1. Поверхневий натяг
Сила стиснення на одиницю довжини поверхні рідини називається поверхневим натягом і вимірюється в Н·м-1.
2. Поверхнева активність та поверхнево-активна речовина
Властивість, яка може знижувати поверхневий натяг розчинників, називається поверхневою активністю, а речовини з поверхневою активністю називаються поверхнево-активними речовинами.
Поверхнево-активні речовини (ПАР) – це поверхнево-активні речовини, які можуть утворювати міцели та інші агрегати у водних розчинах, мають високу поверхневу активність, а також виконують змочувальні, емульгуючі, піноутворювальні, миючі та інші функції.
3. Молекулярно-структурні характеристики поверхнево-активної речовини
Поверхнево-активні речовини (ПАР) – це органічні сполуки зі спеціальними структурами та властивостями, які можуть суттєво змінювати міжфазний натяг між двома фазами або поверхневий натяг рідин (зазвичай води), і мають такі властивості, як змочування, піноутворення, емульгування та промивання.
Структурно кажучи, поверхнево-активні речовини мають спільну характеристику – наявність двох різних функціональних груп у їхніх молекулах. Один кінець – це довголанцюгова неполярна група, розчинна в олії, але нерозчинна у воді, відома як гідрофобна група або гідрофобна група. Ці гідрофобні групи, як правило, є довголанцюговими вуглеводнями, іноді також органічним фтором, кремнійорганічними, фосфорорганічними, оловоорганічними ланцюгами тощо. Інший кінець – це водорозчинна функціональна група, а саме гідрофільна група або гідрофільна група. Гідрофільна група повинна мати достатню гідрофільність, щоб забезпечити розчинність усієї поверхнево-активної речовини у воді та необхідну розчинність. Завдяки наявності гідрофільних та гідрофобних груп у поверхнево-активних речовинах, вони можуть розчинятися принаймні в одній фазі рідкої фази. Гідрофільні та олеофільні властивості поверхнево-активних речовин називаються амфіфільністю.
4. Типи поверхнево-активних речовин
Поверхнево-активні речовини – це амфіфільні молекули, які мають як гідрофобні, так і гідрофільні групи. Гідрофобні групи поверхнево-активних речовин зазвичай складаються з довголанцюгових вуглеводнів, таких як алкіл C8-C20 з прямим ланцюгом, алкіл C8-C20 з розгалуженим ланцюгом, алкілфеніл (з 8-16 атомами вуглецю алкілу) тощо. Різниця між гідрофобними групами полягає головним чином у структурних змінах вуглець-водневих ланцюгів, з відносно невеликими відмінностями, хоча існує більше типів гідрофільних груп. Отже, властивості поверхнево-активних речовин в основному пов'язані з гідрофільними групами, а також з розміром і формою гідрофобних груп. Структурні зміни гідрофільних груп більші, ніж у гідрофобних груп, тому класифікація поверхнево-активних речовин зазвичай базується на структурі гідрофільних груп. Ця класифікація головним чином базується на тому, чи є гідрофільні групи іонними, поділяючи їх на аніонні, катіонні, неіонні, цвітеріонні та інші спеціальні типи поверхнево-активних речовин.
5. Характеристики водного розчину поверхнево-активної речовини
① Адсорбція поверхнево-активних речовин на межі розділу
Молекули поверхнево-активних речовин мають ліпофільні та гідрофільні групи, що робить їх амфіфільними молекулами. Вода є сильно полярною рідиною. Коли поверхнево-активні речовини розчиняються у воді, згідно з принципом подібності полярності та відштовхування різниці полярностей, їхні гідрофільні групи притягуються до водної фази та розчиняються у воді, тоді як їхні ліпофільні групи відштовхують воду та залишають воду. В результаті молекули (або іони) поверхнево-активних речовин адсорбуються на межі розділу між двома фазами, зменшуючи міжфазний натяг між ними. Чим більше молекул (або іонів) поверхнево-активних речовин адсорбується на межі розділу, тим більше зниження міжфазного натягу.
② Деякі властивості адсорбційної мембрани
Поверхневий тиск адсорбційної мембрани: поверхнево-активні речовини адсорбуються на межі розділу газ-рідина, утворюючи адсорбційну мембрану. Якщо на межі розділу розмістити рухому плаваючу пластину без тертя, і плаваюча пластина штовхає адсорбційну мембрану вздовж поверхні розчину, мембрана чинить тиск на плаваючу пластину, який називається поверхневим тиском.
Поверхнева в'язкість: Як і поверхневий тиск, поверхнева в'язкість є властивістю нерозчинних молекулярних плівок. Підвісьте платинове кільце на тонкому металевому дроті, зробіть його площину контакту з поверхнею води раковини, обертайте платинове кільце, платинове кільце буде перешкоджатися в'язкістю води, і амплітуда поступово зменшуватиметься, відповідно до чого можна виміряти поверхневу в'язкість. Метод такий: спочатку проведіть експерименти на чистій поверхні води, виміряйте затухання амплітуди, потім виміряйте затухання після формування поверхневої маски для обличчя та обчисліть в'язкість поверхневої маски для обличчя з різниці між цими двома значеннями.
Поверхнева в'язкість тісно пов'язана з міцністю поверхні маски для обличчя. Оскільки адсорбційна плівка має поверхневий тиск і в'язкість, вона повинна бути еластичною. Чим вищий поверхневий тиск і в'язкість адсорбційної мембрани, тим більший її модуль пружності. Модуль пружності поверхневої адсорбційної плівки має велике значення в процесі стабілізації піни.
③ Утворення міцел
Розведений розчин поверхнево-активних речовин підпорядковується законам ідеальних розчинів. Кількість адсорбованих поверхнево-активних речовин на поверхні розчину збільшується зі збільшенням концентрації розчину. Коли концентрація досягає або перевищує певне значення, кількість адсорбованих речовин більше не збільшується. Ці надлишкові молекули поверхнево-активних речовин у розчині є невпорядкованими або існують у звичайному порядку. Як практика, так і теорія показали, що вони утворюють агрегати в розчині, які називаються міцелами.
Критична концентрація міцел: Мінімальна концентрація, за якої поверхнево-активні речовини утворюють міцели в розчині, називається критичною концентрацією міцел.
④ Значення КМЦ звичайної поверхнево-активної речовини.
6. Гідрофільне та олеофільне рівноважне значення
HLB розшифровується як гідрофільний ліпофільний баланс, який відображає значення гідрофільної та ліпофільної рівноваги гідрофільних та ліпофільних груп поверхнево-активної речовини, тобто значення HLB поверхнево-активної речовини. Високе значення HLB вказує на сильну гідрофільність та слабку ліпофільність молекули; навпаки, вона має сильну ліпофільність та слабку гідрофільність.
① Положення про значення HLB
Значення HLB є відносним значенням, тому під час формулювання значення HLB, як стандарт, значення HLB парафіну без гідрофільних властивостей встановлюється на 0, тоді як значення HLB додецилсульфату натрію з високою розчинністю у воді встановлюється на 40. Таким чином, значення HLB поверхнево-активних речовин зазвичай знаходиться в діапазоні 1-40. Загалом кажучи, емульгатори зі значеннями HLB менше 10 є ліпофільними, тоді як емульгатори зі значеннями HLB більше 10 є гідрофільними. Отже, точка переходу від ліпофільності до гідрофільності становить приблизно 10.
7. Ефекти емульгування та солюбілізації
Дві незмішувані рідини, одна з яких утворена шляхом диспергування частинок (крапель або рідких кристалів) в іншій, називаються емульсіями. Під час утворення емульсії площа міжфазної поверхні між двома рідинами збільшується, що робить систему термодинамічно нестабільною. Для стабілізації емульсії необхідно додати третій компонент – емульгатор – для зменшення міжфазної енергії системи. Емульгатори належать до поверхнево-активних речовин, і їхня основна функція полягає в тому, щоб діяти як емульгатори. Фаза, в якій існують краплі в емульсії, називається дисперсною фазою (або внутрішньою фазою, переривчастою фазою), а інша фаза, з'єднана разом, називається дисперсним середовищем (або зовнішньою фазою, безперервною фазою).
① Емульгатори та емульсії
Звичайні емульсії складаються з однієї фази води або водного розчину, а іншої фази - з органічних сполук, що не змішуються з водою, таких як олії, віск тощо. Емульсії, утворені водою та олією, можна розділити на два типи залежно від їх дисперсії: олія, диспергована у воді, утворює емульсію вода-в-олії, представлену як O/W (олія/вода); вода, диспергована в олії, утворює емульсію вода-в-олії, представлену як W/O (вода/олія). Крім того, також можуть утворюватися складні емульсії вода-в-олії-у-воді W/O/W та олія-в-воді-в-олії O/W/O.
Емульгатор стабілізує емульсію, зменшуючи міжфазний натяг та утворюючи моношарову маску для обличчя.
Вимоги до емульгаторів при емульгуванні: а: емульгатори повинні бути здатними адсорбуватися або збагачуватися на межі розділу між двома фазами, зменшуючи міжфазний натяг; б: емульгатори повинні надавати частинкам електричний заряд, викликаючи електростатичне відштовхування між частинками або утворюючи стабільну, високов'язку захисну плівку навколо частинок. Отже, речовини, що використовуються як емульгатори, повинні мати амфіфільні групи, щоб мати емульгуючу дію, і поверхнево-активні речовини можуть відповідати цій вимозі.
② Методи приготування емульсій та фактори, що впливають на стабільність емульсії
Існує два методи приготування емульсій: один полягає у використанні механічних методів для диспергування рідини на дрібні частинки в іншій рідині, що зазвичай використовується в промисловості для приготування емульсій; інший метод полягає у розчиненні рідини в молекулярному стані в іншій рідині, а потім у тому, щоб дозволити їй відповідним чином агрегуватися для утворення емульсії.
Стабільність емульсій стосується їхньої здатності протистояти агрегації частинок та спричиняти фазовий розшарування. Емульсії є термодинамічно нестабільними системами зі значною вільною енергією. Тому стабільність емульсії фактично стосується часу, необхідного для досягнення системою рівноваги, тобто часу, необхідного для розділення рідини в системі.
Коли в масці для обличчя присутні полярні органічні молекули, такі як жирний спирт, жирна кислота та жирний амін, міцність мембрани значно зростає. Це пояснюється тим, що молекули емульгатора в інтерфейсному адсорбційному шарі взаємодіють з полярними молекулами, такими як спирт, кислота та амін, утворюючи «комплекс», що підвищує міцність інтерфейсної маски для обличчя.
Емульгатори, що складаються з двох або більше поверхнево-активних речовин, називаються змішаними емульгаторами. Змішані емульгатори адсорбуються на межі розділу вода/олія, а міжмолекулярні взаємодії можуть утворювати комплекси. Завдяки сильній міжмолекулярній взаємодії міжфазний натяг значно знижується, кількість емульгатора, адсорбованого на межі розділу, значно збільшується, а щільність і міцність утвореної міжфазної маски для обличчя збільшуються.
Заряд крапель суттєво впливає на стабільність емульсій. Стабільні емульсії зазвичай мають краплі з електричними зарядами. При використанні іонних емульгаторів іони емульгатора, адсорбовані на поверхні розділу фаз, вводять свої ліпофільні групи в масляну фазу, тоді як гідрофільні групи знаходяться у водній фазі, роблячи краплі зарядженими. Оскільки краплі емульсії несуть однаковий заряд, вони відштовхуються одна від одної та нелегко агломеруються, що призводить до підвищення стабільності. Можна побачити, що чим більше іонів емульгатора адсорбовано на краплях, тим більший їхній заряд і тим більша їхня здатність запобігати коалесценції крапель, що робить емульсійну систему стабільнішою.
В'язкість емульсійного дисперсійного середовища має певний вплив на стабільність емульсії. Як правило, чим вища в'язкість дисперсійного середовища, тим вища стабільність емульсії. Це пояснюється тим, що в'язкість дисперсійного середовища висока, що сильно перешкоджає броунівському руху крапель рідини, уповільнює зіткнення між краплями та підтримує стабільність системи. Полімерні речовини, які зазвичай розчинні в емульсіях, можуть збільшити в'язкість системи та покращити її стабільність. Крім того, полімер також може утворювати тверду інтерфейсну маску для обличчя, роблячи емульсійну систему більш стабільною.
У деяких випадках додавання твердого порошку також може стабілізувати емульсію. Твердий порошок не знаходиться у воді, олії або на межі розділу фаз, залежно від змочувальної здатності олії та води на твердому порошку. Якщо твердий порошок не повністю змочений водою, але може бути змочений олією, він залишатиметься на межі розділу вода-олія.
Причина, чому твердий порошок не стабілізує емульсію, полягає в тому, що порошок, зібраний на межі розділу, не зміцнює межу розділу фаз з маскою для обличчя, яка подібна до молекул емульгатора на межі розділу фаз. Тому, чим ближче частинки твердого порошку розташовані на межі розділу, тим стабільнішою буде емульсія.
Поверхнево-активні речовини мають здатність значно збільшувати розчинність органічних сполук, які нерозчинні або малорозчинні у воді, після утворення міцел у водному розчині, і розчин у цей час прозорий. Цей ефект міцел називається солюбілізацією. Поверхнево-активні речовини, які можуть виробляти солюбілізуючий ефект, називаються солюбілізаторами, а органічні сполуки, які солюбілізуються, називаються солюбілізованими сполуками.
8. Піна
Піна відіграє важливу роль у процесі прання. Піна – це дисперсійна система, в якій газ диспергований у рідині або твердій речовині. Газ є дисперсійною фазою, а рідина або тверда речовина – дисперсійним середовищем. Першу називають рідкою піною, а другу – твердою піною, наприклад, пінопласт, піноскло, піноцемент тощо.
(1) Утворення піни
Піна тут стосується агрегації бульбашок, розділених рідкою плівкою. Через велику різницю в густині між дисперсною фазою (газом) та дисперсним середовищем (рідиною), а також низьку в'язкість рідини, піна завжди може швидко піднятися до рівня рідини.
Процес утворення піни полягає у введенні великої кількості газу в рідину, а бульбашки в рідині швидко повертаються на поверхню рідини, утворюючи агрегат бульбашок, розділений невеликою кількістю рідини та газу.
Піна має дві чудові морфологічні характеристики: по-перше, бульбашки як дисперсна фаза часто мають багатогранну форму, оскільки на перетині бульбашок існує тенденція до стоншення рідкої плівки, що робить бульбашки багатогранними. Коли рідка плівка стає тоншою до певної міри, бульбашки розриваються; по-друге, чиста рідина не може утворювати стабільну піну, але рідина, яка може утворювати піну, складається щонайменше з двох або більше компонентів. Водний розчин поверхнево-активної речовини є типовою системою, яка легко утворює піну, і її здатність утворювати піну також пов'язана з іншими властивостями.
Поверхнево-активні речовини з хорошою піноутворювальною здатністю називаються піноутворювачами. Хоча піноутворювач має хорошу піноутворювальну здатність, утворена піна може не зберігатися протягом тривалого часу, тобто її стабільність може бути недостатньою. Для підтримки стабільності піни до піноутворювача часто додають речовину, яка може підвищити її стабільність, яку називають стабілізатором піни. Найчастіше використовуваними стабілізаторами піни є лауроїлдіетаноламін та додецилдиметиламіноксид.
(2) Стабільність піни
Піна є термодинамічно нестабільною системою, і кінцева тенденція полягає в тому, що загальна площа поверхні рідини в системі зменшується, а вільна енергія зменшується після розриву бульбашок. Процес піногасіння - це процес, під час якого рідка плівка, що розділяє газ, змінює товщину, доки не розірветься. Тому стабільність піни головним чином визначається швидкістю витікання рідини та міцністю рідкої плівки. Існує кілька інших факторів, що впливають.
① Поверхневий натяг
З енергетичної точки зору, низький поверхневий натяг є більш сприятливим для утворення піни, але він не може гарантувати її стабільність. Низький поверхневий натяг, низька різниця тисків, повільна швидкість витоку рідини та повільне розрідження рідкої плівки сприяють стабільності піни.
② Поверхнева в'язкість
Ключовим фактором, що визначає стабільність піни, є міцність рідкої плівки, яка головним чином визначається стійкістю поверхневої адсорбційної плівки, що вимірюється поверхневою в'язкістю. Експерименти показують, що піна, утворена розчином з вищою поверхневою в'язкістю, має довший термін служби. Це пояснюється тим, що взаємодія між адсорбованими молекулами на поверхні призводить до збільшення міцності мембрани, тим самим покращуючи термін служби піни.
③ В'язкість розчину
Коли в'язкість самої рідини збільшується, рідина в рідкій плівці нелегко виводиться, а швидкість стоншення товщини рідкої плівки є повільною, що затримує час розриву рідкої плівки та підвищує стабільність піни.
④ «Відновлювальний» ефект поверхневого натягу
Поверхнево-активні речовини, адсорбовані на поверхні рідкої плівки, мають здатність протистояти розширенню або стисканню поверхні рідкої плівки, що ми називаємо ефектом відновлення. Це пояснюється тим, що на поверхні адсорбована рідка плівка поверхнево-активних речовин, розширення площі її поверхні зменшить концентрацію адсорбованих на поверхні молекул і збільшить поверхневий натяг. Подальше розширення поверхні вимагатиме більших зусиль. І навпаки, зменшення площі поверхні збільшить концентрацію адсорбованих молекул на поверхні, зменшуючи поверхневий натяг і перешкоджаючи подальшому усадженню.
⑤ Дифузія газу через плівку рідини
Через наявність капілярного тиску тиск дрібних бульбашок у піні вищий, ніж тиск великих бульбашок, що призводить до дифузії газу з дрібних бульбашок у великі бульбашки низького тиску через рідку плівку, в результаті чого дрібні бульбашки стають меншими, великі – більшими, і, зрештою, піна руйнується. Якщо додати поверхнево-активну речовину, піна буде однорідною та щільною під час спінювання, і її буде важко видалити з піногасника. Оскільки поверхнево-активна речовина щільно розташована на рідкій плівці, вона погано вентилюється, що робить піну більш стабільною.
⑥ Вплив поверхневого заряду
Якщо плівку піни з рідиною зарядити однаковим символом, дві поверхні рідкої плівки відштовхуватимуться одна від одної, запобігаючи її стоншенню або навіть руйнуванню. Іонні поверхнево-активні речовини можуть забезпечити цей стабілізуючий ефект.
На завершення, міцність рідкої плівки є ключовим фактором, що визначає стабільність піни. Як поверхнево-активна речовина для піноутворювачів та стабілізаторів піни, щільність та стійкість молекул, адсорбованих на поверхні, є найважливішими факторами. Коли взаємодія між адсорбованими молекулами на поверхні сильна, адсорбовані молекули щільно розташовані, що не тільки робить саму поверхневу маску для обличчя високою міцністю, але й ускладнює текучість розчину, що прилягає до поверхні маски, через високу поверхневу в'язкість, тому рідкої плівки відносно важко стікати, а товщину рідкої плівки легко підтримувати. Крім того, щільно розташовані поверхневі молекули також можуть зменшити проникність молекул газу та таким чином підвищити стабільність піни.
(3) Руйнування піни
Основний принцип руйнування піни полягає у зміні умов утворення піни або усуненні факторів стабільності піни, тому існує два методи піногасіння: фізичний та хімічний.
Фізичне видалення піни полягає у зміні умов, за яких утворюється піна, зберігаючи при цьому незмінним хімічний склад пінного розчину. Наприклад, зовнішнє вплив сили, зміна температури або тиску та ультразвукова обробка – все це ефективні фізичні методи видалення піни.
Метод хімічного піногасіння полягає у додаванні деяких речовин, які взаємодіють з піноутворювачем, зменшують міцність рідкої плівки в піні, а потім знижують стабільність піни для досягнення мети піногасіння. Такі речовини називаються піногасниками. Більшість піногасників є поверхнево-активними речовинами. Отже, відповідно до механізму піногасіння, піногасники повинні мати сильну здатність знижувати поверхневий натяг, легко адсорбуватися на поверхні та мати слабку взаємодію між молекулами, що адсорбуються на поверхні, що призводить до відносно вільної структури розташування адсорбованих молекул.
Існують різні типи піногасників, але здебільшого це неіоногенні поверхнево-активні речовини. Неіоногенні поверхнево-активні речовини мають протипінні властивості поблизу або вище точки помутніння та зазвичай використовуються як піногасники. Спирти, особливо ті, що мають розгалужену структуру, жирні кислоти та ефіри, поліаміди, фосфати, силіконові олії тощо також зазвичай використовуються як чудові піногасники.
(4) Піна та миття
Немає прямого зв'язку між піною та мийним ефектом, і кількість піни не означає, що мийний ефект хороший чи поганий. Наприклад, піноутворюючі властивості неіоногенних поверхнево-активних речовин значно поступаються милу, але їхня мийна здатність набагато краща, ніж у мила.
У деяких випадках піна допомагає видаляти бруд. Наприклад, під час миття посуду вдома піна миючого засобу може видалити змиті краплі олії; під час чищення килима піна допомагає видалити твердий бруд, такий як пил і порошок. Крім того, піну іноді можна використовувати як ознаку ефективності миючого засобу, оскільки жирні плями від олії можуть перешкоджати піноутворенню миючого засобу. Коли плям від олії забагато, а миючого засобу замало, піни не буде або початкова піна зникне. Іноді піну також можна використовувати як показник чистоти полоскання. Оскільки кількість піни в розчині для полоскання має тенденцію зменшуватися зі зменшенням вмісту миючого засобу, ступінь полоскання можна оцінити за кількістю піни.
9. Процес прання
У широкому сенсі, миття – це процес видалення небажаних компонентів з об'єкта, що миється, та досягнення певної мети. Миття у звичайному розумінні стосується процесу видалення бруду з поверхні носія. Під час миття взаємодія між брудом та носієм послаблюється або усувається під дією деяких хімічних речовин (таких як миючі засоби), перетворюючи комбінацію бруду та носія на комбінацію бруду та миючого засобу, що зрештою призводить до відшарування бруду та носія. Оскільки об'єкти, що миються, та бруд, що видаляється, різноманітні, миття є дуже складним процесом, і основний процес миття можна представити наступним простим співвідношенням.
Носій • Бруд+Миючий засіб=Носій+Бруд • Миючий засіб
Процес прання зазвичай можна розділити на два етапи: перший – це відділення бруду від його носія під дією мийного засобу; другий – це диспергування та суспендування відокремленого бруду в середовищі. Процес прання є оборотним процесом, і бруд, який диспергований або суспендований у середовищі, також може повторно осідати з середовища на білизну. Тому хороший мийний засіб повинен не тільки мати здатність відділяти бруд від носія, але й мати хорошу здатність диспергувати та суспендувати бруд, а також запобігати його повторному осіданню.
(1) Види бруду
Навіть для одного й того ж предмета тип, склад та кількість бруду будуть відрізнятися залежно від середовища використання. Забруднення від масляного тіла переважно включає тваринні та рослинні олії, а також мінеральні олії (такі як сира нафта, мазут, кам'яновугільна смола тощо), тоді як тверді забруднення переважно включають дим, пил, іржу, сажу тощо. Що стосується забруднення одягу, то це забруднення від людського тіла, таке як піт, шкірне сало, кров тощо; забруднення від їжі, таке як плями від фруктів, плями від харчової олії, плями від приправ, крохмаль тощо; забруднення від косметики, таке як помада та лак для нігтів; забруднення з атмосфери, таке як дим, пил, ґрунт тощо; інші матеріали, такі як чорнило, чай, фарба тощо. Можна сказати, що існують різні та різноманітні типи забруднень.
Різні типи бруду зазвичай можна розділити на три категорії: твердий бруд, рідкий бруд та спеціальний бруд.
① Звичайні тверді забруднення включають такі частинки, як попіл, бруд, ґрунт, іржа та сажа. Більшість цих частинок мають поверхневий заряд, здебільшого негативний, і легко адсорбуються на волокнистих предметах. Зазвичай тверді забруднення важко розчиняються у воді, але їх можна диспергувати та суспендувати розчинами мийних засобів. Тверді забруднення з дрібними частинками важко видалити.
② Рідкий бруд здебільшого розчинний у олії, включаючи тваринні та рослинні олії, жирні кислоти, жирні спирти, мінеральні олії та їх оксиди. Серед них тваринні та рослинні олії та жирні кислоти можуть омилюватися лугами, тоді як жирні спирти та мінеральні олії не омилюються лугами, але можуть розчинятися у спиртах, ефірах та вуглеводнево-органічних розчинниках, а також емульгуватися та диспергуватися водними розчинами мийних засобів. Рідкий бруд, розчинний у олії, зазвичай має сильну взаємодію з волокнистими предметами та міцно адсорбується на волокнах.
③ До спеціальних видів бруду належать білок, крохмаль, кров, людські виділення, такі як піт, шкірне сало, сеча, а також фруктовий сік, чайний сік тощо. Більшість цих типів бруду можуть сильно адсорбуватися на волокнистих предметах через хімічні реакції. Тому їх досить важко відмити.
Різні типи бруду рідко існують окремо, часто змішуються разом та адсорбуються на предметах. Бруд іноді може окислюватися, розкладатися або гнити під зовнішніми впливами, що призводить до утворення нового бруду.
(2) Адгезійний ефект бруду
Причина, чому одяг, руки тощо можуть бруднитися, полягає в певній взаємодії між предметами та брудом. Існують різні адгезійні ефекти бруду на предметах, але в основному це фізична та хімічна адгезія.
① Фізична адгезія сигаретного попелу, пилу, осаду, сажі та інших речовин до одягу. Загалом, взаємодія між прилиплим брудом та забрудненим об'єктом є відносно слабкою, а видалення бруду також є відносно легким. Залежно від різних сил, фізичну адгезію бруду можна розділити на механічну та електростатичну адгезію.
A: Механічна адгезія в основному стосується адгезії твердих частинок бруду, таких як пил та осад. Механічна адгезія є слабким методом адгезії для бруду, який майже неможливо видалити простими механічними методами. Однак, коли розмір частинок бруду малий (<0,1 мкм), його важче видалити.
B: Електростатична адгезія головним чином проявляється дією заряджених частинок бруду на об'єкти з протилежними зарядами. Більшість волокнистих об'єктів несуть негативний заряд у воді та легко прилипають до позитивно зарядженого бруду, такого як вапно. Деякий бруд, хоча й негативно заряджений, такий як частинки сажі у водних розчинах, може прилипати до волокон через іонні містки, утворені позитивними іонами (такими як Ca2+, Mg2+ тощо) у воді (іони діють разом між кількома протилежними зарядами, діючи як містки).
Статична електрика сильніша за просту механічну дію, що робить видалення бруду відносно складним.
③ Видалення спеціального бруду
Білок, крохмаль, людські виділення, фруктовий сік, чайний сік та інші види бруду важко видалити звичайними поверхнево-активними речовинами та потребують спеціальних методів обробки.
Білкові плями, такі як вершки, яйця, кров, молоко та шкірні екскременти, схильні до коагуляції та денатурації на волокнах і міцніше прилипають. Для видалення білкових забруднень можна використовувати протеазу. Протеаза може розщеплювати білки в бруді на водорозчинні амінокислоти або олігопептиди.
Крохмальні плями в основному походять від їжі, тоді як інші, такі як м'ясний сік, паста тощо, походять від крохмальних ферментів. Ферменти крохмалю мають каталітичну дію на гідроліз крохмальних плям, розщеплюючи крохмаль на цукри.
Ліпаза може каталізувати розкладання деяких тригліцеридів, які важко видалити звичайними методами, таких як шкірне сало, що виділяється організмом людини, харчові олії тощо, розщеплюючи тригліцериди на розчинний гліцерин та жирні кислоти.
Деякі кольорові плями від фруктового соку, чаю, чорнила, губної помади тощо часто важко ретельно вивести навіть після багаторазового прання. Цей тип плям можна видалити за допомогою окислювально-відновних реакцій з використанням окислювачів або відновників, таких як відбілювач, які руйнують структуру хромофору або груп хромофорів і розкладають їх на менші водорозчинні компоненти.
З точки зору хімчистки, існує приблизно три типи бруду.
① До жиророзчинних забруднень належать різні олії та жири, які є рідкими або маслянистими та розчинні в розчинниках для хімічного чищення.
② Водорозчинний бруд розчинний у водному розчині, але нерозчинний у засобах для хімічного чищення. Він адсорбується на одязі у вигляді водного розчину, а після випаровування води осідають гранульовані тверді речовини, такі як неорганічні солі, крохмаль, білки тощо.
③ Нерозчинний у воді бруд, що міститься в олії, не розчиняється як у воді, так і в розчинниках для хімічного чищення, таких як сажа, різні силікати металів та оксиди.
Через різні властивості різних типів бруду, існують різні способи його видалення під час процесу хімічного чищення. Маслорозчинний бруд, такий як тваринні та рослинні олії, мінеральні олії та жири, легко розчиняється в органічних розчинниках і може бути легко видалений під час хімічного чищення. Відмінна розчинність олії та жиру в розчинниках для хімічного чищення, по суті, зумовлена силами Ван-дер-Ваальса між молекулами.
Для видалення водорозчинних брудів, таких як неорганічні солі, цукри, білки, піт тощо, також необхідно додати відповідну кількість води до засобу для хімчистки, інакше водорозчинний бруд буде важко видалити з одягу. Але вода важко розчиняється в засобах для хімчистки, тому для збільшення кількості води потрібно додавати поверхнево-активні речовини. Вода, що міститься в засобах для хімчистки, може зволожувати бруд і поверхню одягу, полегшуючи його взаємодію з полярними групами поверхнево-активних речовин, що сприяє адсорбції поверхнево-активних речовин на поверхні. Крім того, коли поверхнево-активні речовини утворюють міцели, водорозчинний бруд і вода можуть розчинятися в міцелах. Поверхнево-активні речовини можуть не тільки збільшувати вміст води в розчинниках для хімчистки, але й запобігати повторному осадженню бруду, посилюючи ефект очищення.
Для видалення водорозчинного бруду необхідна невелика кількість води, але надмірна кількість води може призвести до деформації, зморщування тощо деяких речей, тому вміст води в сухому мийному засобі має бути помірним.
Тверді частинки, такі як попіл, бруд, ґрунт та сажа, які не розчиняються ні у воді, ні в олії, зазвичай прилипають до одягу шляхом електростатичної адсорбції або шляхом поєднання з масляними плямами. Під час хімчистки потік та вплив розчинників можуть призвести до відшаровування бруду, адсорбованого електростатичними силами, тоді як засоби для хімчистки можуть розчиняти масляні плями, що призводить до відшаровування твердих частинок, які поєднуються з масляними плямами та прилипають до одягу, із засобу для хімчистки. Невелика кількість води та поверхнево-активних речовин у засобі для хімчистки може стабільно суспендувати та розсіювати тверді частинки бруду, що відпадають, запобігаючи їх повторному осіданню на одязі.
(5) Фактори, що впливають на ефект прання
Спрямована адсорбція поверхнево-активних речовин на межі розділу та зниження поверхневого (міжфазного) натягу є основними факторами видалення рідких або твердих забруднень. Але процес прання є відносно складним, і навіть на ефект прання одного й того ж типу мийного засобу впливає багато інших факторів. Ці фактори включають концентрацію мийного засобу, температуру, характер бруду, тип волокна та структуру тканини.
① Концентрація поверхнево-активних речовин
Міцели поверхнево-активних речовин у розчині відіграють важливу роль у процесі прання. Коли концентрація досягає критичної концентрації міцел (ККМ), ефект прання різко зростає. Тому концентрація миючого засобу в розчиннику повинна бути вищою за значення ККМ, щоб досягти хорошого ефекту прання. Однак, коли концентрація поверхнево-активних речовин перевищує значення ККМ, збільшення ефекту прання стає менш значним, і надмірне збільшення концентрації поверхнево-активної речовини є зайвим.
Під час використання солюбілізації для видалення масляних плям, навіть якщо концентрація перевищує значення ККМ, ефект солюбілізації все одно зростає зі збільшенням концентрації поверхнево-активної речовини. У цьому випадку доцільно використовувати мийний засіб локально, наприклад, на манжетах та комірах одягу, де багато бруду. Під час прання спочатку можна нанести шар мийного засобу, щоб покращити солюбілізуючий ефект поверхнево-активних речовин на масляних плямах.
② Температура суттєво впливає на ефект очищення. Загалом, підвищення температури корисне для видалення бруду, але іноді надмірна температура також може спричинити несприятливі фактори.
Підвищення температури сприяє дифузії бруду. Тверді масляні плями легко емульгуються, коли температура вища за їхню точку плавлення, а волокна також збільшують ступінь свого розширення через підвищення температури. Усі ці фактори корисні для видалення бруду. Однак, для щільних тканин мікрозазори між волокнами зменшуються після розширення волокон, що не сприяє видаленню бруду.
Зміни температури також впливають на розчинність, значення ККМ та розмір міцел поверхнево-активних речовин, тим самим впливаючи на ефект миття. Поверхнево-активні речовини з довгим вуглецевим ланцюгом мають нижчу розчинність за низьких температур, а іноді навіть нижчу розчинність, ніж значення ККМ. У цьому випадку температуру миття слід відповідно підвищити. Вплив температури на значення ККМ та розмір міцел відрізняється для іонних та неіонних поверхнево-активних речовин. Для іонних поверхнево-активних речовин підвищення температури зазвичай призводить до збільшення значення ККМ та зменшення розміру міцел. Це означає, що концентрацію поверхнево-активних речовин у мийному розчині слід збільшувати. Для неіонних поверхнево-активних речовин підвищення температури призводить до зменшення їх значення ККМ та значного збільшення розміру міцел. Можна побачити, що відповідне підвищення температури може допомогти неіонним поверхнево-активним речовинам проявляти свою поверхневу активність. Але температура не повинна перевищувати точку помутніння.
Коротше кажучи, найбільш підходяща температура прання залежить від формули мийного засобу та предмета, який миють. Деякі мийні засоби мають хороший мийний ефект за кімнатної температури, тоді як інші мийні засоби мають суттєво різний мийний ефект для холодного та гарячого прання.
③ Піна
Люди часто плутають піноутворюючу здатність з мийним ефектом, вважаючи, що мийні засоби з сильною піноутворюючою здатністю мають кращий мийний ефект. Результати показують, що мийний ефект не пов'язаний безпосередньо з кількістю піни. Наприклад, використання мийного засобу з низьким піноутворенням для прання не має гіршого мийного ефекту, ніж мийний засіб з високим піноутворенням.
Хоча піна безпосередньо не пов’язана з пранням, вона все ж таки допомагає видаляти бруд у деяких ситуаціях. Наприклад, піна миючої рідини може забирати краплі олії під час ручного миття посуду. Під час чищення килима піна також може видаляти тверді частинки бруду, такі як пил. Пил становить значну частину бруду на килимі, тому засіб для чищення килимів повинен мати певну піноутворюючу здатність.
Піноутворення також важливе для шампуню. Дрібна піна, яку утворює рідина під час миття волосся або купання, створює відчуття комфорту.
④ Типи волокон та фізичні властивості текстилю
Окрім хімічної структури волокон, що впливає на адгезію та видалення бруду, зовнішній вигляд волокон та організаційна структура пряжі та тканин також впливають на складність видалення бруду.
Луска вовняних волокон та плоска смужкоподібна структура бавовняних волокон більш схильні до накопичення бруду, ніж гладкі волокна. Наприклад, сажу, що прилипла до целюлозної плівки (клейкої плівки), легко видалити, тоді як сажу, прилипло до бавовняної тканини, важко змити. Наприклад, поліефірні тканини з коротким волокном більш схильні до накопичення масляних плям, ніж тканини з довгим волокном, а масляні плями на тканинах з коротким волокном також важче видалити, ніж на тканинах з довгим волокном.
Щільно скручені нитки та щільні тканини, завдяки малим мікрозазорам між волокнами, можуть протистояти проникненню бруду, але також запобігають видаленню бруду зсередини за допомогою миючого розчину. Тому щільні тканини мають гарну стійкість до бруду на початку, але їх також важко очистити після забруднення.
⑤ Жорсткість води
Концентрація іонів металів, таких як Ca2+ та Mg2+, у воді суттєво впливає на ефект миття, особливо коли аніонні поверхнево-активні речовини стикаються з іонами Ca2+ та Mg2+, утворюючи солі кальцію та магнію з поганою розчинністю, що може знизити їхню мийну здатність. Навіть якщо концентрація поверхнево-активних речовин висока в жорсткій воді, їхня мийна здатність все одно набагато гірша, ніж при дистиляції. Для досягнення найкращого ефекту миття поверхнево-активних речовин концентрацію іонів Ca2+ у воді слід зменшити до рівня нижче 1 × 10⁻⁶ моль/л (CaCO3 слід зменшити до 0,1 мг/л). Це вимагає додавання різних пом'якшувачів до мийного засобу.
Час публікації: 16 серпня 2024 р.