1. Ytspänning
Kontraktionskraften per längdenhet på en vätskeyta kallas ytspänning och mäts i N • m⁻¹.
2. Ytaktivitet och tensid
Den egenskap som kan minska ytspänningen hos lösningsmedel kallas ytaktivitet, och ämnen med ytaktivitet kallas ytaktiva substanser.
Tensider avser ytaktiva ämnen som kan bilda miceller och andra aggregat i vattenlösningar, har hög ytaktivitet och även har vätande, emulgerande, skummande, tvättande och andra funktioner.
3. Molekylära strukturella egenskaper hos tensider
Tensider är organiska föreningar med speciella strukturer och egenskaper som avsevärt kan förändra gränsspänningen mellan två faser eller ytspänningen hos vätskor (vanligtvis vatten), och har egenskaper som vätning, skumbildning, emulgering och tvättning.
Strukturellt sett har tensider en gemensam egenskap att de innehåller två olika funktionella grupper i sina molekyler. Den ena änden är en långkedjig opolär grupp som är löslig i olja men olöslig i vatten, känd som en hydrofob grupp eller hydrofob grupp. Dessa hydrofoba grupper är i allmänhet långkedjiga kolväten, ibland även organisk fluor, organokisel, organofosfor, organotennkedjor, etc. Den andra änden är en vattenlöslig funktionell grupp, nämligen en hydrofil grupp eller hydrofil grupp. Den hydrofila gruppen måste ha tillräcklig hydrofilicitet för att säkerställa att hela det ytaktiva medlet är lösligt i vatten och har den nödvändiga lösligheten. På grund av närvaron av hydrofila och hydrofoba grupper i tensider kan de lösas upp i åtminstone en fas av vätskefasen. De hydrofila och oleofila egenskaperna hos tensider kallas amfifilicitet.
4. Typer av tensider
Tensider är amfifila molekyler som har både hydrofoba och hydrofila grupper. De hydrofoba grupperna hos tensider består generellt av långkedjiga kolväten, såsom rakkedjig alkyl C8-C20, grenad alkyl C8-C20, alkylfenyl (med 8-16 alkylkolatomer), etc. Skillnaden mellan hydrofoba grupper ligger huvudsakligen i de strukturella förändringarna hos kolvätekedjorna, med relativt små skillnader, medan det finns fler typer av hydrofila grupper. Därför är egenskaperna hos tensider huvudsakligen relaterade till hydrofila grupper utöver storleken och formen på de hydrofoba grupperna. De strukturella förändringarna hos hydrofila grupper är större än hos hydrofoba grupper, så klassificeringen av tensider baseras generellt på strukturen hos hydrofila grupper. Denna klassificering baseras huvudsakligen på huruvida de hydrofila grupperna är joniska, och delas in i anjoniska, katjoniska, nonjoniska, zwitterjoniska och andra speciella typer av tensider.
5. Egenskaper hos vattenlösning av ytaktivt medel
① Adsorption av tensider vid gränssnitt
Tensidmolekyler har lipofila och hydrofila grupper, vilket gör dem amfifila. Vatten är en starkt polär vätska. När tensider löses upp i vatten, enligt principen om polaritetslikhet och polaritetsskillnadsrepulsion, attraheras deras hydrofila grupper till vattenfasen och löses upp i vatten, medan deras lipofila grupper stöter bort vatten och lämnar vattnet. Som ett resultat adsorberas tensidmolekyler (eller joner) vid gränssnittet mellan de två faserna, vilket minskar gränsytspänningen mellan de två faserna. Ju fler tensidmolekyler (eller joner) som adsorberas på gränssnittet, desto större minskning av gränsytspänningen.
② Några egenskaper hos adsorptionsmembran
Yttryck på adsorptionsmembran: Tensider adsorberar vid gas-vätske-gränssnittet och bildar ett adsorptionsmembran. Om en friktionsfri rörlig flytande platta placeras på gränssnittet och den flytande plattan trycker adsorptionsmembranet längs lösningens yta, utövar membranet ett tryck på den flytande plattan, vilket kallas yttryck.
Ytviskositet: Precis som yttryck är ytviskositet en egenskap som uppvisas av olösliga molekylära filmer. Häng en platinaring med en tunn metalltråd, se till att dess plan kommer i kontakt med vattenytan i diskhon, rotera platinaringen. Platinaringen hindras av vattnets viskositet och amplituden minskar gradvis, enligt vilket ytviskositeten kan mätas. Metoden är: utför först experiment på den rena vattenytan, mät amplituddämpningen, mät sedan dämpningen efter att ytansiktsmasken har bildats och beräkna viskositeten hos ytansiktsmasken utifrån skillnaden mellan de två.
Ytviskositeten är nära relaterad till ansiktsmaskens fasthet. Eftersom adsorptionsfilmen har yttryck och viskositet måste den vara elastisk. Ju högre yttryck och viskositet adsorptionsmembranet har, desto större är dess elasticitetsmodul. Elasticitetsmodulen hos ytadsorptionsfilmen är av stor betydelse i processen för skumstabilisering.
③ Bildning av miceller
Den utspädda lösningen av tensider följer lagarna för ideala lösningar. Adsorptionsmängden tensider på lösningens yta ökar med lösningens koncentration. När koncentrationen når eller överstiger ett visst värde ökar adsorptionsmängden inte längre. Dessa överskott av tensidmolekyler i lösningen är oordnade eller existerar regelbundet. Både praktik och teori har visat att de bildar aggregat i lösning, vilka kallas miceller.
Kritisk micellkoncentration: Den lägsta koncentration vid vilken tensider bildar miceller i en lösning kallas den kritiska micellkoncentrationen.
④ CMC-värdet för vanligt tensid.
6. Hydrofilt och oleofilt jämviktsvärde
HLB står för hydrofil lipofil balans, vilket representerar de hydrofila och lipofila jämviktsvärdena för de hydrofila och lipofila grupperna i ett tensid, dvs. HLB-värdet för tensidmaterialet. Ett högt HLB-värde indikerar stark hydrofilicitet och svag lipofilicitet hos molekylen; tvärtom har den stark lipofilicitet och svag hydrofilicitet.
① Regler om HLB-värde
HLB-värdet är ett relativt värde, så när HLB-värdet formuleras sätts HLB-värdet för paraffin utan hydrofila egenskaper som standard till 0, medan HLB-värdet för natriumdodecylsulfat med stark vattenlöslighet sätts till 40. Därför ligger HLB-värdet för tensider i allmänhet inom intervallet 1-40. Generellt sett är emulgeringsmedel med HLB-värden mindre än 10 lipofila, medan emulgeringsmedel med HLB-värden större än 10 är hydrofila. Därför är vändpunkten från lipofilicitet till hydrofilicitet ungefär 10.
7. Emulgerings- och solubiliseringseffekter
Två oblandbara vätskor, den ena bildad genom att partiklar (droppar eller flytande kristaller) dispergeras i den andra, kallas emulsioner. När en emulsion bildas ökar gränsytan mellan de två vätskorna, vilket gör systemet termodynamiskt instabilt. För att stabilisera emulsionen måste en tredje komponent - emulgeringsmedel - tillsättas för att minska systemets gränsytenergi. Emulgeringsmedel tillhör tensider, och deras huvudsakliga funktion är att fungera som emulgeringsmedel. Den fas där droppar finns i en emulsion kallas den dispergerade fasen (eller den interna fasen, den diskontinuerliga fasen), och den andra fasen som är sammankopplad kallas det dispergerade mediet (eller den externa fasen, den kontinuerliga fasen).
① Emulgeringsmedel och emulsioner
Vanliga emulsioner består av en fas av vatten eller vattenlösning, och den andra fasen av organiska föreningar som inte är blandbara med vatten, såsom oljor, vaxer etc. Emulsionen som bildas av vatten och olja kan delas in i två typer baserat på deras dispersion: olja dispergerad i vatten bildar en vatten-i-olja-emulsion, representerad av O/W (olja/vatten); vatten dispergerad i olja bildar en vatten-i-olja-emulsion, representerad av W/O (vatten/olja). Dessutom kan komplexa vatten-i-olja-i-vatten W/O/W- och olja-i-vatten-i-olja O/W/O-emulsioner också bildas.
Emulgeringsmedlet stabiliserar emulsionen genom att minska gränsytans spänning och bilda en ansiktsmask i ett enda lager.
Krav för emulgeringsmedel vid emulgering: a: emulgeringsmedel måste kunna adsorbera eller anrika vid gränssnittet mellan de två faserna, vilket minskar gränsspänningen; b: Emulgeringsmedel måste ge partiklarna en elektrisk laddning, vilket orsakar elektrostatisk repulsion mellan partiklarna eller bildar en stabil, högviskös skyddande film runt partiklarna. Därför måste ämnen som används som emulgeringsmedel ha amfifila grupper för att ha emulgerande effekter, och tensider kan uppfylla detta krav.
② Framställningsmetoder för emulsioner och faktorer som påverkar emulsionsstabiliteten
Det finns två metoder för att framställa emulsioner: en är att använda mekaniska metoder för att dispergera vätskan i små partiklar i en annan vätska, vilket vanligtvis används inom industrin för att framställa emulsioner; en annan metod är att lösa upp en vätska i ett molekylärt tillstånd i en annan vätska och sedan låta den aggregera på lämpligt sätt för att bilda en emulsion.
Emulsioners stabilitet avser deras förmåga att motstå partikelaggregering och orsaka fasseparation. Emulsioner är termodynamiskt instabila system med betydande fri energi. Därför avser en emulsions stabilitet egentligen den tid som krävs för att systemet ska nå jämvikt, det vill säga den tid som krävs för att en vätska i systemet ska separera.
När det finns polära organiska molekyler som fettalkohol, fettsyror och fettaminer i ansiktsmasken ökar membranets styrka avsevärt. Detta beror på att emulgeringsmolekylerna i gränssnittets adsorptionsskikt interagerar med polära molekyler som alkohol, syra och amin för att bilda ett "komplex", vilket ökar styrkan hos gränssnittets ansiktsmask.
Emulgeringsmedel som består av två eller flera tensider kallas blandade emulgeringsmedel. Blandade emulgeringsmedel adsorberar på vatten/olja-gränssnittet, och intermolekylära interaktioner kan bilda komplex. På grund av stark intermolekylär interaktion minskar gränsytspänningen avsevärt, mängden emulgeringsmedel som adsorberas på gränssnittet ökar avsevärt, och densiteten och styrkan hos den bildade gränsytmasken ökar.
Dropparnas laddning har en betydande inverkan på emulsionernas stabilitet. Stabila emulsioner har vanligtvis droppar med elektriska laddningar. När joniska emulgeringsmedel används, infogar emulgeringsjonerna som adsorberas på gränssnittet sina lipofila grupper i oljefasen, medan de hydrofila grupperna är i vattenfasen, vilket gör dropparna laddade. På grund av att dropparna i emulsionen har samma laddning, stöter de bort varandra och agglomereras inte lätt, vilket resulterar i ökad stabilitet. Det kan ses att ju fler emulgeringsjoner som adsorberas på dropparna, desto större blir deras laddning och desto större blir deras förmåga att förhindra droppkoalescens, vilket gör emulsionssystemet mer stabilt.
Viskositeten hos emulsions- och dispersionsmediet har en viss inverkan på emulsionens stabilitet. Generellt sett, ju högre viskositet dispergeringsmediet har, desto högre är emulsionens stabilitet. Detta beror på att dispergeringsmediets viskositet är hög, vilket starkt hindrar vätskedropparnas Brownska rörelse, saktar ner kollisionen mellan dropparna och håller systemet stabilt. Polymersubstanser som vanligtvis är lösliga i emulsioner kan öka systemets viskositet och förbättra emulsionens stabilitet. Dessutom kan polymeren också bilda en ansiktsmask med fast gränssnitt, vilket gör emulsionssystemet mer stabilt.
I vissa fall kan tillsats av fast pulver också stabilisera emulsionen. Det fasta pulvret finns inte i vatten, olja eller vid gränsytan, beroende på oljans och vattnets vätningsförmåga på det fasta pulvret. Om det fasta pulvret inte är helt fuktat av vatten men kan fuktas av olja, kommer det att stanna kvar vid vatten-olja-gränssnittet.
Anledningen till att det fasta pulvret inte stabiliserar emulsionen är att pulvret som samlas vid gränssnittet inte stärker ansiktsmasken vid gränssnittet, vilket liknar adsorptionsemulgeringsmolekylerna vid gränssnittet. Ju närmare varandra de fasta pulverpartiklarna är arrangerade vid gränssnittet, desto stabilare blir emulsionen.
Tensider har förmågan att avsevärt öka lösligheten hos organiska föreningar som är olösliga eller något lösliga i vatten efter att ha bildat miceller i vattenlösning, och lösningen är transparent vid denna tidpunkt. Denna effekt av miceller kallas solubilisering. Tensider som kan producera solubiliserande effekter kallas solubiliseringsmedel, och organiska föreningar som är solubiliserade kallas solubiliserade föreningar.
8. Skum
Skum spelar en viktig roll i tvättprocessen. Skum avser det dispersionssystem där gas dispergeras i vätska eller fast form. Gas är dispersionsfasen och vätska eller fast form är dispersionsmediet. Det förra kallas flytande skum, medan det senare kallas fast skum, såsom skumplast, skumglas, skumcement etc.
(1) Skumbildning
Med skum avses här en samling bubblor separerade av en vätskefilm. På grund av den stora skillnaden i densitet mellan den dispergerade fasen (gas) och det dispergerade mediet (vätska), samt vätskans låga viskositet, kan skummet alltid snabbt stiga till vätskenivån.
Processen för att bilda skum går ut på att en stor mängd gas förs in i vätskan, och bubblorna i vätskan återvänder snabbt till vätskeytan och bildar ett bubbelaggregat separerat av en liten mängd vätska och gas.
Skum har två anmärkningsvärda egenskaper i morfologi: den ena är att bubblor i dispergerad fas ofta är polyedriska, eftersom det vid skärningspunkten mellan bubblorna finns en tendens att vätskefilmen blir tunnare, vilket gör bubblorna polyedriska. När vätskefilmen blir tunnare till en viss grad kommer bubblorna att spricka; för det andra kan den rena vätskan inte bilda stabilt skum, men vätskan som kan bilda skum består av minst två eller flera komponenter. Vattenlösningar av ytaktivt ämne är ett typiskt system för att lätt generera skum, och dess förmåga att generera skum är också relaterad till andra egenskaper.
Tensider med god skumningsförmåga kallas skummedel. Även om skummedlet har god skumningsförmåga kan det bildade skummet eventuellt inte bibehålla sin stabilitet under lång tid, det vill säga dess stabilitet kan vara dålig. För att bibehålla skummets stabilitet tillsätts ofta ett ämne som kan öka skummets stabilitet, vilket kallas skumstabilisator. De vanligt förekommande skumstabilisatorerna är lauroyldietanolamin och dodecyldimetylaminoxid.
(2) Skummets stabilitet
Skum är ett termodynamiskt instabilt system, och den slutliga trenden är att vätskans totala yta i systemet minskar och den fria energin minskar efter att bubblorna bryts. Skumavskalningsprocessen är den process där vätskefilmen som separerar gasen ändrar tjocklek tills den brister. Därför bestäms skummets stabilitet huvudsakligen av vätskeutsläppets hastighet och vätskefilmens styrka. Det finns flera andra påverkande faktorer.
① Ytspänning
Ur energisynpunkt är låg ytspänning mer gynnsam för skumbildning, men det kan inte garantera skummets stabilitet. Låg ytspänning, låg tryckskillnad, långsam vätskeutmatningshastighet och långsam vätskefilmsförtunning bidrar till skummets stabilitet.
② Ytviskositet
Den viktigaste faktorn som bestämmer skummets stabilitet är vätskefilmens styrka, vilken huvudsakligen bestäms av ytans adsorptionsfilms fasthet, mätt genom ytviskositeten. Experiment visar att skum som produceras av lösningar med högre ytviskositet har en längre livslängd. Detta beror på att interaktionen mellan adsorberade molekyler på ytan leder till ökad membranstyrka, vilket förbättrar skummets livslängd.
③ Lösningens viskositet
När vätskans viskositet ökar, är det inte lätt att tömma vätskan i vätskefilmen, och hastigheten för uttunningen av vätskefilmens tjocklek är långsam, vilket fördröjer tiden för vätskefilmens bristning och ökar skummets stabilitet.
④ Den "reparerande" effekten av ytspänning
Tensider som adsorberats på ytan av den flytande filmen har förmågan att motstå expansion eller sammandragning av den flytande filmens yta, vilket vi kallar reparationseffekt. Detta beror på att det finns en flytande film av tensider som adsorberats på ytan, och att utöka dess yta kommer att minska koncentrationen av ytadsorberade molekyler och öka ytspänningen. Ytterligare utökning av ytan kommer att kräva större ansträngning. Omvänt kommer ytkrympning att öka koncentrationen av adsorberade molekyler på ytan, vilket minskar ytspänningen och hindrar ytterligare krympning.
⑤ Gasdiffusion genom en vätskefilm
På grund av kapillärtrycket är trycket i små bubblor i skum högre än i stora bubblor, vilket gör att gasen i de små bubblorna diffunderar in i de stora lågtrycksbubblorna genom vätskefilmen. Detta resulterar i att de små bubblorna blir mindre, de stora bubblorna blir större och slutligen skummet bryts. Om tensid tillsätts blir skummet jämnt och tätt vid skumning, och det är inte lätt att skumma bort. Eftersom tensiderna sitter tätt på vätskefilmen är det svårt att ventilera, vilket gör skummet mer stabilt.
⑥ Inverkan av ytladdning
Om skumfilmen är laddad med samma symbol, kommer de två ytorna av vätskefilmen att stöta bort varandra, vilket förhindrar att vätskefilmen tunnas ut eller till och med förstörs. Joniska tensider kan ge denna stabiliserande effekt.
Sammanfattningsvis är vätskefilmens styrka den viktigaste faktorn för att bestämma skummets stabilitet. Som tensid för skumbildare och skumstabilisatorer är tätheten och fastheten hos de ytadsorberade molekylerna de viktigaste faktorerna. När interaktionen mellan de adsorberade molekylerna på ytan är stark, är de adsorberade molekylerna tätt anordnade, vilket inte bara gör att själva ytansiktsmasken har hög styrka, utan också gör det svårt för lösningen intill ytansiktsmasken att rinna av på grund av den höga ytviskositeten, så det är relativt svårt för vätskefilmen att rinna av, och vätskefilmens tjocklek är lätt att bibehålla. Dessutom kan tätt anordnade ytmolekyler också minska permeabiliteten hos gasmolekyler och därmed öka skummets stabilitet.
(3) Förstöring av skum
Grundprincipen för att förstöra skum är att ändra förutsättningarna för att producera skum eller eliminera skummets stabilitetsfaktorer, så det finns två skumdämpningsmetoder, fysikaliska och kemiska.
Fysisk skumdämpning innebär att ändra förhållandena under vilka skum genereras samtidigt som den kemiska sammansättningen av skumlösningen bibehålls oförändrad. Till exempel är extern kraftstörning, temperatur- eller tryckförändringar och ultraljudsbehandling alla effektiva fysikaliska metoder för att eliminera skum.
Den kemiska skumdämpningsmetoden går ut på att tillsätta vissa ämnen som interagerar med skummedlet, minska styrkan hos vätskefilmen i skummet och sedan minska skummets stabilitet för att uppnå syftet med skumdämpning. Sådana ämnen kallas skumdämpare. De flesta skumdämpare är tensider. Därför bör skumdämparna, enligt mekanismen för skumdämpning, ha en stark förmåga att minska ytspänning, lätt adsorberas på ytan och ha svag interaktion mellan ytadsorberade molekyler, vilket resulterar i en relativt lös struktur av adsorberade molekyler.
Det finns olika typer av skumdämpare, men de är mestadels nonjoniska tensider. Nonjoniska tensider har skumdämpande egenskaper nära eller över sin grumlingspunkt och används ofta som skumdämpare. Alkoholer, särskilt de med förgreningsstrukturer, fettsyror och estrar, polyamider, fosfater, silikonoljor etc., används också ofta som utmärkta skumdämpare.
(4) Skum och tvätt
Det finns inget direkt samband mellan skum och tvätteffekt, och mängden skum betyder inte att tvätteffekten är bra eller dålig. Till exempel är skumningsförmågan hos nonjoniska tensider betydligt sämre än tvål, men deras rengöringsförmåga är mycket bättre än tvål.
I vissa fall är skum hjälpsamt för att ta bort smuts. Till exempel, när man diskar porslin hemma, kan skummet från diskmedlet ta bort oljedroppar som sköljts ner. När man skrubbar mattor hjälper skummet till att ta bort fast smuts som damm och pulver. Dessutom kan skum ibland användas som ett tecken på om diskmedlet är effektivt, eftersom feta oljefläckar kan hämma diskmedlets skum. När det finns för mycket oljefläckar och för lite diskmedel blir det inget skum eller så försvinner det ursprungliga skummet. Ibland kan skum också användas som en indikator på om sköljningen är ren. Eftersom mängden skum i sköljlösningen tenderar att minska med minskande diskmedelsinnehåll kan sköljningsgraden utvärderas utifrån mängden skum.
9. Tvättprocess
I vid bemärkelse är tvättning processen att avlägsna oönskade komponenter från föremålet som tvättas och uppnå ett visst syfte. Tvätt i vanlig bemärkelse avser processen att avlägsna smuts från ytan på ett bärarmaterial. Under tvättning försvagas eller elimineras samspelet mellan smuts och bärarmaterial genom inverkan av vissa kemiska ämnen (såsom tvättmedel), vilket omvandlar kombinationen av smuts och bärarmaterial till en kombination av smuts och tvättmedel, vilket i slutändan får smutsen och bärarmaterialet att lossna. Eftersom föremålen som ska tvättas och smutsen som ska avlägsnas är olika, är tvättning en mycket komplex process, och den grundläggande tvättprocessen kan representeras av följande enkla förhållande.
Bärare • Smuts+Tvättmedel = Bärare+Smuts • Tvättmedel
Tvättprocessen kan vanligtvis delas in i två steg: det ena är separationen av smuts och dess bärare under inverkan av tvättmedlet; det andra är att den lösgjorda smutsen dispergeras och suspenderas i mediet. Tvättprocessen är en reversibel process, och smuts som är dispergerad eller suspenderad i mediet kan också återutfällas från mediet på tvätten. Därför bör ett utmärkt tvättmedel inte bara ha förmågan att lossa smuts från bäraren, utan också ha god förmåga att sprida och suspendera smuts, och förhindra att smuts avsätts igen.
(1) Typer av smuts
Även för samma föremål varierar typen, sammansättningen och mängden smuts beroende på användningsmiljön. Oljesmuts från kroppar omfattar huvudsakligen animaliska och vegetabiliska oljor, såväl som mineraloljor (såsom råolja, eldningsolja, stenkolstjära etc.), medan fast smuts huvudsakligen omfattar rök, damm, rost, kimrök etc. När det gäller klädsmuts finns det smuts från människokroppen, såsom svett, talg, blod etc.; smuts från mat, såsom fruktfläckar, fläckar från ätbara oljor, kryddfläckar, stärkelse etc.; smuts från kosmetika, såsom läppstift och nagellack; smuts från atmosfären, såsom rök, damm, jord etc.; andra material såsom bläck, te, färg etc. Man kan säga att det finns olika och mångsidiga typer.
Olika typer av smuts kan vanligtvis delas in i tre kategorier: fast smuts, flytande smuts och specialsmuts.
① Vanlig fast smuts innefattar partiklar som aska, lera, jord, rost och kimrök. De flesta av dessa partiklar har en ytladdning, mestadels negativ, och adsorberas lätt på fiberföremål. Generellt sett är fast smuts svår att lösa upp i vatten, men kan dispergeras och suspenderas med hjälp av rengöringslösningar. Fast smuts med små partiklar är svår att avlägsna.
② Flytande smuts är mestadels oljelöslig, inklusive animaliska och vegetabiliska oljor, fettsyror, fettalkoholer, mineraloljor och deras oxider. Bland dessa kan animaliska och vegetabiliska oljor och fettsyror förtvålas med alkali, medan fettalkoholer och mineraloljor inte förtvålas av alkali, men kan lösas upp i alkoholer, etrar och organiska kolvätelösningsmedel, och emulgeras och dispergeras av vattenlösningar av rengöringsmedel. Oljelöslig flytande smuts har i allmänhet en stark interaktionskraft med fiberföremål och adsorberar fast på fibrerna.
③ Speciell smuts inkluderar protein, stärkelse, blod, mänskliga sekret som svett, talg, urin, samt fruktjuice, tejuice etc. De flesta av dessa typer av smuts kan starkt absorberas på fiberföremål genom kemiska reaktioner. Därför är det ganska svårt att tvätta den.
Olika typer av smuts existerar sällan ensamma, ofta blandade och adsorberade på föremål. Smuts kan ibland oxidera, brytas ner eller förfalla under yttre påverkan, vilket resulterar i bildandet av ny smuts.
(2) Smutsens vidhäftningseffekt
Anledningen till att kläder, händer etc. kan bli smutsiga är att det finns någon form av interaktion mellan föremål och smuts. Det finns olika vidhäftningseffekter av smuts på föremål, men de är främst fysisk vidhäftning och kemisk vidhäftning.
① Den fysiska vidhäftningen av cigarettaska, damm, sediment, kimrök och andra ämnen till kläder. Generellt sett är interaktionen mellan den vidhäftande smutsen och det förorenade föremålet relativt svag, och borttagningen av smuts är också relativt enkel. Beroende på olika krafter kan smutsens fysiska vidhäftning delas in i mekanisk vidhäftning och elektrostatisk vidhäftning.
A: Mekanisk vidhäftning avser huvudsakligen vidhäftning av fast smuts såsom damm och sediment. Mekanisk vidhäftning är en svag vidhäftningsmetod för smuts, som nästan kan avlägsnas med enkla mekaniska metoder. Men när smutsens partikelstorlek är liten (<0,1 µm) är den svårare att avlägsna.
B: Elektrostatisk vidhäftning manifesteras huvudsakligen genom verkan av laddade smutspartiklar på föremål med motsatta laddningar. De flesta fiberföremål bär en negativ laddning i vatten och vidhäftar lätt positivt laddad smuts, såsom kalk. Viss smuts, även om den är negativt laddad, såsom kimrökspartiklar i vattenlösningar, kan vidhäfta fibrer genom jonbryggor som bildas av positiva joner (såsom Ca2+, Mg2+, etc.) i vatten (joner agerar tillsammans mellan flera motsatta laddningar och fungerar som bryggor).
Statisk elektricitet är starkare än enkel mekanisk verkan, vilket gör det relativt svårt att ta bort smuts.
③ Borttagning av specialsmuts
Protein, stärkelse, mänskliga sekret, fruktjuice, tejuice och andra typer av smuts är svåra att ta bort med vanliga tensider och kräver speciella behandlingsmetoder.
Proteinfläckar som grädde, ägg, blod, mjölk och hudavföring är benägna att koagulera och denaturera fibrerna och fäster fastare. För proteinföroreningar kan proteas användas för att ta bort dem. Proteaset kan bryta ner proteiner i smuts till vattenlösliga aminosyror eller oligopeptider.
Stärkelsefläckar kommer huvudsakligen från mat, medan andra kommer från exempelvis köttsaft, pasta etc. Stärkelseenzymer har en katalytisk effekt på hydrolysen av stärkelsefläckar och bryter ner stärkelse till sockerarter.
Lipas kan katalysera nedbrytningen av vissa triglycerider som är svåra att avlägsna med konventionella metoder, såsom talg som utsöndras av människokroppen, ätbara oljor etc., för att bryta ner triglycerider till löslig glycerol och fettsyror.
Vissa färgade fläckar från fruktjuice, tejuice, bläck, läppstift etc. är ofta svåra att rengöra ordentligt även efter upprepad tvättning. Denna typ av fläck kan tas bort genom oxidations-reduktionsreaktioner med hjälp av oxidanter eller reduktionsmedel som blekmedel, som bryter ner strukturen hos kromoforen eller kromoforgrupperna och bryter ner dem till mindre vattenlösliga komponenter.
Ur kemtvättsperspektiv finns det ungefär tre typer av smuts.
① Oljelöslig smuts innefattar olika oljor och fetter, som är flytande eller feta och lösliga i kemtvättslösningsmedel.
② Vattenlöslig smuts är löslig i vattenlösning, men olöslig i kemtvättsmedel. Den adsorberas på kläder i form av en vattenlösning, och efter att vattnet avdunstat fälls granulära fasta ämnen som oorganiska salter, stärkelse, proteiner etc. ut.
③ Olje- och vattenolöslig smuts är olöslig i både vatten och kemtvättslösningsmedel, såsom kimrök, olika metallsilikater och oxider.
På grund av de olika egenskaperna hos olika typer av smuts finns det olika sätt att avlägsna smuts under kemtvättsprocessen. Oljelöslig smuts, såsom animaliska och vegetabiliska oljor, mineraloljor och fetter, är lättlöslig i organiska lösningsmedel och kan lätt avlägsnas under kemtvätt. Den utmärkta lösligheten hos kemtvättslösningsmedel för olja och fett beror huvudsakligen på van der Waals-krafter mellan molekylerna.
För att avlägsna vattenlöslig smuts såsom oorganiska salter, sockerarter, proteiner, svett etc. är det också nödvändigt att tillsätta en lämplig mängd vatten till kemtvättsmedlet, annars är vattenlöslig smuts svår att ta bort från kläder. Men vatten är svårt att lösa upp i kemtvättsmedel, så för att öka mängden vatten måste tensider tillsättas. Vattnet som finns i kemtvättsmedel kan återfukta smuts och klädernas yta, vilket gör det lätt att interagera med de polära grupperna av tensider, vilket är fördelaktigt för adsorptionen av tensider på ytan. Dessutom, när tensider bildar miceller, kan vattenlöslig smuts och vatten lösas upp i micellerna. Tensider kan inte bara öka vattenhalten i kemtvättslösningsmedel, utan också förhindra återavsättning av smuts för att förbättra rengöringseffekten.
En liten mängd vatten är nödvändig för att avlägsna vattenlöslig smuts, men för mycket vatten kan få vissa kläder att deformeras, skrynklas etc., så vattenhalten i det torra tvättmedlet måste vara måttlig.
Fasta partiklar som aska, lera, jord och kimrök, som varken är vattenlösliga eller oljelösliga, fäster vanligtvis på kläder genom elektrostatisk adsorption eller genom att kombineras med oljefläckar. Vid kemtvätt kan flödet och påverkan av lösningsmedel få smuts som adsorberats av elektrostatiska krafter att falla av, medan kemtvättsmedel kan lösa upp oljefläckar, vilket gör att fasta partiklar som kombineras med oljefläckarna och fäster på kläderna faller av från kemtvättsmedlet. Den lilla mängden vatten och tensider i kemtvättsmedlet kan stabilt suspendera och sprida de fasta smutspartiklarna som faller av, vilket förhindrar att de avsätts på kläderna igen.
(5) Faktorer som påverkar tvätteffekten
Den riktade adsorptionen av tensider vid gränssnittet och minskningen av ytspänningen (gränssnittsspänningen) är de viktigaste faktorerna för att avlägsna flytande eller fast smuts. Men tvättprocessen är relativt komplex, och även tvätteffekten av samma typ av tvättmedel påverkas av många andra faktorer. Dessa faktorer inkluderar tvättmedelskoncentrationen, temperaturen, smutsens natur, fibertyp och tygstrukturen.
① Koncentration av tensider
Micellerna av tensider i lösningen spelar en viktig roll i tvättprocessen. När koncentrationen når den kritiska micellkoncentrationen (cmc) ökar tvätteffekten kraftigt. Därför bör koncentrationen av tvättmedel i lösningsmedlet vara högre än CMC-värdet för att uppnå en god tvätteffekt. Men när koncentrationen av tensider överstiger CMC-värdet blir den ökande tvätteffekten mindre signifikant, och en överdriven ökning av koncentrationen av tensider är onödig.
När man använder solubilisering för att ta bort oljefläckar, även om koncentrationen är över CMC-värdet, ökar solubiliseringseffekten fortfarande med ökande koncentration av tensider. Vid denna tidpunkt är det lämpligt att använda tvättmedel lokalt, till exempel på manschetter och kragar på kläder där det är mycket smuts. Vid tvätt kan ett lager tvättmedel appliceras först för att förbättra solubiliseringseffekten av tensider på oljefläckar.
② Temperaturen har en betydande inverkan på rengöringseffekten. Sammantaget är det fördelaktigt att öka temperaturen för att ta bort smuts, men ibland kan för hög temperatur också orsaka negativa faktorer.
En ökning av temperaturen är fördelaktig för smutsspridning. Oljefläckar i fast form emulgeras lätt när temperaturen är över deras smältpunkt, och fibrerna expanderar också mer på grund av temperaturökningen. Dessa faktorer är alla fördelaktiga för att avlägsna smuts. För täta tyger minskar dock mikrospalterna mellan fibrerna efter fiberexpansionen, vilket inte bidrar till att avlägsna smuts.
Temperaturförändringar påverkar också lösligheten, CMC-värdet och micellstorleken hos tensider, vilket påverkar tvätteffekten. Långa kolkedjiga tensider har lägre löslighet vid låga temperaturer, och ibland till och med lägre löslighet än CMC-värdet. I detta fall bör tvätttemperaturen ökas på lämpligt sätt. Temperaturens effekt på CMC-värdet och micellstorleken skiljer sig åt för joniska och nonjoniska tensider. För joniska tensider leder en ökning av temperaturen generellt till en ökning av CMC-värdet och en minskning av micellstorleken. Detta innebär att koncentrationen av tensider bör ökas i tvättlösningen. För nonjoniska tensider leder ökad temperatur till en minskning av deras CMC-värde och en betydande ökning av deras micellstorlek. Det kan ses att en lämplig ökning av temperaturen kan hjälpa nonjoniska tensider att utöva sin ytaktivitet. Men temperaturen bör inte överstiga dess grumlingspunkt.
Kort sagt, den lämpligaste tvätttemperaturen är relaterad till tvättmedlets formel och föremålet som tvättas. Vissa tvättmedel har goda rengöringseffekter i rumstemperatur, medan vissa tvättmedel har betydligt olika rengöringseffekter för kall och varm tvätt.
③ Skum
Folk förväxlar ofta skumningsförmåga med tvätteffekt och tror att tvättmedel med stark skumningsförmåga har bättre tvätteffekter. Resultaten visar att tvätteffekten inte är direkt relaterad till mängden skum. Till exempel har användning av lågskummande tvättmedel för tvätt inte en sämre tvätteffekt än högskummande tvättmedel.
Även om skum inte är direkt relaterat till tvättning, är skum fortfarande bra för att ta bort smuts i vissa situationer. Till exempel kan skummet i diskvätskan bära bort oljedropparna när man diskar för hand. När man skrubbar mattan kan skum också ta bort fasta smutspartiklar som damm. Damm står för en stor andel av mattsmutsen, så mattrengörare bör ha en viss skumningsförmåga.
Skumkraften är också viktig för schampo. Det fina skummet som produceras av vätskan vid hårtvätt eller bad gör att man känner sig bekväm.
④ Fibertyper och textiliers fysikaliska egenskaper
Förutom att fibrernas kemiska struktur påverkar vidhäftningen och borttagningen av smuts, har även fibrernas utseende och garnernas och tygernas organisationsstruktur en inverkan på svårigheten att ta bort smuts.
Fjällen på ullfibrer och den platta, remsliknande strukturen på bomullsfibrer är mer benägna att samla smuts än släta fibrer. Till exempel är kimrök som fästs på cellulosafilm (häftande film) lätt att ta bort, medan kimrök som fästs på bomullstyg är svår att tvätta bort. Till exempel är kortfibriga polyestertyger mer benägna att samla oljefläckar än långfibriga tyger, och oljefläckarna på kortfibriga tyger är också svårare att ta bort än de på långfibriga tyger.
Tätt tvinnade garner och täta tyger kan, på grund av de små mikrogliporna mellan fibrerna, motstå inträngning av smuts, men hindrar också rengöringslösningen från att ta bort inre smuts. Därför har täta tyger god motståndskraft mot smuts i början, men de är också svåra att rengöra när de väl är förorenade.
⑤ Vattnets hårdhet
Koncentrationen av metalljoner som Ca2+ och Mg2+ i vatten har en betydande inverkan på tvätteffekten, särskilt när anjoniska tensider möter Ca2+ och Mg2+ joner och bildar kalcium- och magnesiumsalter med dålig löslighet, vilket kan minska deras rengöringsförmåga. Även om koncentrationen av tensider är hög i hårt vatten är deras rengöringseffekt fortfarande mycket sämre än vid destillation. För att uppnå bästa tvätteffekt av tensider bör koncentrationen av Ca2+ joner i vatten reduceras till under 1 × 10⁻⁶ mol/L (CaCO3 bör reduceras till 0,1 mg/L). Detta kräver att olika mjukgörare tillsätts till tvättmedlet.
Publiceringstid: 16 augusti 2024