пяна с перилния ефект, вярвайки, че препаратите със силна способност за образуване на пяна имат по-добър перилен ефект. Резултатите показват, че перилният ефект не е пряко свързан с количеството пяна. Например, използването на препарат с ниско образуване на пяна за пране няма по-лош перилен ефект от препарата с високо образуване на пяна.
Въпреки че пяната не е пряко свързана с измиването, тя все пак е полезна за премахване на замърсявания в някои ситуации. Например, пяната на препарата за миене може да отнесе капки масло при ръчно миене на чинии. При търкане на килима, пяната може също да отстрани твърди частици мръсотия, като например прах. Прахът представлява голяма част от замърсяванията на килима, така че препаратът за почистване на килими трябва да има определена способност за образуване на пяна.
Пенообразуваща сила също е важна за шампоана. Фината пяна, която течността произвежда при миене на косата или къпане, кара хората да се чувстват комфортно.
④ Видове влакна и физични свойства на текстила
В допълнение към химическата структура на влакната, влияеща върху адхезията и отстраняването на замърсявания, външният вид на влакната и организационната структура на преждите и тъканите също оказват влияние върху трудността при отстраняване на замърсявания.
Люспите на вълнените влакна и плоската лентообразна структура на памучните влакна са по-склонни да натрупват замърсявания, отколкото гладките влакна. Например, саждите, залепнали за целулозно фолио (лепило), се отстраняват лесно, докато саждите, залепнали за памучна тъкан, се отмиват трудно. Например, полиестерните тъкани с къси влакна са по-склонни да натрупват мазни петна, отколкото тъканите с дълги влакна, а мазните петна върху тъканите с къси влакна също са по-трудни за премахване от тези върху тъканите с дълги влакна.
Плътно усуканите прежди и плътните тъкани, поради малките микропролуки между влакната, могат да устоят на проникването на замърсявания, но също така предотвратяват отстраняването на вътрешните замърсявания от почистващия разтвор. Следователно, плътните тъкани имат добра устойчивост на замърсявания в началото, но също така е трудно да се почистят, след като се замърсят.
⑤ Твърдостта на водата
Концентрацията на метални йони като Ca2+ и Mg2+ във водата оказва значително влияние върху ефекта на измиване, особено когато анионните повърхностноактивни вещества се срещат с Ca2+ и Mg2+ йони, образувайки калциеви и магнезиеви соли с лоша разтворимост, което може да намали тяхната почистваща способност. Дори ако концентрацията на повърхностноактивни вещества е висока в твърда вода, техният почистващ ефект е много по-лош, отколкото при дестилация. За да се постигне най-добър ефект на измиване на повърхностноактивните вещества, концентрацията на Ca2+ йони във водата трябва да се намали до под 1 × 10-6mol/L (CaCO3 трябва да се намали до 0,1mg/L). Това изисква добавяне на различни омекотители към детергента.
Време на публикуване: 16 август 2024 г.