1. Поверхностное натяжение
Сила сокращения на единицу длины на поверхности жидкости называется поверхностным натяжением и измеряется в Н • м-1.
2. Поверхностная активность и поверхностно-активные вещества
Свойство, способное снижать поверхностное натяжение растворителей, называется поверхностной активностью, а вещества, обладающие поверхностной активностью, называются поверхностно-активными веществами.
Поверхностно-активные вещества (ПАВ) относятся к поверхностно-активным веществам, способным образовывать мицеллы и другие агрегаты в водных растворах, обладающим высокой поверхностной активностью, а также выполняющим смачивающие, эмульгирующие, пенообразующие, моющие и другие функции.
3. Молекулярно-структурные характеристики поверхностно-активных веществ
Поверхностно-активные вещества (ПАВ) — это органические соединения с особыми структурами и свойствами, которые могут существенно изменять межфазное натяжение между двумя фазами или поверхностное натяжение жидкостей (обычно воды) и обладают такими свойствами, как смачивание, вспенивание, эмульгирование и моющие свойства.
С точки зрения структуры поверхностно-активные вещества имеют общую характеристику: они содержат в своих молекулах две различные функциональные группы. Один конец представляет собой длинноцепочечную неполярную группу, растворимую в масле, но нерастворимую в воде, известную как гидрофобная группа или гидрофобная группа. Эти гидрофобные группы, как правило, представляют собой длинноцепочечные углеводороды, иногда также органические фтор-, кремнийорганические, фосфорорганические, оловоорганические цепи и т. д. Другой конец представляет собой водорастворимую функциональную группу, а именно гидрофильную группу или гидрофильную группу. Гидрофильная группа должна обладать достаточной гидрофильностью, чтобы обеспечить растворимость всего поверхностно-активного вещества в воде и необходимую растворимость. Благодаря наличию гидрофильных и гидрофобных групп в поверхностно-активных веществах они могут растворяться по крайней мере в одной из фаз жидкости. Гидрофильные и олеофильные свойства поверхностно-активных веществ называются амфифильностью.
4.Типы поверхностно-активных веществ
Поверхностно-активные вещества (ПАВ) представляют собой амфифильные молекулы, содержащие как гидрофобные, так и гидрофильные группы. Гидрофобные группы ПАВ обычно состоят из длинноцепочечных углеводородов, таких как алкильные группы с прямой цепью C8-C20, алкильные группы с разветвленной цепью C8-C20, алкилфенильные (с 8-16 атомами углерода в алкильных группах) и т. д. Различия в гидрофобных группах заключаются главным образом в структурных изменениях углеродных и водородных цепей, при этом различия относительно невелики, в то время как гидрофильных групп существует больше. Таким образом, свойства ПАВ в основном связаны с гидрофильными группами, а также с размером и формой гидрофобных групп. Структурные изменения гидрофильных групп значительнее, чем у гидрофобных групп, поэтому классификация ПАВ обычно основана на структуре гидрофильных групп. Эта классификация в основном основана на том, являются ли гидрофильные группы ионными, что позволяет разделить их на анионные, катионные, неионогенные, цвиттер-ионные и другие особые типы ПАВ.
5. Характеристики водного раствора поверхностно-активного вещества
① Адсорбция поверхностно-активных веществ на границах раздела
Молекулы поверхностно-активных веществ содержат липофильные и гидрофильные группы, что делает их амфифильными молекулами. Вода — сильно полярная жидкость. При растворении поверхностно-активных веществ в воде, согласно принципу подобия полярности и отталкивания разности полярности, их гидрофильные группы притягиваются к водной фазе и растворяются в ней, в то время как липофильные группы отталкивают воду и покидают её. В результате молекулы (или ионы) поверхностно-активного вещества адсорбируются на границе раздела двух фаз, снижая поверхностное натяжение. Чем больше молекул (или ионов) поверхностно-активного вещества адсорбируется на границе раздела, тем сильнее снижается поверхностное натяжение.
② Некоторые свойства адсорбционной мембраны
Поверхностное давление адсорбционной мембраны: поверхностно-активные вещества адсорбируются на границе раздела газ-жидкость, образуя адсорбционную мембрану. Если на границу раздела поместить подвижную плавающую пластину, не допускающую трения, и эта плавающая пластина будет толкать адсорбционную мембрану вдоль поверхности раствора, мембрана будет оказывать давление на плавающую пластину, называемое поверхностным давлением.
Поверхностная вязкость: Как и поверхностное давление, поверхностная вязкость является свойством, присущим нерастворимым молекулярным плёнкам. Подвесьте платиновое кольцо на тонкой металлической проволоке так, чтобы его плоскость соприкасалась с поверхностью воды в раковине. Вращайте платиновое кольцо. Вязкость воды препятствует вращению платинового кольца, и амплитуда колебаний постепенно затухает, что позволяет измерить поверхностную вязкость. Метод заключается в следующем: сначала проведите эксперименты на чистой поверхности воды, измерьте затухание амплитуды колебаний, затем измерьте затухание после образования поверхностной маски и по разнице между ними рассчитайте вязкость поверхностной маски.
Поверхностная вязкость тесно связана с упругостью поверхностной маски. Поскольку адсорбционная пленка обладает поверхностным давлением и вязкостью, она должна быть эластичной. Чем выше поверхностное давление и вязкость адсорбционной мембраны, тем выше ее модуль упругости. Модуль упругости поверхностной адсорбционной пленки имеет большое значение в процессе стабилизации пены.
③ Образование мицелл
Разбавленный раствор поверхностно-активных веществ подчиняется законам идеальных растворов. Адсорбция поверхностно-активных веществ на поверхности раствора увеличивается с ростом его концентрации. При достижении или превышении определённого значения адсорбция прекращается. Эти избыточные молекулы поверхностно-активных веществ в растворе находятся в неупорядоченном или регулярном состоянии. Как практика, так и теория показывают, что в растворе они образуют агрегаты, называемые мицеллами.
Критическая концентрация мицеллообразования: Минимальная концентрация, при которой поверхностно-активные вещества образуют мицеллы в растворе, называется критической концентрацией мицеллообразования.
④ Значение ККМ для обычного поверхностно-активного вещества.
6. Значение гидрофильного и олеофильного равновесия
ГЛБ (гидрофильно-липофильный баланс) отражает гидрофильно-липофильное равновесие гидрофильных и липофильных групп поверхностно-активного вещества, то есть значение ГЛБ поверхностно-активного вещества. Высокое значение ГЛБ указывает на сильную гидрофильность и слабую липофильность молекулы; напротив, молекула обладает сильной липофильностью и слабой гидрофильностью.
① Положения о стоимости HLB
Значение ГЛБ является относительной величиной, поэтому при его расчете в качестве стандарта принимается значение ГЛБ парафина без гидрофильных свойств, равное 0, а значение ГЛБ додецилсульфата натрия с высокой растворимостью в воде – 40. Таким образом, значение ГЛБ поверхностно-активных веществ обычно находится в диапазоне от 1 до 40. Как правило, эмульгаторы со значением ГЛБ менее 10 являются липофильными, а эмульгаторы со значением ГЛБ более 10 – гидрофильными. Следовательно, точка перехода от липофильности к гидрофильности приблизительно равна 10.
7. Эффекты эмульгирования и солюбилизации
Две несмешивающиеся жидкости, одна из которых образована диспергированием частиц (капель или жидких кристаллов) в другой, называются эмульсиями. При образовании эмульсии площадь поверхности раздела между двумя жидкостями увеличивается, что делает систему термодинамически нестабильной. Для стабилизации эмульсии необходимо добавить третий компонент – эмульгатор, чтобы снизить межфазную энергию системы. Эмульгаторы относятся к поверхностно-активным веществам, и их основная функция – выступать в роли эмульгаторов. Фаза, в которой находятся капли в эмульсии, называется дисперсной фазой (или внутренней фазой, прерывистой фазой), а другая фаза, связанная с ними, называется дисперсной средой (или внешней фазой, непрерывной фазой).
① Эмульгаторы и эмульсии
Обычные эмульсии состоят из воды или водного раствора (одной фазы) и несмешивающихся с водой органических соединений (другой фазы), таких как масла, воски и т. д. Эмульсии, образованные водой и маслом, можно разделить на два типа по степени дисперсности: масло, диспергированное в воде, образует эмульсию «вода в масле» (масло/вода); вода, диспергированная в масле, образует эмульсию «вода в масле» (вода/масло). Кроме того, могут образовываться сложные эмульсии «вода в масле в воде» (масло/вода/вода) и «масло в воде в масле» (масло/вода/масло).
Эмульгатор стабилизирует эмульсию, снижая межфазное натяжение и образуя однослойную маску для лица.
Требования к эмульгаторам при эмульгировании: а) эмульгаторы должны обладать способностью адсорбироваться или обогащаться на границе раздела двух фаз, снижая поверхностное натяжение; б) эмульгаторы должны сообщать частицам электрический заряд, вызывая электростатическое отталкивание между частицами или образуя вокруг них стабильную высоковязкую защитную пленку. Таким образом, вещества, используемые в качестве эмульгаторов, должны иметь амфифильные группы для проявления эмульгирующего эффекта, и поверхностно-активные вещества (ПАВ) могут соответствовать этому требованию.
② Методы приготовления эмульсий и факторы, влияющие на устойчивость эмульсий
Существует два метода приготовления эмульсий: один заключается в использовании механических методов для диспергирования жидкости на мелкие частицы в другой жидкости, что обычно применяется в промышленности для приготовления эмульсий; другой метод заключается в растворении жидкости в молекулярном состоянии в другой жидкости, а затем в том, чтобы дать ей возможность агрегировать соответствующим образом для образования эмульсии.
Стабильность эмульсий определяется их способностью противостоять агрегации частиц и вызывать разделение фаз. Эмульсии — термодинамически нестабильные системы со значительной свободной энергией. Следовательно, стабильность эмульсии определяется временем, необходимым для достижения системой равновесия, то есть временем, необходимым для разделения жидкости в системе.
При наличии в маске для лица полярных органических молекул, таких как жирные спирты, жирные кислоты и жирные амины, прочность мембраны значительно возрастает. Это происходит за счёт взаимодействия молекул эмульгатора в адсорбционном слое с полярными молекулами, такими как спирты, кислоты и амины, с образованием «комплекса», что повышает прочность мембраны.
Эмульгаторы, состоящие из двух или более поверхностно-активных веществ, называются смешанными эмульгаторами. Смешанные эмульгаторы адсорбируются на границе раздела вода/масло, и межмолекулярное взаимодействие может привести к образованию комплексов. Благодаря сильному межмолекулярному взаимодействию поверхностное натяжение значительно снижается, количество эмульгатора, адсорбированного на границе раздела, значительно увеличивается, а также увеличиваются плотность и прочность образующейся межфазной маски.
Заряд капель оказывает существенное влияние на стабильность эмульсий. Стабильные эмульсии обычно содержат капли с электрическим зарядом. При использовании ионных эмульгаторов ионы эмульгатора, адсорбированные на границе раздела, внедряют свои липофильные группы в масляную фазу, в то время как гидрофильные группы находятся в водной фазе, что придает каплям заряд. Поскольку капли эмульсии имеют одинаковый заряд, они отталкиваются друг от друга и не склонны к агломерации, что повышает стабильность. Видно, что чем больше ионов эмульгатора адсорбировано на каплях, тем больше их заряд и тем выше их способность предотвращать коалесценцию капель, что делает эмульсионную систему более стабильной.
Вязкость дисперсионной среды эмульсии оказывает определённое влияние на её устойчивость. Как правило, чем выше вязкость дисперсионной среды, тем выше устойчивость эмульсии. Это объясняется высокой вязкостью дисперсионной среды, которая значительно затрудняет броуновское движение капель жидкости, замедляет столкновение капель и поддерживает устойчивость системы. Полимерные вещества, обычно растворимые в эмульсиях, могут повышать вязкость системы и её устойчивость. Кроме того, полимер может образовывать плотную межфазную маску, делая эмульсионную систему более устойчивой.
В некоторых случаях добавление твёрдого порошка также может стабилизировать эмульсию. Твёрдый порошок не находится в воде, масле или на границе раздела фаз, в зависимости от смачивающей способности масла и воды. Если твердый порошок не полностью смачивается водой и может смачиваться маслом, он останется на границе раздела вода-масло.
Причина, по которой твердый порошок не стабилизирует эмульсию, заключается в том, что порошок, собранный на границе раздела, не укрепляет лицевую маску, подобно молекулам адсорбционного эмульгатора на границе раздела. Следовательно, чем ближе частицы твердого порошка расположены на границе раздела, тем стабильнее будет эмульсия.
Поверхностно-активные вещества (ПАВ) обладают способностью значительно повышать растворимость нерастворимых или малорастворимых в воде органических соединений, образуя мицеллы в водном растворе, при этом раствор становится прозрачным. Этот эффект мицеллообразования называется солюбилизацией. Поверхностно-активные вещества, обладающие солюбилизирующим эффектом, называются солюбилизаторами, а органические соединения, которые растворяются, называются солюбилизированными соединениями.
8. Пена
Пена играет важную роль в процессе мойки. Пена – это дисперсная система, в которой газ диспергирован в жидкости или твёрдом веществе. Газ является дисперсионной фазой, а жидкость или твёрдое вещество – дисперсионной средой. Первую пену называют жидкой, а вторую – твёрдой, например, пенопласт, пеностекло, пеноцемент и т. д.
(1) Образование пены
Под пеной здесь понимается совокупность пузырьков, разделённых плёнкой жидкости. Благодаря большой разнице плотностей дисперсной фазы (газа) и дисперсной среды (жидкости), а также низкой вязкости жидкости, пена всегда может быстро подняться до уровня жидкости.
Процесс образования пены заключается в том, что в жидкость попадает большое количество газа, а пузырьки, находящиеся в жидкости, быстро возвращаются на ее поверхность, образуя совокупность пузырьков, разделенных небольшим количеством жидкости и газа.
Пена обладает двумя замечательными морфологическими особенностями: во-первых, пузырьки, как дисперсная фаза, часто имеют полиэдрическую форму, поскольку в местах пересечения пузырьков наблюдается тенденция к утончению жидкой пленки, что приводит к полиэдрической форме пузырьков. При определённом утончении жидкой пленки пузырьки разрушаются; во-вторых, чистая жидкость не способна образовывать устойчивую пену, но пена, способная к образованию пены, состоит как минимум из двух или более компонентов. Водный раствор поверхностно-активного вещества (ПАВ) – типичная система, легко образующая пену, и её способность к пенообразованию также связана с другими свойствами.
Поверхностно-активные вещества с хорошей пенообразующей способностью называются пенообразователями. Несмотря на то, что пенообразователь обладает хорошей пенообразующей способностью, образующаяся пена может сохраняться недолго, то есть её стабильность может быть недостаточной. Для поддержания стабильности пены в пенообразователь часто добавляют вещество, повышающее её устойчивость, называемое стабилизатором пены. Наиболее распространёнными стабилизаторами пены являются лауроилдиэтаноламин и додецилдиметиламиноксид.
(2) Стабильность пены
Пена — термодинамически нестабильная система, и после разрыва пузырьков общая площадь поверхности жидкости в системе уменьшается, а свободная энергия снижается. Процесс пеногашения — это процесс, при котором толщина жидкой плёнки, разделяющей газ, изменяется вплоть до её разрыва. Таким образом, устойчивость пены определяется главным образом скоростью истечения жидкости и прочностью жидкой плёнки. Существует ряд других влияющих факторов.
① Поверхностное натяжение
С энергетической точки зрения низкое поверхностное натяжение более благоприятно для образования пены, но не гарантирует её устойчивости. Низкое поверхностное натяжение, небольшой перепад давления, низкая скорость истечения жидкости и медленное истончение плёнки жидкости способствуют устойчивости пены.
② Поверхностная вязкость
Ключевым фактором, определяющим устойчивость пены, является прочность жидкой плёнки, которая в основном определяется прочностью поверхностной адсорбционной плёнки, измеряемой поверхностной вязкостью. Эксперименты показывают, что пена, образуемая раствором с более высокой поверхностной вязкостью, обладает большей стойкостью. Это объясняется тем, что взаимодействие между адсорбированными молекулами на поверхности приводит к повышению прочности мембраны, тем самым увеличивая срок службы пены.
③ Вязкость раствора
При увеличении вязкости самой жидкости жидкость, находящаяся в жидкой пленке, вытесняется с трудом, а скорость уменьшения толщины жидкой пленки медленная, что задерживает время разрыва жидкой пленки и повышает устойчивость пены.
④ «Восстанавливающий» эффект поверхностного натяжения
Поверхностно-активные вещества, адсорбированные на поверхности жидкой пленки, обладают способностью противостоять её расширению или сжатию, что мы называем эффектом восстановления. Это объясняется тем, что на поверхности имеется адсорбированная жидкая пленка поверхностно-активных веществ, и расширение её поверхности снижает концентрацию адсорбированных молекул и увеличивает поверхностное натяжение. Дальнейшее расширение поверхности потребует больших усилий. И наоборот, сокращение площади поверхности увеличивает концентрацию адсорбированных молекул, снижая поверхностное натяжение и препятствуя дальнейшей усадке.
⑤ Диффузия газа через жидкую пленку
Из-за капиллярного давления давление мелких пузырьков в пене выше, чем у крупных. Это приводит к диффузии газа из мелких пузырьков в крупные пузырьки с низким давлением через пленку жидкости. В результате мелкие пузырьки уменьшаются в размерах, крупные – увеличиваются, и, в конечном итоге, пена разрушается. Добавление поверхностно-активного вещества (ПАВ) приводит к образованию однородной и плотной пены, которую трудно гасить. Поскольку ПАВ плотно прилегает к пленке жидкости, пена становится менее устойчивой, что затрудняет её вентилирование.
⑥ Влияние поверхностного заряда
Если пленка пены имеет одинаковый заряд, обе её поверхности будут отталкиваться друг от друга, предотвращая её истончение или даже разрушение. Ионные поверхностно-активные вещества могут обеспечить этот стабилизирующий эффект.
В заключение следует отметить, что прочность жидкой пленки является ключевым фактором, определяющим устойчивость пены. В качестве поверхностно-активного вещества для пенообразователей и стабилизаторов пены, плотность и упругость адсорбированных на поверхности молекул являются наиболее важными факторами. При сильном взаимодействии между адсорбированными молекулами на поверхности адсорбированные молекулы располагаются близко друг к другу, что не только придает самой поверхностной маске высокую прочность, но и затрудняет течение раствора, прилегающего к поверхностной маске, из-за высокой поверхностной вязкости, поэтому жидкой пленке относительно трудно стекать, а ее толщину легко поддерживать. Кроме того, близко расположенные поверхностные молекулы также могут снижать проницаемость молекул газа и, таким образом, повышать устойчивость пены.
(3) Разрушение пены
Основной принцип разрушения пены заключается в изменении условий ее образования или устранении факторов устойчивости пены, поэтому существует два метода пеногашения: физический и химический.
Физическое пеногашение заключается в изменении условий образования пены при сохранении химического состава пенного раствора. Например, воздействие внешней силы, изменение температуры или давления, а также ультразвуковая обработка являются эффективными физическими методами устранения пены.
Химический метод пеногашения заключается в добавлении веществ, взаимодействующих с пенообразователем, что снижает прочность жидкой пленки в пене и, следовательно, снижает её устойчивость для достижения цели пеногашения. Такие вещества называются пеногасителями. Большинство пеногасителей являются поверхностно-активными веществами. Следовательно, согласно механизму пеногашения, пеногасители должны обладать высокой способностью снижать поверхностное натяжение, легко адсорбироваться на поверхности и иметь слабые взаимодействия между адсорбированными на поверхности молекулами, что приводит к относительно рыхлому расположению адсорбированных молекул.
Существуют различные типы пеногасителей, но большинство из них — неионогенные поверхностно-активные вещества. Неионогенные поверхностно-активные вещества обладают антипенными свойствами при температуре, близкой к точке помутнения или выше, и широко используются в качестве пеногасителей. Спирты, особенно с разветвлённой структурой, жирные кислоты и сложные эфиры, полиамиды, фосфаты, силиконовые масла и т. д. также широко используются в качестве превосходных пеногасителей.
(4) Пена и моющее средство
Между пеной и эффективностью стирки нет прямой зависимости, и количество пены не определяет эффективность стирки. Например, пенообразование неионогенных поверхностно-активных веществ значительно уступает мылу, но их очищающая способность значительно выше.
В некоторых случаях пена полезна для удаления загрязнений. Например, при мытье посуды дома пена моющего средства может удалить смытые капли масла; при чистке ковров пена помогает удалить твердые загрязнения, такие как пыль и порошок. Кроме того, пена иногда может служить показателем эффективности моющего средства, поскольку жирные масляные пятна могут препятствовать образованию пены. При слишком большом количестве масляных пятен и слишком малом количестве моющего средства пена может отсутствовать или исчезать. Иногда пена также может служить показателем чистоты ополаскивания. Поскольку количество пены в ополаскивающем растворе имеет тенденцию к уменьшению с уменьшением содержания моющего средства, степень очистки можно оценить по количеству пены.
9. Процесс стирки
В широком смысле мойка – это процесс удаления нежелательных компонентов с моющегося объекта и достижения определённой цели. В обычном понимании мойка – это процесс удаления загрязнений с поверхности носителя. Во время мойки взаимодействие между грязью и носителем ослабевает или прекращается под действием некоторых химических веществ (например, моющих средств), преобразуя комбинацию грязи и носителя в комбинацию грязи и моющего средства, что в конечном итоге приводит к отделению грязи и носителя. Поскольку моющиеся объекты и удаляемые загрязнения различны, мойка – очень сложный процесс, и его можно представить следующим простым соотношением:
Перевозчик • Грязь + Моющее средство = Перевозчик + Грязь • Моющее средство
Процесс стирки обычно можно разделить на два этапа: первый — это разделение грязи и носителя под действием моющего средства; второй — отделение грязи от носителя, диспергирование и взвешивание в среде. Процесс стирки — обратимый, и грязь, диспергированная или взвешенная в среде, может также повторно осаждаться на белье. Поэтому качественное моющее средство должно не только отделять грязь от носителя, но и обладать хорошей способностью диспергировать и взвешивать грязь, предотвращая её повторное осаждение.
(1) Типы грязи
Даже для одного и того же предмета тип, состав и количество грязи будут различаться в зависимости от среды использования. К маслянистым загрязнениям относятся в основном животные и растительные масла, а также минеральные масла (например, сырая нефть, мазут, каменноугольная смола и т. д.), в то время как к твердым загрязнениям относятся, главным образом, дым, пыль, ржавчина, сажа и т. д. Что касается загрязнений от одежды, то существуют загрязнения от человеческого тела, такие как пот, кожное сало, кровь и т. д.; Пищевые загрязнения, такие как пятна от фруктов, пищевых масел, приправ, крахмала и т. д.; Косметические загрязнения, такие как помада и лак для ногтей; Атмосферные загрязнения, такие как дым, пыль, почва и т. д.; Другие материалы, такие как чернила, чай, краска и т. д. Можно сказать, что существуют различные и разнообразные типы загрязнений.
Различные виды грязи обычно можно разделить на три категории: твердая грязь, жидкая грязь и особая грязь.
① К распространённым твёрдым загрязнениям относятся такие частицы, как зола, грязь, почва, ржавчина и сажа. Большинство этих частиц имеют поверхностный заряд, преимущественно отрицательный, и легко адсорбируются на волокнистых предметах. Твёрдые загрязнения, как правило, трудно растворяются в воде, но могут быть диспергированы и взвешены моющими средствами. Твёрдые загрязнения с мелкими частицами трудно удалить.
② Жидкие загрязнения в основном растворимы в масле, включая животные и растительные масла, жирные кислоты, жирные спирты, минеральные масла и их оксиды. Животные и растительные масла, а также жирные кислоты могут омыляться щелочами, в то время как жирные спирты и минеральные масла не омыляются щелочами, но могут растворяться в спиртах, эфирах и углеводородных органических растворителях, а также эмульгироваться и диспергироваться водными растворами моющих средств. Жидкие загрязнения, растворимые в масле, обычно обладают сильным взаимодействием с волокнистыми объектами и прочно адсорбируются на волокнах.
③ К особым видам загрязнений относятся белок, крахмал, кровь, человеческие выделения, такие как пот, кожное сало, моча, а также фруктовый и чайный соки и т. д. Большинство этих видов загрязнений прочно адсорбируются на волокнистых предметах посредством химических реакций. Поэтому их довольно сложно отмыть.
Различные виды грязи редко существуют по отдельности, часто смешиваются и адсорбируются на предметах. Иногда грязь может окисляться, разлагаться или разрушаться под воздействием внешних факторов, что приводит к образованию новой грязи.
(2) Эффект адгезии грязи
Причиной загрязнения одежды, рук и т. д. является взаимодействие между предметами и грязью. Грязь может прилипать к предметам различными способами, но в основном это физическое и химическое прилипание.
① Физическое прилипание сигаретного пепла, пыли, осадка, сажи и других веществ к одежде. Как правило, взаимодействие между прилипшей грязью и загрязнённым предметом относительно слабое, и удаление грязи также относительно легко. В зависимости от силы прилипания физическую адгезию грязи можно разделить на механическую и электростатическую.
A: Механическая адгезия в основном относится к адгезии твёрдых загрязнений, таких как пыль и осадок. Механическая адгезия — это слабый способ сцепления с грязью, которую практически можно удалить простыми механическими методами. Однако, если размер частиц грязи мал (<0,1 мкм), удалить их сложнее.
B: Электростатическая адгезия проявляется главным образом при воздействии заряженных частиц грязи на объекты с противоположным зарядом. Большинство волокнистых объектов несут отрицательный заряд в воде и легко прилипают к положительно заряженной грязи, например, к извести. Некоторые виды грязи, хотя и имеют отрицательный заряд, например, частицы сажи в водных растворах, могут прилипать к волокнам благодаря ионным мостикам, образованным положительными ионами (например, Ca2+, Mg2+ и т. д.) в воде (ионы взаимодействуют между несколькими противоположными зарядами, действуя как мостики).
Статическое электричество сильнее простого механического воздействия, поэтому удалить грязь довольно сложно.
③ Удаление особых загрязнений
Белок, крахмал, человеческие выделения, фруктовый сок, чайный сок и другие виды загрязнений трудно удалить обычными поверхностно-активными веществами, и для этого требуются специальные методы обработки.
Белковые загрязнения, такие как сливки, яйца, кровь, молоко и кожные выделения, склонны к коагуляции и денатурации на волокнах и прочно прилипают к ним. Для удаления белковых загрязнений можно использовать протеазу. Протеаза расщепляет белки в загрязнениях до водорастворимых аминокислот или олигопептидов.
Пятна от крахмала в основном появляются из-за пищевых продуктов, а также от мясных соков, клейстера и т. д. Ферменты крахмала оказывают каталитическое действие на гидролиз пятен от крахмала, расщепляя крахмал на сахара.
Липаза может катализировать разложение некоторых триглицеридов, которые трудно удалить обычными методами, таких как кожное сало, выделяемое организмом человека, пищевые масла и т. д., чтобы расщепить триглицериды на растворимый глицерин и жирные кислоты.
Некоторые цветные пятна от фруктового сока, чайного сока, чернил, помады и т. д. часто трудно удалить даже после многократной стирки. Такие пятна можно удалить с помощью окислительно-восстановительных реакций с использованием окислителей или восстановителей, таких как отбеливатель, которые разрушают структуру хромофора или хромофорных групп и разлагают их на более мелкие водорастворимые компоненты.
С точки зрения химчистки существует примерно три типа загрязнений.
① К маслорастворимым загрязнениям относятся различные масла и жиры, которые являются жидкими или жирными и растворимыми в растворителях для сухой чистки.
② Водорастворимая грязь растворяется в водном растворе, но не растворяется в средствах для химчистки. Она адсорбируется на одежде в виде водного раствора, и после испарения воды осаждаются твердые частицы, такие как неорганические соли, крахмал, белки и т. д.
③ Нерастворимые в воде маслянистые загрязнения нерастворимы как в воде, так и в растворителях для сухой чистки, например, сажа, различные силикаты металлов и оксиды.
Из-за различий в свойствах различных типов загрязнений существуют различные способы их удаления в процессе химчистки. Маслорастворимые загрязнения, такие как животные и растительные масла, минеральные масла и жиры, легко растворяются в органических растворителях и легко удаляются во время химчистки. Отличная растворимость масел и жиров растворителями для химчистки обусловлена, главным образом, силами Ван-дер-Ваальса между молекулами.
Для удаления водорастворимых загрязнений, таких как неорганические соли, сахара, белки, пот и т. д., также необходимо добавить соответствующее количество воды в средство для сухой чистки, в противном случае водорастворимую грязь будет трудно удалить с одежды. Но вода трудно растворяется в средствах для сухой чистки, поэтому для увеличения количества воды необходимо добавлять поверхностно-активные вещества. Вода, присутствующая в средствах для сухой чистки, может увлажнять грязь и поверхность одежды, что позволяет ей легко взаимодействовать с полярными группами поверхностно-активных веществ, что благоприятно для адсорбции поверхностно-активных веществ на поверхности. Кроме того, когда поверхностно-активные вещества образуют мицеллы, водорастворимая грязь и вода могут быть солюбилизированы в мицеллах. Поверхностно-активные вещества могут не только увеличивать содержание воды в растворителях для сухой чистки, но и предотвращать повторное осаждение грязи, усиливая эффект чистки.
Для удаления водорастворимых загрязнений необходимо присутствие небольшого количества воды, однако избыток воды может привести к деформации некоторых видов одежды, образованию складок и т. д., поэтому содержание воды в сухом моющем средстве должно быть умеренным.
Твёрдые частицы, такие как зола, грязь, почва и сажа, не растворимые ни в воде, ни в масле, обычно прилипают к одежде за счёт электростатической адсорбции или связывания с масляными пятнами. В химчистке поток и воздействие растворителей могут привести к отрыву грязи, адсорбированной электростатическими силами, в то время как средства для химчистки могут растворять масляные пятна, в результате чего твердые частицы, соединённые с масляными пятнами и прилипшие к одежде, отваливаются от средства для химчистки. Небольшое количество воды и поверхностно-активных веществ в средстве для химчистки может стабильно суспендировать и диспергировать отсоединившиеся твердые частицы грязи, предотвращая их повторное оседание на одежде.
(5) Факторы, влияющие на эффект стирки
Направленная адсорбция поверхностно-активных веществ на границе раздела фаз и снижение поверхностного натяжения являются основными факторами удаления жидких и твёрдых загрязнений. Однако процесс стирки относительно сложен, и даже на моющий эффект одного и того же типа моющего средства влияет множество других факторов. К ним относятся концентрация моющего средства, температура, характер загрязнения, тип волокна и структура ткани.
① Концентрация поверхностно-активных веществ
Мицеллы поверхностно-активных веществ в растворе играют важную роль в процессе стирки. При достижении критической концентрации мицеллообразования (ККМ) моющий эффект резко возрастает. Поэтому для достижения хорошего моющего эффекта концентрация моющего средства в растворителе должна быть выше значения ККМ. Однако при превышении значения ККМ усиление моющего эффекта становится менее выраженным, и чрезмерное увеличение концентрации ПАВ нецелесообразно.
При использовании солюбилизации для удаления масляных пятен, даже если концентрация превышает значение ККМ, эффект солюбилизации всё равно усиливается с увеличением концентрации поверхностно-активного вещества. В этом случае рекомендуется использовать моющее средство локально, например, на манжетах и воротниках одежды, где много загрязнений. При стирке можно предварительно нанести слой моющего средства для улучшения растворяющего эффекта поверхностно-активных веществ на масляные пятна.
② Температура оказывает существенное влияние на эффективность очистки. В целом, повышение температуры полезно для удаления загрязнений, но иногда чрезмерная температура может также оказывать негативное воздействие.
Повышение температуры способствует диффузии грязи. Твёрдые масляные пятна легко эмульгируются при температуре выше точки плавления, а волокна ткани также увеличивают степень расширения из-за повышения температуры. Все эти факторы способствуют удалению грязи. Однако в плотных тканях микрозазоры между волокнами уменьшаются после расширения, что не способствует удалению грязи.
Изменения температуры также влияют на растворимость, значение ККМ и размер мицелл поверхностно-активных веществ, тем самым влияя на моющий эффект. Поверхностно-активные вещества с длинной углеродной цепью имеют более низкую растворимость при низких температурах, а иногда даже более низкую растворимость, чем значение ККМ. В этом случае температура промывки должна быть соответствующим образом увеличена. Влияние температуры на значение ККМ и размер мицелл различно для ионных и неионогенных поверхностно-активных веществ. Для ионных поверхностно-активных веществ повышение температуры обычно приводит к увеличению значения ККМ и уменьшению размера мицелл. Это означает, что концентрация поверхностно-активных веществ в моющем растворе должна быть увеличена. Для неионогенных поверхностно-активных веществ повышение температуры приводит к снижению их значения ККМ и значительному увеличению размера мицелл. Можно видеть, что соответствующее повышение температуры может помочь неионогенным поверхностно-активным веществам проявить свою поверхностную активность. Но температура не должна превышать ее температуру помутнения.
Короче говоря, наиболее подходящая температура стирки зависит от формулы моющего средства и типа стираемого предмета. Некоторые моющие средства хорошо моют при комнатной температуре, в то время как другие существенно различаются по эффективности при стирке в холодной и горячей воде.
③ Пена
Люди часто путают пенообразование с моющим эффектом, полагая, что моющие средства с высокой пенообразующей способностью обладают лучшими моющими свойствами. Результаты показывают, что моющий эффект не зависит напрямую от количества пены. Например, использование моющего средства с низким пенообразованием не приводит к худшему моющему эффекту, чем моющее средство с высоким пенообразованием.
Хотя пена не связана напрямую с мытьём, в некоторых ситуациях она всё же полезна для удаления загрязнений. Например, пена моющего средства может унести капли масла при мытье посуды вручную. При чистке ковров пена также может удалять твёрдые частицы грязи, например, пыль. Пыль составляет значительную часть загрязнений на коврах, поэтому средство для чистки ковров должно обладать определённой пенообразующей способностью.
Для шампуня также важна пенообразующая способность. Мягкая пена, образуемая шампунем при мытье волос или купании, дарит ощущение комфорта.
④ Типы волокон и физические свойства текстиля
Помимо химической структуры волокон, влияющей на адгезию и удаление загрязнений, на сложность удаления загрязнений влияют также внешний вид волокон и организационная структура пряжи и тканей.
Чешуйки шерстяных волокон и плоская структура хлопковых волокон более склонны к накоплению грязи, чем гладкие волокна. Например, сажу, прилипшую к целлюлозной плёнке (липкой плёнке), легко удалить, в то время как сажу, прилипшую к хлопковой ткани, трудно отмыть. Например, полиэфирные ткани с короткими волокнами более склонны к накоплению масляных пятен, чем ткани с длинными волокнами, а масляные пятна с коротких волокон удалить сложнее, чем с длинных.
Плотно скрученные нити и плотные ткани, благодаря небольшим микрозазорам между волокнами, могут противостоять проникновению грязи, но при этом не позволяют чистящему раствору удалять загрязнения изнутри. Поэтому плотные ткани изначально обладают хорошей устойчивостью к загрязнениям, но при загрязнении их трудно очистить.
⑤ Жесткость воды
Концентрация ионов металлов, таких как Ca₂ и Mg₂, в воде оказывает значительное влияние на моющий эффект, особенно когда анионные поверхностно-активные вещества взаимодействуют с ионами Ca₂ и Mg₂ с образованием труднорастворимых солей кальция и магния, что может снизить их моющую способность. Даже при высокой концентрации поверхностно-активных веществ в жёсткой воде их моющий эффект всё равно значительно хуже, чем при дистилляции. Для достижения наилучшего моющего эффекта поверхностно-активных веществ необходимо снизить концентрацию ионов Ca₂ в воде до уровня ниже 1 × 10₂ моль/л (CaCO₂ следует снизить до 0,1 мг/л). Для этого в моющее средство необходимо добавлять различные смягчители.
Время публикации: 16 августа 2024 г.