1. Površinska napetost
Sila krčenja na enoto dolžine na površini tekočine se imenuje površinska napetost in se meri v N • m-1.
2. Površinska aktivnost in površinsko aktivna snov
Lastnost, ki lahko zmanjša površinsko napetost topil, se imenuje površinska aktivnost, snovi s površinsko aktivnostjo pa površinsko aktivne snovi.
Površinsko aktivne snovi se nanašajo na površinsko aktivne snovi, ki lahko v vodnih raztopinah tvorijo micele in druge agregate, imajo visoko površinsko aktivnost ter imajo tudi omočilne, emulgirajoče, penilne, pralne in druge funkcije.
3. Molekularne strukturne značilnosti površinsko aktivne snovi
Površinsko aktivne snovi so organske spojine s posebnimi strukturami in lastnostmi, ki lahko znatno spremenijo medfazno napetost med dvema fazama ali površinsko napetost tekočin (običajno vode), in imajo lastnosti, kot so omočenje, penjenje, emulgiranje in pranje.
Strukturno gledano imajo površinsko aktivne snovi skupno značilnost, da v svojih molekulah vsebujejo dve različni funkcionalni skupini. En konec je dolgoverižna nepolarna skupina, ki je topna v olju, vendar netopna v vodi, znana kot hidrofobna skupina ali hidrofobna skupina. Te hidrofobne skupine so običajno dolgoverižni ogljikovodiki, včasih tudi organski fluor, organosilicij, organofosfor, organokositrove verige itd. Drugi konec je vodotopna funkcionalna skupina, in sicer hidrofilna skupina ali hidrofilna skupina. Hidrofilna skupina mora imeti zadostno hidrofilnost, da se zagotovi, da je celotna površinsko aktivna snov topna v vodi in ima potrebno topnost. Zaradi prisotnosti hidrofilnih in hidrofobnih skupin v površinsko aktivnih snoveh se te lahko raztopijo v vsaj eni fazi tekoče faze. Hidrofilne in oleofilne lastnosti površinsko aktivnih snovi se imenujejo amfifilnost.
4. Vrste površinsko aktivnih snovi
Površinsko aktivne snovi so amfifilne molekule, ki imajo tako hidrofobne kot hidrofilne skupine. Hidrofobne skupine površinsko aktivnih snovi so običajno sestavljene iz dolgoverižnih ogljikovodikov, kot so alkil C8-C20 z ravno verigo, alkil C8-C20 z razvejano verigo, alkilfenil (z 8-16 alkilnimi ogljikovimi atomi) itd. Razlika med hidrofobnimi skupinami je predvsem v strukturnih spremembah ogljikovo-vodikovih verig, z relativno majhnimi razlikami, medtem ko obstaja več vrst hidrofilnih skupin. Zato so lastnosti površinsko aktivnih snovi poleg velikosti in oblike hidrofobnih skupin povezane predvsem s hidrofilnimi skupinami. Strukturne spremembe hidrofilnih skupin so večje kot pri hidrofobnih skupinah, zato klasifikacija površinsko aktivnih snovi na splošno temelji na strukturi hidrofilnih skupin. Ta klasifikacija temelji predvsem na tem, ali so hidrofilne skupine ionske, in jih deli na anionske, kationske, neionske, zwitterionske in druge posebne vrste površinsko aktivnih snovi.
5. Značilnosti vodne raztopine površinsko aktivne snovi
① Adsorpcija površinsko aktivnih snovi na vmesnikih
Molekule površinsko aktivnih snovi imajo lipofilne in hidrofilne skupine, zaradi česar so amfifilne molekule. Voda je močno polarna tekočina. Ko se površinsko aktivne snovi raztopijo v vodi, se njihove hidrofilne skupine v skladu z načelom podobnosti polarnosti in odbijanja razlike polarnosti privlačijo k vodni fazi in se raztopijo v vodi, medtem ko njihove lipofilne skupine vodo odbijajo in zapuščajo vodo. Posledično se molekule (ali ioni) površinsko aktivnih snovi adsorbirajo na vmesniku med fazama, kar zmanjša medfazno napetost med njima. Več molekul (ali ionov) površinsko aktivnih snovi, ki se adsorbirajo na vmesniku, večje je zmanjšanje medfazne napetosti.
② Nekatere lastnosti adsorpcijske membrane
Površinski tlak adsorpcijske membrane: Površinsko aktivne snovi se adsorbirajo na vmesniku plin-tekočina in tvorijo adsorpcijsko membrano. Če na vmesnik namestimo premično plavajočo ploščo brez trenja in plavajoča plošča potiska adsorpcijsko membrano vzdolž površine raztopine, membrana izvaja pritisk na plavajočo ploščo, kar imenujemo površinski tlak.
Površinska viskoznost: Tako kot površinski tlak je tudi površinska viskoznost lastnost netopnih molekularnih filmov. Platinasti obroč obesite na tanko kovinsko žico, tako da se njegova ravnina dotakne vodne površine umivalnika, nato pa platinasti obroč zavrtite. Viskoznost vode ovira platinasti obroč in amplituda se postopoma zmanjšuje, s čimer lahko izmerite površinsko viskoznost. Metoda je naslednja: najprej izvedite poskuse na čisti vodni površini, izmerite slabljenje amplitude, nato izmerite slabljenje po nastanku površinske maske in izračunajte viskoznost površinske maske iz razlike med obema.
Površinska viskoznost je tesno povezana s čvrstostjo površinske maske za obraz. Ker ima adsorpcijski film površinski tlak in viskoznost, mora biti elastičen. Višji kot je površinski tlak in viskoznost adsorpcijske membrane, večji je njen elastični modul. Elastični modul površinskega adsorpcijskega filma je zelo pomemben pri procesu stabilizacije pene.
③ Nastanek micelov
Razredčena raztopina površinsko aktivnih snovi sledi zakonom idealnih raztopin. Adsorpcijska količina površinsko aktivnih snovi na površini raztopine se povečuje s koncentracijo raztopine. Ko koncentracija doseže ali preseže določeno vrednost, se adsorpcijska količina ne povečuje več. Te presežne molekule površinsko aktivnih snovi v raztopini so neurejene ali obstajajo na regularen način. Tako praksa kot teorija sta pokazali, da v raztopini tvorijo agregate, ki jih imenujemo miceli.
Kritična koncentracija micelov: Najmanjša koncentracija, pri kateri površinsko aktivne snovi tvorijo micele v raztopini, se imenuje kritična koncentracija micelov.
4 Vrednost CMC običajne površinsko aktivne snovi.
6. Hidrofilna in oleofilna ravnotežna vrednost
HLB je kratica za hidrofilno lipofilno ravnovesje, ki predstavlja hidrofilne in lipofilne ravnovesne vrednosti hidrofilnih in lipofilnih skupin površinsko aktivne snovi, tj. vrednost HLB površinsko aktivne snovi. Visoka vrednost HLB kaže na močno hidrofilnost in šibko lipofilnost molekule; nasprotno, ima močno lipofilnost in šibko hidrofilnost.
① Predpisi o vrednosti HLB
Vrednost HLB je relativna vrednost, zato se pri formuliranju vrednosti HLB kot standard nastavi vrednost HLB parafina brez hidrofilnih lastnosti na 0, vrednost HLB natrijevega dodecil sulfata z močno topnostjo v vodi pa na 40. Zato je vrednost HLB površinsko aktivnih snovi običajno v območju od 1 do 40. Na splošno velja, da so emulgatorji z vrednostmi HLB manjšimi od 10 lipofilni, medtem ko so emulgatorji z vrednostmi HLB večjimi od 10 hidrofilni. Zato je prelomnica od lipofilnosti do hidrofilnosti približno 10.
7. Učinki emulgiranja in solubilizacije
Dve nemešljivi tekočini, ena nastane z dispergiranjem delcev (kapljic ali tekočih kristalov) v drugi, se imenujeta emulziji. Pri tvorbi emulzije se medfazna površina med obema tekočinama poveča, zaradi česar je sistem termodinamično nestabilen. Za stabilizacijo emulzije je treba dodati tretjo komponento – emulgator –, da se zmanjša medfazna energija sistema. Emulgatorji spadajo med površinsko aktivne snovi, njihova glavna funkcija pa je delovati kot emulgatorji. Faza, v kateri obstajajo kapljice v emulziji, se imenuje dispergirana faza (ali notranja faza, diskontinuirana faza), druga faza, ki sta povezani skupaj, pa se imenuje dispergirani medij (ali zunanja faza, kontinuirana faza).
① Emulgatorji in emulzije
Običajne emulzije so sestavljene iz ene faze vode ali vodne raztopine in druge faze organskih spojin, ki se ne mešajo z vodo, kot so olja, voski itd. Emulzije, ki jih tvorita voda in olje, lahko glede na njuno disperzijo razdelimo na dve vrsti: olje, dispergirano v vodi, tvori emulzijo voda v olju, ki jo predstavlja O/W (olje/voda); voda, dispergirana v olju, tvori emulzijo voda v olju, ki jo predstavlja W/O (voda/olje). Poleg tega lahko tvorijo tudi kompleksne emulzije voda v olju v vodi W/O/W in olje v vodi v olju O/W/O.
Emulgator stabilizira emulzijo z zmanjšanjem medfazne napetosti in oblikovanjem enoslojne obrazne maske.
Zahteve za emulgatorje pri emulgiranju: a: emulgatorji se morajo biti sposobni adsorbirati ali obogatiti na vmesniku med dvema fazama, kar zmanjša medfazno napetost; b: emulgatorji morajo delcem dati električni naboj, ki povzroči elektrostatično odbijanje med delci ali tvori stabilen, zelo viskozen zaščitni film okoli delcev. Torej morajo snovi, ki se uporabljajo kot emulgatorji, imeti amfifilne skupine, da imajo emulgirni učinek, in površinsko aktivne snovi lahko izpolnjujejo to zahtevo.
② Metode priprave emulzij in dejavniki, ki vplivajo na stabilnost emulzije
Obstajata dve metodi za pripravo emulzij: ena je uporaba mehanskih metod za disperzijo tekočine v majhne delce v drugi tekočini, kar se pogosto uporablja v industriji za pripravo emulzij; druga metoda je raztapljanje tekočine v molekularnem stanju v drugi tekočini in nato omogočanje, da se ustrezno združi in tvori emulzijo.
Stabilnost emulzij se nanaša na njihovo sposobnost, da se uprejo agregaciji delcev in povzročijo ločevanje faz. Emulzije so termodinamično nestabilni sistemi z znatno prosto energijo. Zato se stabilnost emulzije dejansko nanaša na čas, ki je potreben, da sistem doseže ravnovesje, torej na čas, ki je potreben, da se tekočina v sistemu loči.
Ko so v maski za obraz prisotne polarne organske molekule, kot so maščobni alkoholi, maščobne kisline in maščobni amini, se trdnost membrane znatno poveča. To je zato, ker molekule emulgatorja v vmesni adsorpcijski plasti interagirajo s polarnimi molekulami, kot so alkohol, kislina in amin, in tvorijo "kompleks", kar poveča trdnost vmesne maske za obraz.
Emulgatorji, sestavljeni iz dveh ali več površinsko aktivnih snovi, se imenujejo mešani emulgatorji. Mešani emulgatorji se adsorbirajo na vmesniku voda/olje, medmolekularne interakcije pa lahko tvorijo komplekse. Zaradi močne medmolekularne interakcije se medfazna napetost znatno zmanjša, količina emulgatorja, adsorbiranega na vmesniku, se znatno poveča, gostota in trdnost oblikovane medfazne maske za obraz pa se povečata.
Naboj kapljic ima pomemben vpliv na stabilnost emulzij. Stabilne emulzije imajo običajno kapljice z električnim nabojem. Pri uporabi ionskih emulgatorjev emulgatorski ioni, adsorbirani na vmesniku, vstavijo svoje lipofilne skupine v oljno fazo, medtem ko so hidrofilne skupine v vodni fazi, zaradi česar so kapljice nabite. Ker kapljice emulzije nosijo enak naboj, se med seboj odbijajo in se ne aglomerirajo zlahka, kar ima za posledico večjo stabilnost. Vidimo lahko, da več emulgatorskih ionov, adsorbiranih na kapljice, pomeni večji njihov naboj in večjo njihovo sposobnost preprečevanja koalescence kapljic, zaradi česar je emulzijski sistem bolj stabilen.
Viskoznost emulzijskega disperzijskega medija ima določen vpliv na stabilnost emulzije. Na splošno velja, da višja kot je viskoznost disperzijskega medija, večja je stabilnost emulzije. To je zato, ker je viskoznost disperzijskega medija visoka, kar močno ovira Brownovo gibanje kapljic tekočine, upočasni trke med kapljicami in ohranja sistem stabilen. Polimerne snovi, ki so običajno topne v emulzijah, lahko povečajo viskoznost sistema in izboljšajo stabilnost emulzije. Poleg tega lahko polimer tvori tudi trdno vmesno masko za obraz, zaradi česar je emulzijski sistem bolj stabilen.
V nekaterih primerih lahko dodajanje trdnega prahu stabilizira tudi emulzijo. Trdni prah ni v vodi, olju ali na vmesniku, odvisno od omočilne sposobnosti olja in vode na trdnem prahu. Če trdni prah ni popolnoma omočen z vodo in ga je mogoče omočiti z oljem, bo ostal na vmesniku voda-olje.
Razlog, zakaj trdni prah ne stabilizira emulzije, je ta, da prah, zbran na vmesniku, ne okrepi vmesne površine obrazne maske, ki je podobna vmesni površini adsorpcijskih molekul emulgatorja. Zato je emulzija stabilnejša, bližje ko so delci trdnega prahu razporejeni na vmesniku.
Površinsko aktivne snovi lahko znatno povečajo topnost organskih spojin, ki so netopne ali slabo topne v vodi, potem ko v vodni raztopini tvorijo micele, raztopina pa je v tem času prozorna. Ta učinek micelov se imenuje solubilizacija. Površinsko aktivne snovi, ki lahko povzročijo solubilizacijske učinke, se imenujejo solubilizatorji, organske spojine, ki so solubilizirane, pa solubilizirane spojine.
8. Pena
Pena igra pomembno vlogo v procesu pranja. Pena se nanaša na disperzijski sistem, v katerem je plin razpršen v tekočini ali trdni snovi. Plin je disperzijska faza, tekočina ali trdna snov pa disperzijski medij. Prva se imenuje tekoča pena, druga pa trdna pena, kot so penasta plastika, penasto steklo, penasti cement itd.
(1) Nastanek pene
Pena se tukaj nanaša na agregacijo mehurčkov, ločenih s tekočim filmom. Zaradi velike razlike v gostoti med dispergirano fazo (plin) in dispergiranim medijem (tekočina) ter nizke viskoznosti tekočine se pena lahko vedno hitro dvigne do gladine tekočine.
Postopek nastajanja pene je vnos velike količine plina v tekočino, mehurčki v tekočini pa se hitro vrnejo na površino tekočine in tvorijo agregat mehurčkov, ločen z majhno količino tekočine in plina.
Pena ima dve izjemni morfološki značilnosti: prva je, da so mehurčki kot dispergirana faza pogosto poliedrski, ker na presečišču mehurčkov obstaja tendenca, da se tekoči film stanjša, zaradi česar mehurčki postanejo poliedrski. Ko se tekoči film do določene mere stanjša, se mehurčki zlomijo; drugič, čista tekočina ne more tvoriti stabilne pene, tekočina, ki lahko tvori peno, pa je sestavljena iz vsaj dveh ali več komponent. Vodna raztopina površinsko aktivne snovi je tipičen sistem, ki zlahka tvori peno, njegova sposobnost tvorbe pene pa je povezana tudi z drugimi lastnostmi.
Površinsko aktivne snovi z dobro sposobnostjo penjenja se imenujejo penilna sredstva. Čeprav ima penilno sredstvo dobro sposobnost penjenja, nastala pena morda ne bo dolgo obstojna, torej njena stabilnost morda ni dobra. Da bi ohranili stabilnost pene, se penilnemu sredstvu pogosto doda snov, ki lahko poveča stabilnost pene, imenovana stabilizator pene. Najpogosteje uporabljena stabilizatorja pene sta lavroil dietanolamin in dodecil dimetil amin oksid.
(2) Stabilnost pene
Pena je termodinamično nestabilen sistem, končni trend pa je, da se skupna površina tekočine v sistemu zmanjša, prosta energija pa se po prelomu mehurčkov zmanjša. Postopek odstranjevanja pene je postopek, pri katerem tekoči film, ki ločuje plin, spreminja debelino, dokler ne poči. Zato je stabilnost pene v glavnem odvisna od hitrosti izpusta tekočine in trdnosti tekočega filma. Obstaja še več drugih vplivnih dejavnikov.
① Površinska napetost
Z energijskega vidika je nizka površinska napetost ugodnejša za nastanek pene, vendar ne more zagotoviti stabilnosti pene. Nizka površinska napetost, nizka tlačna razlika, počasna hitrost iztekanja tekočine in počasno redčenje tekočega filma prispevajo k stabilnosti pene.
② Površinska viskoznost
Ključni dejavnik, ki določa stabilnost pene, je trdnost tekočega filma, ki je v glavnem odvisna od trdnosti površinskega adsorpcijskega filma, merjene s površinsko viskoznostjo. Poskusi kažejo, da ima pena, ki jo proizvaja raztopina z višjo površinsko viskoznostjo, daljšo življenjsko dobo. To je zato, ker interakcija med adsorbiranimi molekulami na površini poveča trdnost membrane in s tem podaljša življenjsko dobo pene.
③ Viskoznost raztopine
Ko se viskoznost same tekočine poveča, se tekočina v tekočem filmu ne izprazni zlahka, hitrost redčenja debeline tekočega filma pa je počasna, kar upočasni čas razpoka tekočega filma in poveča stabilnost pene.
④ Učinek 'popravljanja' površinske napetosti
Površinsko aktivne snovi, adsorbirane na površini tekočega filma, se lahko uprejo širjenju ali krčenju površine tekočega filma, kar imenujemo učinek popravila. To je zato, ker je na površini adsorbiran tekoči film površinsko aktivnih snovi, povečanje njegove površine pa bo zmanjšalo koncentracijo molekul, adsorbiranih na površini, in povečalo površinsko napetost. Nadaljnje širjenje površine bo zahtevalo večji napor. Nasprotno pa bo krčenje površine povečalo koncentracijo adsorbiranih molekul na površini, kar bo zmanjšalo površinsko napetost in preprečilo nadaljnje krčenje.
⑤ Difuzija plina skozi tekoči film
Zaradi kapilarnega tlaka je tlak majhnih mehurčkov v peni višji kot tlak velikih mehurčkov, kar povzroči, da plin v majhnih mehurčkih difundira skozi tekoči film v velike mehurčke z nizkim tlakom, kar povzroči, da se majhni mehurčki zmanjšajo, veliki mehurčki povečajo in pena na koncu poči. Če dodamo površinsko aktivno snov, bo pena pri penjenju enakomerna in gosta ter je ni enostavno odstraniti iz pene. Ker je površinsko aktivna snov tesno razporejena na tekočem filmu, jo je težko prezračevati, zaradi česar je pena bolj stabilna.
⑥ Vpliv površinskega naboja
Če je penasta tekoča plast napolnjena z istim simbolom, se bosta obe površini tekoče plasti odbijali, kar bo preprečilo tanjšanje ali celo uničenje tekoče plasti. Ionske površinsko aktivne snovi lahko zagotovijo ta stabilizacijski učinek.
Skratka, trdnost tekočega filma je ključni dejavnik za določanje stabilnosti pene. Kot površinsko aktivna snov za penilna sredstva in stabilizatorje pene sta najpomembnejša dejavnika tesnost in čvrstost molekul, adsorbiranih na površini. Ko je interakcija med adsorbiranimi molekulami na površini močna, so adsorbirane molekule tesno razporejene, kar ne le poveča trdnost same površinske maske, ampak tudi oteži pretok raztopine ob površini maske zaradi visoke površinske viskoznosti, zato je za tekoči film relativno težko odtekati, debelino tekočega filma pa je enostavno vzdrževati. Poleg tega lahko tesno razporejene površinske molekule zmanjšajo tudi prepustnost molekul plina in s tem povečajo stabilnost pene.
(3) Uničenje pene
Osnovno načelo uničevanja pene je spreminjanje pogojev za nastanek pene ali odprava faktorjev stabilnosti pene, zato obstajata dve metodi odstranjevanja pene, fizikalna in kemična.
Fizično odstranjevanje pene je spreminjanje pogojev, pod katerimi nastaja pena, hkrati pa ohranjanje nespremenjene kemične sestave penaste raztopine. Na primer, motnje zunanje sile, sprememba temperature ali tlaka in ultrazvočna obdelava so učinkovite fizikalne metode za odstranjevanje pene.
Metoda kemičnega odstranjevanja pene je dodajanje snovi, ki delujejo na penilno sredstvo, zmanjšujejo trdnost tekočega filma v peni in nato zmanjšujejo stabilnost pene, da se doseže namen odstranjevanja pene. Takšne snovi se imenujejo odstranjevalci pene. Večina odstranjevalcev pene je površinsko aktivnih snovi. Zato morajo imeti odstranjevalci pene glede na mehanizem odstranjevanja pene močno sposobnost zmanjšanja površinske napetosti, se zlahka adsorbirati na površino in imeti šibke interakcije med molekulami, adsorbiranimi na površini, kar ima za posledico relativno ohlapno strukturo razporeditve adsorbiranih molekul.
Obstajajo različne vrste penilnih sredstev, vendar so večinoma neionske površinsko aktivne snovi. Neionske površinsko aktivne snovi imajo lastnosti proti penjenju blizu ali nad točko motnosti in se pogosto uporabljajo kot penilna sredstva. Kot odlična penilna sredstva se pogosto uporabljajo tudi alkoholi, zlasti tisti z razvejano strukturo, maščobne kisline in estri, poliamidi, fosfati, silikonska olja itd.
(4) Pena in pranje
Med peno in učinkom pranja ni neposredne povezave, količina pene pa ne pomeni, da je učinek pranja dober ali slab. Na primer, penilna moč neionskih površinsko aktivnih snovi je precej slabša od mila, vendar je njihova čistilna moč veliko boljša.
V nekaterih primerih je pena koristna pri odstranjevanju umazanije. Na primer, pri pomivanju posode doma lahko pena detergenta odstrani sprane kapljice olja; pri drgnjenju preprog pena pomaga odstraniti trdno umazanijo, kot sta prah in prah. Poleg tega se pena včasih lahko uporabi kot znak učinkovitosti detergenta, saj lahko madeži maščobnih olj zavirajo penjenje detergenta. Če je preveč madežev olja in premalo detergenta, pene ne bo ali pa bo prvotna pena izginila. Včasih se pena lahko uporabi tudi kot pokazatelj, ali je izpiranje čisto. Ker se količina pene v raztopini za izpiranje z zmanjševanjem vsebnosti detergenta zmanjšuje, lahko stopnjo izpiranja ocenimo s količino pene.
9. Postopek pranja
V širšem smislu je pranje postopek odstranjevanja neželenih komponent iz predmeta, ki ga peremo, in doseganje določenega namena. Pranje v običajnem pomenu se nanaša na postopek odstranjevanja umazanije s površine nosilca. Med pranjem se interakcija med umazanijo in nosilcem oslabi ali odpravi zaradi delovanja nekaterih kemičnih snovi (kot so detergenti), zaradi česar se kombinacija umazanije in nosilca spremeni v kombinacijo umazanije in detergenta, kar na koncu povzroči ločitev umazanije in nosilca. Ker so predmeti, ki jih je treba oprati, in umazanija, ki jo je treba odstraniti, različni, je pranje zelo zapleten postopek, osnovni postopek pranja pa lahko predstavimo z naslednjim preprostim razmerjem.
Nosilec • Umazanija + Detergent = Nosilec + Umazanija • Detergent
Postopek pranja lahko običajno razdelimo na dve fazi: prva je ločitev umazanije in njenega nosilca pod vplivom detergenta; druga je, da se odtrgana umazanija dispergira in suspendira v mediju. Postopek pranja je reverzibilen proces, umazanija, ki je dispergirana ali suspendirana v mediju, pa se lahko iz medija ponovno obori na perilo. Zato mora odličen detergent ne le ločiti umazanijo od nosilca, temveč imeti tudi dobro sposobnost disperzije in suspendiranja umazanije ter preprečiti njeno ponovno odlaganje.
(1) Vrste umazanije
Tudi pri istem predmetu se vrsta, sestava in količina umazanije razlikujejo glede na okolje uporabe. Umazanija iz olja vključuje predvsem živalska in rastlinska olja ter mineralna olja (kot so surova nafta, kurilno olje, premogov katran itd.), trdna umazanija pa vključuje predvsem dim, prah, rjo, saje itd. Kar zadeva umazanijo iz oblačil, obstaja umazanija iz človeškega telesa, kot so znoj, sebum, kri itd.; umazanija iz hrane, kot so madeži sadja, madeži jedilnega olja, madeži začimb, škroba itd.; umazanija, ki jo prinaša kozmetika, kot sta šminka in lak za nohte; umazanija iz ozračja, kot so dim, prah, zemlja itd.; drugi materiali, kot so črnilo, čaj, barva itd. Lahko rečemo, da obstajajo različne in raznolike vrste umazanije.
Različne vrste umazanije lahko običajno razdelimo v tri kategorije: trdna umazanija, tekoča umazanija in posebna umazanija.
① Običajna trdna umazanija vključuje delce, kot so pepel, blato, zemlja, rja in saj. Večina teh delcev ima površinski naboj, večinoma negativen, in se zlahka adsorbira na vlaknate predmete. Trdno umazanijo je na splošno težko raztopiti v vodi, vendar jo je mogoče dispergirati in suspendirati z raztopinami detergentov. Trdno umazanijo z majhnimi delci je težko odstraniti.
② Tekoča umazanija je večinoma topna v olju, vključno z živalskimi in rastlinskimi olji, maščobnimi kislinami, maščobnimi alkoholi, mineralnimi olji in njihovimi oksidi. Med njimi se živalska in rastlinska olja ter maščobne kisline lahko umilijo z alkalijami, medtem ko se maščobni alkoholi in mineralna olja ne umilijo z alkalijami, lahko pa se raztopijo v alkoholih, etrih in ogljikovodikovih organskih topilih ter se emulgirajo in dispergirajo z vodnimi raztopinami detergentov. Tekoča umazanija, topna v olju, ima običajno močno interakcijsko silo z vlaknatimi predmeti in se trdno adsorbira na vlakna.
③ Posebna umazanija vključuje beljakovine, škrob, kri, človeške izločke, kot so znoj, sebum, urin, pa tudi sadni sok, čajni sok itd. Večina teh vrst umazanije se lahko s kemičnimi reakcijami močno adsorbira na vlaknate predmete. Zato jo je precej težko oprati.
Različne vrste umazanije redko obstajajo posamezno, pogosto so pomešane skupaj in adsorbirane na predmetih. Umazanija lahko včasih pod vplivom zunanjih dejavnikov oksidira, razgradi ali propade, kar povzroči nastanek nove umazanije.
(2) Oprijemni učinek umazanije
Razlog, zakaj se lahko oblačila, roke itd. umažejo, je nekakšna interakcija med predmeti in umazanijo. Obstajajo različni učinki oprijema umazanije na predmete, vendar sta to predvsem fizična in kemična oprijemljivost.
① Fizični oprijem cigaretnega pepela, prahu, usedlin, saj in drugih snovi na oblačila. Na splošno je interakcija med oprijeto umazanijo in onesnaženim predmetom relativno šibka, zato je tudi odstranjevanje umazanije relativno enostavno. Glede na različne sile lahko fizični oprijem umazanije razdelimo na mehanski in elektrostatični oprijem.
A: Mehanska adhezija se nanaša predvsem na adhezijo trdne umazanije, kot sta prah in usedline. Mehanska adhezija je šibka metoda adhezije umazanije, ki jo je mogoče skoraj odstraniti s preprostimi mehanskimi metodami. Ko pa so delci umazanije majhni (<0,1 μm), jih je težje odstraniti.
B: Elektrostatična adhezija se kaže predvsem v delovanju nabitih delcev umazanije na predmete z nasprotnimi naboji. Večina vlaknastih predmetov ima v vodi negativni naboj in se nanje zlahka oprime pozitivno nabita umazanija, kot je apno. Nekatera umazanija, čeprav negativno nabita, kot so delci saj v vodnih raztopinah, se lahko oprime vlaken prek ionskih mostov, ki jih v vodi tvorijo pozitivni ioni (kot so Ca2+, Mg2+ itd.) (ioni delujejo skupaj med več nasprotnimi naboji in delujejo kot mostovi).
Statična elektrika je močnejša od preprostega mehanskega delovanja, zato je odstranjevanje umazanije relativno težko.
③ Odstranjevanje posebne umazanije
Beljakovine, škrob, človeške izločke, sadni sok, čajni sok in druge vrste umazanije je težko odstraniti z običajnimi površinsko aktivnimi snovmi in zahtevajo posebne metode obdelave.
Beljakovinske madeže, kot so smetana, jajca, kri, mleko in kožni izločki, je mogoče strjevati in denaturirati na vlaknih ter se trdneje oprimejo. Za odstranjevanje beljakovinskih madežev se lahko uporabi proteaza. Proteaza lahko razgradi beljakovine v umazaniji na vodotopne aminokisline ali oligopeptide.
Škrobni madeži večinoma izvirajo iz hrane, drugi pa iz mesnih sokov, paste itd. Škrobni encimi imajo katalitični učinek na hidrolizo škrobnih madežev, saj škrob razgradijo v sladkorje.
Lipaza lahko katalizira razgradnjo nekaterih trigliceridov, ki jih je težko odstraniti s konvencionalnimi metodami, kot so sebum, ki ga izloča človeško telo, užitna olja itd., da razgradi trigliceride v topni glicerol in maščobne kisline.
Nekatere barvne madeže od sadnega soka, čaja, črnila, šminke itd. je pogosto težko temeljito očistiti tudi po večkratnem pranju. Tovrstne madeže je mogoče odstraniti z oksidacijsko-redukcijskimi reakcijami z uporabo oksidantov ali redukcijskih sredstev, kot je belilo, ki razgradijo strukturo kromoforja ali kromofornih skupin in jih razgradijo na manjše vodotopne komponente.
Z vidika kemičnega čiščenja obstajajo približno tri vrste umazanije.
① Umazanija, topna v olju, vključuje različna olja in maščobe, ki so tekoče ali mastne in topne v topilih za kemično čiščenje.
② Umazanija, topna v vodi, je topna v vodni raztopini, netopna pa v sredstvih za kemična čistila. Na oblačila se adsorbira v obliki vodne raztopine, po izhlapevanju vode pa se oborijo zrnate trdne snovi, kot so anorganske soli, škrob, beljakovine itd.
③ Umazanija, netopna v olju, je netopna tako v vodi kot v topilih za kemično čiščenje, kot so saje, različni kovinski silikati in oksidi.
Zaradi različnih lastnosti različnih vrst umazanije obstajajo različni načini odstranjevanja umazanije med postopkom kemičnega čiščenja. Umazanija, topna v olju, kot so živalska in rastlinska olja, mineralna olja in maščobe, se zlahka topi v organskih topilih in jo je mogoče enostavno odstraniti med kemičnim čiščenjem. Odlična topnost topil za kemično čiščenje olja in masti je v bistvu posledica van der Waalsovih sil med molekulami.
Za odstranjevanje vodotopne umazanije, kot so anorganske soli, sladkorji, beljakovine, znoj itd., je treba sredstvu za kemično čiščenje dodati tudi ustrezno količino vode, sicer je vodotopno umazanijo težko odstraniti z oblačil. Vendar pa se voda v sredstvih za kemično čiščenje težko raztopi, zato je za povečanje količine vode treba dodati površinsko aktivne snovi. Voda, ki je prisotna v sredstvih za kemično čiščenje, lahko hidrira umazanijo in površino oblačil, kar olajša interakcijo s polarnimi skupinami površinsko aktivnih snovi, kar je koristno za adsorpcijo površinsko aktivnih snovi na površini. Poleg tega se lahko, ko površinsko aktivne snovi tvorijo micele, vodotopna umazanija in voda raztopita v micelih. Površinsko aktivne snovi lahko ne le povečajo vsebnost vode v topilih za kemično čiščenje, ampak tudi preprečijo ponovno odlaganje umazanije in s tem povečajo učinek čiščenja.
Za odstranjevanje vodotopne umazanije je potrebna majhna količina vode, vendar lahko prekomerna količina vode povzroči deformacijo, gubanje itd. nekaterih oblačil, zato mora biti vsebnost vode v suhem detergentu zmerna.
Trdni delci, kot so pepel, blato, zemlja in saj, ki niso niti topni v vodi niti v olju, se običajno oprimejo oblačil z elektrostatično adsorpcijo ali z združevanjem z oljnimi madeži. Pri kemičnem čiščenju lahko pretok in vpliv topil povzročita, da umazanija, ki jo adsorbirajo elektrostatične sile, odpade, medtem ko lahko sredstva za kemično čiščenje raztopijo oljne madeže, zaradi česar trdni delci, ki se združijo z oljnimi madeži in se oprimejo oblačil, odpadejo s sredstva za kemično čiščenje. Majhna količina vode in površinsko aktivnih snovi v sredstvu za kemično čiščenje lahko stabilno suspendira in razprši trdne delce umazanije, ki odpadejo, ter prepreči njihovo ponovno odlaganje na oblačila.
(5) Dejavniki, ki vplivajo na učinek pranja
Usmerjena adsorpcija površinsko aktivnih snovi na vmesniku in zmanjšanje površinske (medfazne) napetosti sta glavna dejavnika za odstranjevanje tekočih ali trdnih umazanij. Vendar je postopek pranja relativno zapleten in celo na pralni učinek iste vrste detergenta vpliva veliko drugih dejavnikov. Ti dejavniki vključujejo koncentracijo detergenta, temperaturo, vrsto umazanije, vrsto vlaken in strukturo tkanine.
① Koncentracija površinsko aktivnih snovi
Miceli površinsko aktivnih snovi v raztopini igrajo pomembno vlogo v procesu pranja. Ko koncentracija doseže kritično micelno koncentracijo (CMC), se učinek pranja močno poveča. Zato mora biti koncentracija detergenta v topilu višja od vrednosti CMC, da se doseže dober učinek pranja. Ko pa koncentracija površinsko aktivnih snovi preseže vrednost CMC, se učinek pranja zmanjša in prekomerno povečanje koncentracije površinsko aktivne snovi ni potrebno.
Pri uporabi solubilizacije za odstranjevanje oljnih madežev se učinek solubilizacije še vedno povečuje z naraščanjem koncentracije površinsko aktivne snovi, tudi če je koncentracija nad vrednostjo CMC. V tem primeru je priporočljivo uporabljati detergent lokalno, na primer na manšetah in ovratnikih oblačil, kjer je veliko umazanije. Pri pranju lahko najprej nanesete plast detergenta, da izboljšate učinek solubilizacije površinsko aktivnih snovi na oljne madeže.
② Temperatura ima pomemben vpliv na učinek čiščenja. Na splošno je zvišanje temperature koristno za odstranjevanje umazanije, včasih pa lahko previsoka temperatura povzroči tudi neželene dejavnike.
Povišanje temperature je ugodno za difuzijo umazanije. Trdni oljni madeži se zlahka emulgirajo, ko je temperatura nad njihovim tališčem, vlakna pa zaradi povišanja temperature povečajo tudi svojo stopnjo raztezanja. Vsi ti dejavniki so koristni za odstranjevanje umazanije. Vendar pa se pri gostih tkaninah mikro reže med vlakni po raztezanju vlaken zmanjšajo, kar ne prispeva k odstranjevanju umazanije.
Spremembe temperature vplivajo tudi na topnost, vrednost CMC in velikost micelov površinsko aktivnih snovi, s čimer vplivajo na učinek pranja. Površinsko aktivne snovi z dolgo ogljikovo verigo imajo pri nizkih temperaturah manjšo topnost, včasih pa celo manjšo topnost od vrednosti CMC. V tem primeru je treba temperaturo pranja ustrezno zvišati. Vpliv temperature na vrednost CMC in velikost micelov se razlikuje za ionske in neionske površinsko aktivne snovi. Pri ionskih površinsko aktivnih snoveh zvišanje temperature običajno vodi do povečanja vrednosti CMC in zmanjšanja velikosti micelov. To pomeni, da je treba povečati koncentracijo površinsko aktivnih snovi v pralni raztopini. Pri neionskih površinsko aktivnih snoveh zvišanje temperature vodi do zmanjšanja njihove vrednosti CMC in znatnega povečanja velikosti micelov. Vidimo lahko, da lahko ustrezno zvišanje temperature pomaga neionskim površinsko aktivnim snovem pri izvajanju njihove površinske aktivnosti. Vendar temperatura ne sme preseči točke motnosti.
Skratka, najprimernejša temperatura pranja je povezana s formulo detergenta in predmetom, ki ga perete. Nekateri detergenti imajo dobre čistilne učinke pri sobni temperaturi, medtem ko imajo nekateri detergenti bistveno različne čistilne učinke pri hladnem in vročem pranju.
③ Pena
Ljudje pogosto zamenjujejo sposobnost penjenja z učinkom pranja, saj verjamejo, da imajo detergenti z močno sposobnostjo penjenja boljši učinek pranja. Rezultati kažejo, da učinek pranja ni neposredno povezan s količino pene. Na primer, uporaba detergenta z nizko stopnjo penjenja za pranje nima slabšega učinka pranja kot detergent z visoko stopnjo penjenja.
Čeprav pena ni neposredno povezana s pranjem, je v nekaterih primerih še vedno koristna za odstranjevanje umazanije. Na primer, pena detergenta lahko pri ročnem pomivanju posode odnese kapljice olja. Pri drgnjenju preprog lahko pena odstrani tudi trdne delce umazanije, kot je prah. Prah predstavlja velik delež umazanije na preprogah, zato mora imeti čistilo za preproge določeno sposobnost penjenja.
Penjenje je pomembno tudi za šampon. Fina pena, ki jo tekočina ustvari pri umivanju las ali kopanju, daje ljudem udobje.
④ Vrste vlaken in fizikalne lastnosti tekstilij
Poleg kemične strukture vlaken, ki vpliva na oprijem in odstranjevanje umazanije, na težavnost odstranjevanja umazanije vplivata tudi videz vlaken in organizacijska struktura prej in tkanin.
Luske volnenih vlaken in ravna trakasta struktura bombažnih vlaken so bolj nagnjene k nabiranju umazanije kot gladka vlakna. Na primer, saje, ki se oprimejo celulozne folije (lepilne folije), je enostavno odstraniti, medtem ko je saje, ki se oprimejo bombažne tkanine, težko sprati. Na primer, tkanine iz poliestra s kratkimi vlakni so bolj nagnjene k nabiranju oljnih madežev kot tkanine z dolgimi vlakni, oljne madeže na tkaninah s kratkimi vlakni pa je tudi težje odstraniti kot tiste na tkaninah z dolgimi vlakni.
Tesno zasukane preje in tesne tkanine se zaradi majhnih mikro rež med vlakni lahko uprejo vdoru umazanije, hkrati pa preprečijo, da bi čistilna raztopina odstranila notranjo umazanijo. Zato so tesne tkanine na začetku dobro odporne na umazanijo, vendar jih je po kontaminaciji težko očistiti.
⑤ Trdota vode
Koncentracija kovinskih ionov, kot sta Ca2+ in Mg2+, v vodi ima pomemben vpliv na učinek pranja, zlasti kadar anionske površinsko aktivne snovi naletijo na ione Ca2+ in Mg2+ ter tvorijo kalcijeve in magnezijeve soli s slabo topnostjo, kar lahko zmanjša njihovo čistilno sposobnost. Tudi če je koncentracija površinsko aktivnih snovi v trdi vodi visoka, je njihov čistilni učinek še vedno veliko slabši kot pri destilaciji. Da bi dosegli najboljši učinek pranja površinsko aktivnih snovi, je treba koncentracijo ionov Ca2+ v vodi zmanjšati pod 1 × 10-6 mol/L (CaCO3 je treba zmanjšati na 0,1 mg/L). To zahteva dodajanje različnih mehčalcev detergentu.
Čas objave: 16. avg. 2024