1. Paviršiaus įtempimas
Susitraukimo jėga, veikianti skysčio paviršių ilgio vienetui, vadinama paviršiaus įtempimu, matuojama N • m-1.
2. Paviršiaus aktyvumas ir paviršinio aktyvumo medžiagos
Savybė, galinti sumažinti tirpiklių paviršiaus įtempimą, vadinama paviršiaus aktyvumu, o medžiagos, turinčios paviršiaus aktyvumą, vadinamos paviršiaus aktyviosiomis medžiagomis.
Paviršinio aktyvumo medžiagos – tai paviršinio aktyvumo medžiagos, kurios vandeniniuose tirpaluose gali sudaryti miceles ir kitus agregatus, pasižymi dideliu paviršiaus aktyvumu, taip pat atlieka drėkinamąsias, emulsinimo, putojimo, plovimo ir kitas funkcijas.
3. Paviršinio aktyvumo medžiagos molekulinės struktūros charakteristikos
Paviršinio aktyvumo medžiagos yra organiniai junginiai, turintys specialią struktūrą ir savybes, kurios gali reikšmingai pakeisti dviejų fazių paviršiaus įtempimą arba skysčių (dažniausiai vandens) paviršiaus įtempimą, ir pasižymi tokiomis savybėmis kaip drėkinimas, putojimas, emulsinimas ir plovimas.
Struktūriškai kalbant, paviršinio aktyvumo medžiagos turi bendrą savybę – jų molekulėse yra dvi skirtingos funkcinės grupės. Vienas galas yra ilgos grandinės nepolinė grupė, tirpstanti aliejuje, bet netirpstanti vandenyje, vadinama hidrofobine arba hidrofobine grupe. Šios hidrofobinės grupės paprastai yra ilgos grandinės angliavandeniliai, kartais taip pat organiniai fluoro, organinio silicio, organofosforo, organoalavo grandinės ir kt. Kitas galas yra vandenyje tirpi funkcinė grupė, būtent hidrofilinė arba hidrofilinė grupė. Hidrofilinė grupė turi būti pakankamai hidrofiliška, kad būtų užtikrintas visos paviršinio aktyvumo medžiagos tirpumas vandenyje ir reikiamas tirpumas. Dėl paviršinio aktyvumo medžiagose esančių hidrofilinių ir hidrofobinių grupių jos gali ištirpti bent vienoje skystosios fazės fazėje. Paviršinio aktyvumo medžiagų hidrofilinės ir oleofilinės savybės vadinamos amfifiliškumu.
4. Paviršinio aktyvumo medžiagų tipai
Paviršinio aktyvumo medžiagos yra amfifilinės molekulės, turinčios ir hidrofobinių, ir hidrofilinių grupių. Paviršinio aktyvumo medžiagų hidrofobinės grupės paprastai sudarytos iš ilgos grandinės angliavandenilių, tokių kaip tiesiosios grandinės alkilas C8-C20, šakotosios grandinės alkilas C8-C20, alkilfenilas (su 8-16 alkilo anglies atomų) ir kt. Hidrofobinių grupių skirtumas daugiausia slypi anglies-vandenilio grandinių struktūriniuose pokyčiuose, kurių skirtumai yra santykinai nedideli, o hidrofilinių grupių tipų yra daugiau. Todėl paviršinio aktyvumo medžiagų savybės daugiausia susijusios su hidrofilinėmis grupėmis, be hidrofobinių grupių dydžio ir formos. Hidrofilinių grupių struktūriniai pokyčiai yra didesni nei hidrofobinių grupių, todėl paviršinio aktyvumo medžiagų klasifikacija paprastai grindžiama hidrofilinių grupių struktūra. Ši klasifikacija daugiausia grindžiama tuo, ar hidrofilinės grupės yra joninės, jas skirstant į anijonines, katijonines, nejonines, cviterjonines ir kitas specialias paviršinio aktyvumo medžiagų rūšis.
5. Paviršinio aktyvumo medžiagų vandeninio tirpalo charakteristikos
① Paviršinio aktyvumo medžiagų adsorbcija sąsajose
Paviršinio aktyvumo medžiagų molekulės turi lipofilinių ir hidrofilinių grupių, todėl jos yra amfifilinės. Vanduo yra stipriai polinis skystis. Kai paviršinio aktyvumo medžiagos ištirpsta vandenyje, pagal poliškumo panašumo ir poliškumo skirtumo stūmimo principą, jų hidrofilinės grupės yra pritraukiamos prie vandens fazės ir ištirpsta vandenyje, o jų lipofilinės grupės atstumia vandenį ir palieka vandenį. Dėl to paviršinio aktyvumo medžiagų molekulės (arba jonai) adsorbuojasi sąsajoje tarp dviejų fazių, sumažindamos tarpfazinį įtempimą tarp dviejų fazių. Kuo daugiau paviršinio aktyvumo medžiagų molekulių (arba jonų) adsorbuojama sąsajoje, tuo labiau sumažėja tarpfazinis įtempimas.
② Kai kurios adsorbcijos membranos savybės
Adsorbcijos membranos paviršiaus slėgis: Paviršiaus aktyviosios medžiagos adsorbuojasi dujų ir skysčio sąsajoje ir sudaro adsorbcijos membraną. Jei ant sąsajos uždedama trinties neturinti judanti plūduriuojanti plokštė ir ji stumia adsorbcijos membraną išilgai tirpalo paviršiaus, membrana daro slėgį plūduriuojančiai plokštei, kuris vadinamas paviršiaus slėgiu.
Paviršiaus klampumas: kaip ir paviršiaus slėgis, paviršiaus klampumas yra savybė, kurią pasižymi netirpių molekulinių plėvelių. Pakabinkite platinos žiedą plona metaline viela, padėkite jo plokštumą liestis su kriauklės vandens paviršiumi, pasukite platinos žiedą, platinos žiedą stabdo vandens klampumas, ir amplitudė palaipsniui silpnėja, pagal tai galima išmatuoti paviršiaus klampumą. Metodas yra toks: pirmiausia atlikite eksperimentus su grynu vandens paviršiumi, išmatuokite amplitudės silpnėjimą, tada išmatuokite silpnėjimą po paviršiaus veido kaukės susidarymo ir apskaičiuokite paviršiaus veido kaukės klampumą pagal skirtumą tarp dviejų verčių.
Paviršiaus klampumas yra glaudžiai susijęs su veido kaukės paviršiaus tvirtumu. Kadangi adsorbcijos plėvelė turi paviršiaus slėgį ir klampumą, ji turi būti elastinga. Kuo didesnis adsorbcijos membranos paviršiaus slėgis ir klampumas, tuo didesnis jos elastingumo modulis. Paviršiaus adsorbcijos plėvelės elastingumo modulis yra labai svarbus putų stabilizavimo procese.
③ Micelių susidarymas
Praskiestas paviršinio aktyvumo medžiagų tirpalas atitinka idealiųjų tirpalų dėsnius. Paviršinio aktyvumo medžiagų adsorbcijos kiekis tirpalo paviršiuje didėja didėjant tirpalo koncentracijai. Kai koncentracija pasiekia arba viršija tam tikrą vertę, adsorbcijos kiekis nustoja didėti. Šios paviršinio aktyvumo medžiagų molekulių perteklius tirpale yra netvarkingas arba egzistuoja taisyklinga tvarka. Tiek praktika, tiek teorija parodė, kad tirpale jos sudaro agregatus, kurie vadinami micelėmis.
Kritinė micelių koncentracija: Minimali koncentracija, kuriai esant paviršinio aktyvumo medžiagos tirpale sudaro miceles, vadinama kritine micelių koncentracija.
4. Įprastos paviršinio aktyvumo medžiagos CMC vertė.
6. Hidrofilinės ir oleofilinės pusiausvyros vertė
HLB reiškia hidrofilinę lipofilinę pusiausvyrą, kuri atspindi paviršinio aktyvumo medžiagos hidrofilinių ir lipofilinių grupių hidrofilinės ir lipofilinės pusiausvyros vertes, t. y. paviršinio aktyvumo medžiagos HLB vertę. Didelė HLB vertė rodo stiprų molekulės hidrofiliškumą ir silpną lipofiliškumą; priešingai, ji pasižymi stipriu lipofiliškumu ir silpnu hidrofiliškumu.
① HLB vertės reglamentai
HLB vertė yra santykinė vertė, todėl formuluojant HLB vertę, kaip standartas, parafino be hidrofilinių savybių HLB vertė nustatoma 0, o natrio dodecilsulfato, pasižyminčio stipriu tirpumu vandenyje, HLB vertė nustatoma 40. Todėl paviršinio aktyvumo medžiagų HLB vertė paprastai yra 1–40 intervale. Paprastai emulsikliai, kurių HLB vertės yra mažesnės nei 10, yra lipofiliniai, o emulsikliai, kurių HLB vertės yra didesnės nei 10, yra hidrofiliniai. Todėl lūžio taškas nuo lipofilumo iki hidrofiliškumo yra maždaug 10.
7. Emulsinimo ir tirpinimo efektai
Du nesimaišantys skysčiai, vienas susidaro disperguojant daleles (lašelius arba skystuosius kristalus) kitame, vadinami emulsijomis. Formuojantis emulsijai, padidėja paviršiaus plotas tarp dviejų skysčių, todėl sistema tampa termodinamiškai nestabili. Norint stabilizuoti emulsiją, reikia pridėti trečiąjį komponentą – emulsiklių – kad sumažėtų sistemos paviršiaus energija. Emulsikliai priklauso paviršinio aktyvumo medžiagoms, o jų pagrindinė funkcija yra veikti kaip emulsikliai. Fazė, kurioje emulsijoje yra lašeliai, vadinama dispersine faze (arba vidine faze, netolydžiąja faze), o kita sujungta fazė vadinama dispersine terpe (arba išorine faze, tolydžiąja faze).
① Emulsikliai ir emulsijos
Įprastas emulsijas sudaro viena vandens arba vandeninio tirpalo fazė, o kita – su vandeniu netirpūs organiniai junginiai, pavyzdžiui, aliejai, vaškai ir kt. Vandens ir aliejaus sudarytas emulsijas galima suskirstyti į dvi rūšis pagal jų dispersiją: vandenyje disperguotas aliejus sudaro vandens aliejuje emulsiją, kurią žymi O/W (aliejus/vanduo); aliejuje disperguotas vanduo sudaro vandens aliejuje emulsiją, kurią žymi W/O (vanduo/aliejus). Be to, gali susidaryti ir kompleksinės vandens aliejuje vandenyje V/O/V ir aliejaus vandenyje aliejuje O/V/O emulsijos.
Emulsiklis stabilizuoja emulsiją, sumažindamas tarpfazinę įtampą ir sudarydamas vieno sluoksnio veido kaukę.
Reikalavimai emulsikliams emulsikliuose: a: emulsikliai turi gebėti adsorbuotis arba praturtėti ties dviejų fazių sąsaja, sumažindami tarpfazinę įtampą; b: Emulsikliai turi suteikti dalelėms elektrinį krūvį, sukeldami elektrostatinę stūmą tarp dalelių arba sudarydami stabilią, labai klampią apsauginę plėvelę aplink daleles. Taigi, medžiagos, naudojamos kaip emulsikliai, turi turėti amfifilines grupes, kad turėtų emulsinį poveikį, o paviršinio aktyvumo medžiagos gali atitikti šį reikalavimą.
② Emulsijų paruošimo metodai ir veiksniai, darantys įtaką emulsijos stabilumui
Yra du emulsijų paruošimo būdai: vienas – mechaniniais metodais skystis disperguojamas į mažas daleles kitame skystyje, kuris dažniausiai naudojamas pramonėje emulsijoms paruošti; kitas metodas – ištirpinti skystį molekulinėje būsenoje kitame skystyje ir leisti jam tinkamai agreguotis, kad susidarytų emulsija.
Emulsijų stabilumas reiškia jų gebėjimą atsispirti dalelių agregacijai ir sukelti fazių atsiskyrimą. Emulsijos yra termodinamiškai nestabilios sistemos, turinčios didelę laisvąją energiją. Todėl emulsijos stabilumas iš tikrųjų reiškia laiką, reikalingą sistemai pasiekti pusiausvyrą, t. y. laiką, reikalingą skysčiui sistemoje atsiskirti.
Kai veido kaukėje yra polinių organinių molekulių, tokių kaip riebalų alkoholis, riebalų rūgštis ir riebalų aminas, membranos stiprumas žymiai padidėja. Taip yra todėl, kad emulsiklio molekulės sąsajos adsorbcijos sluoksnyje sąveikauja su polinėmis molekulėmis, tokiomis kaip alkoholis, rūgštis ir aminas, ir sudaro „kompleksą“, kuris padidina sąsajos veido kaukės stiprumą.
Emulsikliai, sudaryti iš dviejų ar daugiau paviršinio aktyvumo medžiagų, vadinami mišriais emulsikliais. Mišrūs emulsikliai adsorbuojasi vandens ir aliejaus sąsajoje, o tarpmolekulinės sąveikos metu gali sudaryti kompleksus. Dėl stiprios tarpmolekulinės sąveikos žymiai sumažėja sąsajos įtampa, žymiai padidėja sąsajoje adsorbuoto emulsiklio kiekis, padidėja susidariusios tarpfazinės veido kaukės tankis ir stiprumas.
Lašelių krūvis daro didelę įtaką emulsijų stabilumui. Stabilios emulsijos paprastai turi lašelių su elektriniais krūviais. Naudojant joninius emulsiklius, ant sąsajos adsorbuoti emulsiklių jonai įterpia savo lipofilines grupes į aliejinę fazę, o hidrofilinės grupės yra vandens fazėje, todėl lašeliai įkraunami. Kadangi emulsijos lašeliai turi tą patį krūvį, jie stumia vienas kitą ir nėra lengvai aglomeruojami, todėl padidėja stabilumas. Galima pastebėti, kad kuo daugiau emulsiklių jonų adsorbuota ant lašelių, tuo didesnis jų krūvis ir tuo didesnis jų gebėjimas užkirsti kelią lašelių koalescencijai, todėl emulsijos sistema tampa stabilesnė.
Emulsijos dispersinės terpės klampumas turi tam tikrą įtaką emulsijos stabilumui. Paprastai kuo didesnis dispersinės terpės klampumas, tuo didesnis emulsijos stabilumas. Taip yra todėl, kad didelė dispersinės terpės klampa stipriai stabdo skysčio lašelių Brauno judėjimą, sulėtina lašelių susidūrimą ir palaiko sistemos stabilumą. Polimerinės medžiagos, kurios paprastai tirpsta emulsijose, gali padidinti sistemos klampumą ir pagerinti emulsijos stabilumą. Be to, polimeras taip pat gali sudaryti kietą veido kaukę, todėl emulsijos sistema tampa stabilesnė.
Kai kuriais atvejais kietųjų miltelių įdėjimas taip pat gali stabilizuoti emulsiją. Kietieji milteliai nėra vandenyje, aliejuje ar sąlyčio zonoje, priklausomai nuo aliejaus ir vandens drėkinimo gebėjimo kietuosiuose milteliuose. Jei kietieji milteliai nėra visiškai sudrėkinti vandeniu ir gali būti sudrėkinti aliejumi, jie liks vandens ir aliejaus sąlyčio zonoje.
Kieti milteliai nestabilizuoja emulsijos todėl, kad sąsajoje susikaupę milteliai nesustiprina sąsajos veido kaukės, kuri yra panaši į sąsajos adsorbcijos emulsiklio molekules. Todėl kuo arčiau sąsajos išsidėsčiusios kietos miltelių dalelės, tuo stabilesnė bus emulsija.
Paviršinio aktyvumo medžiagos, susidariusios vandeniniame tirpale sudariusios miceles, gali žymiai padidinti vandenyje netirpių arba mažai tirpių organinių junginių tirpumą, o tirpalas tuo metu tampa skaidrus. Šis micelių poveikis vadinamas tirpinimu. Paviršinio aktyvumo medžiagos, galinčios sukelti tirpinimo efektą, vadinamos tirpikliais, o tirpinami organiniai junginiai – tirpinamais junginiais.
8. Putplastis
Putos atlieka svarbų vaidmenį skalbimo procese. Putos reiškia dispersinę sistemą, kurioje dujos yra disperguojamos skystoje arba kietoje medžiagoje. Dujos yra dispersijos fazė, o skysta arba kieta medžiaga yra dispersijos terpė. Pirmosios vadinamos skystomis putomis, o antrosios – kietomis putomis, tokiomis kaip putplastis, putų stiklas, putų cementas ir kt.
(1) Putų susidarymas
Putos čia reiškia burbuliukų sankaupą, atskirtą skysčio plėvele. Dėl didelio dispersinės fazės (dujų) ir dispersinės terpės (skysčio) tankio skirtumo ir mažo skysčio klampumo putos visada gali greitai pakilti iki skysčio lygio.
Putų susidarymo procesas yra toks, kad į skystį įleidžiamas didelis kiekis dujų, o skysčio burbuliukai greitai grįžta į skysčio paviršių, sudarydami burbuliukų agregatą, atskirtą nedideliu kiekiu skysčio ir dujų.
Putų morfologijoje yra dvi išskirtinės savybės: viena – dispersinės fazės burbuliukai dažnai yra daugiakampiai, nes burbuliukų sankirtoje skysčio plėvelė linkusi plonėti, todėl burbuliukai tampa daugiakampiai. Kai skysčio plėvelė tam tikru mastu suplonėja, burbuliukai plyšta; antra, grynas skystis negali sudaryti stabilių putų, tačiau skystis, kuris gali sudaryti putas, yra sudarytas iš bent dviejų ar daugiau komponentų. Vandeninis paviršinio aktyvumo medžiagų tirpalas yra tipiška sistema, lengvai generuojanti putas, o jos gebėjimas generuoti putas taip pat susijęs su kitomis savybėmis.
Paviršinio aktyvumo medžiagos, pasižyminčios geru putojimo gebėjimu, vadinamos putojimo agentais. Nors putojimo agentas pasižymi geru putojimo gebėjimu, susidariusios putos gali ilgai neišlikti, t. y. jų stabilumas gali būti nepalankus. Siekiant išlaikyti putų stabilumą, į putojimo agentą dažnai pridedama medžiaga, galinti padidinti putų stabilumą, vadinama putų stabilizatoriumi. Dažniausiai naudojami putų stabilizatoriai yra lauroildietanolaminas ir dodecildimetilamino oksidas.
(2) Putų stabilumas
Putos yra termodinamiškai nestabili sistema, ir galiausiai, sprogus burbului, bendras skysčio paviršiaus plotas sistemoje mažėja, o laisvoji energija mažėja. Putų šalinimo procesas – tai procesas, kurio metu dujas skirianti skysčio plėvelė keičia storį, kol ji plyšta. Todėl putų stabilumą daugiausia lemia skysčio ištekėjimo greitis ir skysčio plėvelės stiprumas. Yra ir keletas kitų įtakos veiksnių.
① Paviršiaus įtempimas
Energetiniu požiūriu, mažas paviršiaus įtempimas yra palankesnis putų susidarymui, tačiau jis negali garantuoti putų stabilumo. Mažas paviršiaus įtempimas, mažas slėgio skirtumas, lėtas skysčio ištekėjimo greitis ir lėtas skysčio plėvelės plonėjimas yra palankūs putų stabilumui.
② Paviršiaus klampumas
Pagrindinis veiksnys, lemiantis putų stabilumą, yra skystos plėvelės stiprumas, kurį daugiausia lemia paviršiaus adsorbcijos plėvelės tvirtumas, matuojamas paviršiaus klampumu. Eksperimentai rodo, kad didesnio paviršiaus klampumo tirpalo pagamintos putos yra ilgesnės. Taip yra todėl, kad adsorbuotų molekulių sąveika ant paviršiaus padidina membranos stiprumą, taip pagerindama putų tarnavimo laiką.
③ Tirpalo klampumas
Kai paties skysčio klampumas padidėja, skystis skystoje plėvelėje nėra lengvai išleidžiamas, o skystos plėvelės storio retėjimo greitis yra lėtas, o tai sulėtina skystos plėvelės plyšimo laiką ir padidina putų stabilumą.
④ Paviršiaus įtempimo „atstatomasis“ poveikis
Ant skystos plėvelės paviršiaus adsorbuotos paviršinio aktyvumo medžiagos turi savybę atsispirti skystos plėvelės paviršiaus plėtimuisi arba susitraukimui, ką vadiname remonto efektu. Taip yra todėl, kad ant paviršiaus yra adsorbuotų paviršinio aktyvumo medžiagų skysta plėvelė, kurios paviršiaus ploto išplėtimas sumažins paviršiuje adsorbuotų molekulių koncentraciją ir padidins paviršiaus įtempimą. Tolesnis paviršiaus išplėtimas pareikalaus daugiau pastangų. Ir atvirkščiai, paviršiaus ploto susitraukimas padidins adsorbuotų molekulių koncentraciją paviršiuje, sumažindamas paviršiaus įtempimą ir trukdydamas tolesniam susitraukimui.
5. Dujų difuzija per skystą plėvelę
Dėl kapiliarinio slėgio mažų putplasčio burbuliukų slėgis yra didesnis nei didelių, todėl mažuose burbuliukuose esančios dujos per skysčio plėvelę difunduoja į žemo slėgio didelius burbuliukus, todėl maži burbuliukai tampa mažesni, dideli burbuliukai – didesni ir galiausiai putos suskyla. Pridėjus paviršinio aktyvumo medžiagos, putos bus vienodos ir tankios, jas bus sunkiau pašalinti. Kadangi paviršinio aktyvumo medžiaga yra glaudžiai išsidėsčiusi ant skysčio plėvelės, sunku ją vėdinti, todėl putos tampa stabilesnės.
⑥ Paviršiaus krūvio įtaka
Jei putų skysčio plėvelė yra įkrauta tuo pačiu simboliu, abu skysčio plėvelės paviršiai atstumia vienas kitą, neleisdami skysčio plėvelei suplonėti ar net suirti. Joninės paviršinio aktyvumo medžiagos gali suteikti šį stabilizuojantį poveikį.
Apibendrinant galima teigti, kad skystos plėvelės stiprumas yra pagrindinis veiksnys, lemiantis putų stabilumą. Kaip paviršinio aktyvumo medžiaga putojantiems agentams ir putų stabilizatoriams, svarbiausi veiksniai yra paviršiuje adsorbuotų molekulių sandarumas ir tvirtumas. Kai paviršiuje adsorbuotų molekulių sąveika yra stipri, adsorbuotos molekulės yra glaudžiai išsidėsčiusios, todėl ne tik pati veido kaukė yra labai stipri, bet ir dėl didelio paviršiaus klampumo sunku tekėti šalia veido kaukės esančiam tirpalui, todėl skystai plėvelei gana sunku nutekėti, o skystos plėvelės storį lengva išlaikyti. Be to, glaudžiai išsidėsčiusios paviršiaus molekulės taip pat gali sumažinti dujų molekulių pralaidumą ir taip padidinti putų stabilumą.
(3) Putų sunaikinimas
Pagrindinis putų naikinimo principas yra pakeisti putų susidarymo sąlygas arba pašalinti putų stabilumo veiksnius, todėl yra du putų šalinimo būdai: fizikinis ir cheminis.
Fizinis putų šalinimas – tai putų susidarymo sąlygų pakeitimas, išlaikant nepakitusią putų tirpalo cheminę sudėtį. Pavyzdžiui, išorinės jėgos poveikis, temperatūros ar slėgio pokytis ir ultragarsinis apdorojimas yra veiksmingi fizikiniai putų šalinimo metodai.
Cheminio putojimo šalinimo metodas yra toks, kai į putojimo agentą įdedama tam tikrų medžiagų, kurios sąveikauja su putojimo agentu, sumažina putų skystos plėvelės stiprumą ir galiausiai sumažina putų stabilumą, kad būtų pasiektas putojimo šalinimo tikslas. Tokios medžiagos vadinamos putojimo šalinimo priemonėmis. Dauguma putojimo šalinimo priemonių yra paviršinio aktyvumo medžiagos. Todėl, atsižvelgiant į putojimo šalinimo mechanizmą, putojimo šalinimo priemonės turėtų turėti stiprų gebėjimą sumažinti paviršiaus įtempimą, lengvai adsorbuotis paviršiuje ir silpnai sąveikauti tarp paviršiuje adsorbuotų molekulių, todėl adsorbuotų molekulių struktūra yra gana laisva.
Yra įvairių tipų putojimo slopintuvų, tačiau dažniausiai tai yra nejoninės paviršinio aktyvumo medžiagos. Nejoninės paviršinio aktyvumo medžiagos pasižymi putojimo slopinimo savybėmis, artimomis drumstėjimo temperatūrai arba virš jos, ir dažniausiai naudojamos kaip putojimo slopintuvai. Alkoholiai, ypač turintys šakotas struktūras, riebalų rūgštys ir esteriai, poliamidai, fosfatai, silikoninės alyvos ir kt., taip pat dažnai naudojami kaip puikūs putojimo slopintuvai.
(4) Putos ir plovimas
Nėra tiesioginio ryšio tarp putų ir plovimo efekto, o putų kiekis nereiškia, kad plovimo efektas yra geras ar blogas. Pavyzdžiui, nejoninių paviršinio aktyvumo medžiagų putojimo savybės yra daug prastesnės nei muilo, tačiau jų valymo galia yra daug geresnė.
Kai kuriais atvejais putos padeda pašalinti nešvarumus. Pavyzdžiui, plaunant stalo įrankius namuose, ploviklio putos gali pašalinti nuplautus aliejaus lašus; šveičiant kilimą, putos padeda pašalinti kietus nešvarumus, tokius kaip dulkės ir milteliai. Be to, putos kartais gali būti naudojamos kaip ploviklio veiksmingumo rodiklis, nes riebalinės aliejaus dėmės gali slopinti ploviklio putojimą. Kai aliejaus dėmių yra per daug, o ploviklio – per mažai, putų nebus arba pradinės putos išnyks. Kartais putos taip pat gali būti naudojamos kaip rodiklis, ar skalavimas švarus. Kadangi putų kiekis skalavimo tirpale linkęs mažėti mažėjant ploviklio kiekiui, skalavimo laipsnį galima įvertinti pagal putų kiekį.
9. Skalbimo procesas
Plačiąja prasme plovimas yra nepageidaujamų komponentų pašalinimo iš plaunamo objekto procesas, kuriuo pasiekiamas tam tikras tikslas. Įprasta plovimo prasme tai yra nešvarumų pašalinimo nuo nešiklio paviršiaus procesas. Plovimo metu nešvarumų ir nešiklio sąveika susilpnėja arba panaikinama veikiant kai kurioms cheminėms medžiagoms (pvz., plovikliams), nešvarumų ir nešiklio derinys virsta nešvarumų ir ploviklio deriniu, galiausiai sukeldamas nešvarumų ir nešiklio atsiskyrimą. Kadangi plaunami objektai ir šalinami nešvarumai yra įvairūs, plovimas yra labai sudėtingas procesas, o pagrindinį skalbimo procesą galima pavaizduoti tokiu paprastu ryšiu
Nešiklis • Nešvarumai + Ploviklis = Nešiklis + Nešvarumai • Ploviklis
Skalbimo procesą paprastai galima suskirstyti į du etapus: pirmasis – nešvarumų ir jų nešiklio atskyrimas veikiant skalbikliui; antrasis – atsiskyrę nešvarumai išsklaidomi ir suspenduojami terpėje. Skalbimo procesas yra grįžtamasis, ir terpėje išsklaidyti arba suspenduoti nešvarumai taip pat gali vėl nusėsti iš terpės ant skalbinių. Todėl puikus skalbiklis turėtų ne tik gebėti atskirti nešvarumus nuo nešiklio, bet ir gerai juos išsklaidyti bei suspenduoti ir neleisti jiems vėl nusėsti.
(1) Nešvarumų rūšys
Net ir to paties daikto nešvarumų tipas, sudėtis ir kiekis skirsis priklausomai nuo naudojimo aplinkos. Riebalų turinčius kūno nešvarumus daugiausia sudaro gyvūniniai ir augaliniai aliejai, taip pat mineralinės alyvos (pvz., žalia nafta, mazutas, akmens anglių degutas ir kt.), o kietus nešvarumus daugiausia sudaro dūmai, dulkės, rūdys, suodžiai ir kt. Kalbant apie drabužių nešvarumus, tai yra žmogaus kūno nešvarumai, pvz., prakaitas, riebalai, kraujas ir kt.; maisto nešvarumai, pvz., vaisių dėmės, valgomojo aliejaus dėmės, prieskonių dėmės, krakmolas ir kt.; kosmetikos atnešti nešvarumai, pvz., lūpų dažai ir nagų lakas; atmosferos nešvarumai, pvz., dūmai, dulkės, dirvožemis ir kt.; kitos medžiagos, pvz., rašalas, arbata, dažai ir kt. Galima sakyti, kad jų yra įvairių ir skirtingų rūšių.
Įvairius nešvarumų tipus paprastai galima suskirstyti į tris kategorijas: kietus nešvarumus, skystus nešvarumus ir specialius nešvarumus.
① Įprasti kieti nešvarumai apima tokias daleles kaip pelenai, purvas, dirvožemis, rūdys ir suodžiai. Dauguma šių dalelių turi paviršiaus krūvį, dažniausiai neigiamą, ir lengvai adsorbuojasi ant pluoštinių objektų. Paprastai kietus nešvarumus sunku ištirpinti vandenyje, bet juos galima išsklaidyti ir suspenduoti ploviklių tirpalais. Kietus nešvarumus su mažomis dalelėmis sunku pašalinti.
② Skystos priemaišos daugiausia tirpsta aliejuje, įskaitant gyvūninius ir augalinius aliejus, riebalų rūgštis, riebalų alkoholius, mineralines alyvas ir jų oksidus. Gyvūniniai ir augaliniai aliejai bei riebalų rūgštys gali būti muilinami šarmu, o riebalų alkoholiai ir mineralinės alyvos nėra muilinamos šarmu, bet gali ištirpti alkoholiuose, eteriuose ir angliavandenilių organiniuose tirpikliuose, būti emulsuojami ir disperguojami ploviklių vandeniniuose tirpaluose. Aliejuje tirpios skystos priemaišos paprastai stipriai sąveikauja su pluoštiniais objektais ir tvirtai adsorbuojasi ant pluoštų.
③ Ypatingiems nešvarumams priskiriami baltymai, krakmolas, kraujas, žmogaus išskyros, tokios kaip prakaitas, sebumas, šlapimas, taip pat vaisių sultys, arbatos sultys ir kt. Dauguma šių nešvarumų cheminių reakcijų būdu gali stipriai įsigerti į pluoštinius objektus. Todėl juos nuplauti gana sunku.
Įvairių rūšių nešvarumai retai egzistuoja pavieniui, dažnai sumaišyti ir kartu adsorbuojami ant daiktų. Kartais nešvarumai gali oksiduotis, skilti arba irti veikiami išorės, todėl susidaro nauji nešvarumai.
(2) Nešvarumų sukibimo efektas
Drabužiai, rankos ir kt. gali išsitepti dėl tam tikros sąveikos tarp daiktų ir purvo. Purvas su daiktais sukibdamas sukelia įvairius efektus, tačiau daugiausia tai yra fizinis ir cheminis sukibimas.
1. Cigarečių pelenų, dulkių, nuosėdų, juodosios anglies ir kitų medžiagų fizinis sukibimas su drabužiais. Apskritai prilipusių nešvarumų ir užteršto objekto sąveika yra gana silpna, o nešvarumus pašalinti taip pat gana lengva. Pagal skirtingas jėgas fizinį nešvarumų sukibimą galima suskirstyti į mechaninį ir elektrostatinį.
A: Mechaninis sukibimas daugiausia reiškia kietų nešvarumų, tokių kaip dulkės ir nuosėdos, sukibimą. Mechaninis sukibimas yra silpnas sukibimo būdas nešvarumams, kuriuos beveik galima pašalinti paprastais mechaniniais metodais. Tačiau kai nešvarumų dalelių dydis yra mažas (<0,1 μm), juos pašalinti sunkiau.
B: Elektrostatinė sukibtis daugiausia pasireiškia įkrautų purvo dalelių poveikiu objektams, turintiems priešingą krūvį. Dauguma pluoštinių objektų vandenyje turi neigiamą krūvį ir prie jų lengvai prilimpa teigiamai įkrauti nešvarumai, pavyzdžiui, kalkės. Kai kurie nešvarumai, nors ir neigiamai įkrauti, pavyzdžiui, juodosios anglies dalelės vandeniniuose tirpaluose, gali prilipti prie pluoštų per jonų tiltelius, kuriuos vandenyje sudaro teigiami jonai (pvz., Ca2+, Mg2+ ir kt.) (jonai veikia kartu tarp daugybės priešingų krūvių, veikdami kaip tilteliai).
Statinė elektra yra stipresnė nei paprastas mechaninis veiksmas, todėl nešvarumus pašalinti gana sunku.
③ Ypatingų nešvarumų pašalinimas
Baltymus, krakmolą, žmogaus išskyras, vaisių sultis, arbatos sultis ir kitokius nešvarumus sunku pašalinti įprastomis paviršinio aktyvumo medžiagomis, todėl jiems reikalingi specialūs apdorojimo metodai.
Baltymų dėmės, tokios kaip grietinėlė, kiaušiniai, kraujas, pienas ir odos išskyros, yra linkusios krešėti ir denatūruotis prie pluoštų, todėl tvirčiau prilimpa. Baltymų užterštumui pašalinti gali būti naudojama proteazė. Proteazė gali suskaidyti nešvarumuose esančius baltymus į vandenyje tirpias aminorūgštis arba oligopeptidus.
Krakmolo dėmės daugiausia atsiranda nuo maisto, o kitos, pavyzdžiui, mėsos sultys, pasta ir kt. Krakmolo fermentai kataliziškai veikia krakmolo dėmių hidrolizę, skaidydami krakmolą į cukrų.
Lipazė gali katalizuoti kai kurių trigliceridų, kuriuos sunku pašalinti įprastais metodais, pavyzdžiui, žmogaus organizmo išskiriamo riebalų, valgomųjų aliejų ir kt., skaidymą, kad trigliceridai suskaidyti į tirpų glicerolį ir riebalų rūgštis.
Kai kurias spalvotas dėmes nuo vaisių sulčių, arbatos sulčių, rašalo, lūpų dažų ir kt. dažnai sunku kruopščiai išvalyti net ir po pakartotinio plovimo. Šio tipo dėmes galima pašalinti oksidacijos-redukcijos reakcijomis, naudojant oksidatorius arba redukuojančias medžiagas, tokias kaip baliklis, kurios suskaido chromoforo ar chromoforo grupių struktūrą ir suskaido jas į mažesnius vandenyje tirpius komponentus.
Kalbant apie cheminį valymą, yra maždaug trijų rūšių nešvarumai.
① Aliejuje tirpūs nešvarumai apima įvairius aliejus ir riebalus, kurie yra skysti arba riebaluoti ir tirpsta sauso valymo tirpikliuose.
② Vandenyje tirpūs nešvarumai tirpsta vandeniniame tirpale, bet netirpsta sauso valymo priemonėse. Jie adsorbuojasi ant drabužių vandeninio tirpalo pavidalu, o vandeniui išgaravus, nusėda granuliuotos kietos medžiagos, tokios kaip neorganinės druskos, krakmolas, baltymai ir kt.
③ Vandenyje netirpūs nešvarumai netirpsta nei vandenyje, nei sauso valymo tirpikliuose, tokiuose kaip suodžiai, įvairūs metalų silikatai ir oksidai.
Dėl skirtingų įvairių tipų nešvarumų savybių, sauso valymo metu nešvarumus galima pašalinti įvairiais būdais. Aliejuje tirpūs nešvarumai, tokie kaip gyvūniniai ir augaliniai aliejai, mineraliniai aliejai ir riebalai, lengvai tirpsta organiniuose tirpikliuose ir gali būti lengvai pašalinami sauso valymo metu. Puikus sauso valymo tirpiklių tirpumas aliejui ir riebalams iš esmės priklauso nuo van der Valso jėgų tarp molekulių.
Norint pašalinti vandenyje tirpius nešvarumus, tokius kaip neorganinės druskos, cukrus, baltymai, prakaitas ir kt., į sauso valymo priemonę taip pat būtina įpilti atitinkamą kiekį vandens, kitaip vandenyje tirpius nešvarumus sunku pašalinti iš drabužių. Tačiau sauso valymo priemonėse vanduo sunkiai tirpsta, todėl norint padidinti vandens kiekį, reikia įpilti paviršinio aktyvumo medžiagų. Sauso valymo priemonėse esantis vanduo gali drėkinti nešvarumus ir drabužių paviršių, todėl jam lengva sąveikauti su polinėmis paviršinio aktyvumo medžiagų grupėmis, o tai yra naudinga paviršinio aktyvumo medžiagų adsorbcijai paviršiuje. Be to, paviršinio aktyvumo medžiagoms sudarant miceles, vandenyje tirpūs nešvarumai ir vanduo gali būti ištirpinti micelėse. Paviršinio aktyvumo medžiagos gali ne tik padidinti vandens kiekį sauso valymo tirpikliuose, bet ir užkirsti kelią pakartotiniam nešvarumų nusėdimui, taip sustiprindamos valymo efektą.
Vandenyje tirpiems nešvarumams pašalinti būtinas nedidelis vandens kiekis, tačiau per didelis vandens kiekis gali deformuotis, susiraukšlėti ir pan., todėl sausų skalbinių vandens kiekis turi būti vidutinis.
Kietosios dalelės, tokios kaip pelenai, purvas, dirvožemis ir suodžiai, kurios netirpsta nei vandenyje, nei aliejuje, paprastai prilimpa prie drabužių elektrostatinės adsorbcijos būdu arba susijungdamos su aliejinėmis dėmėmis. Sauso valymo metu tirpiklių tekėjimas ir poveikis gali nulemti elektrostatinių jėgų adsorbuotų purvo atlipimą, o sauso valymo priemonės gali ištirpinti aliejines dėmes, todėl kietosios dalelės, kurios susijungia su aliejinėmis dėmėmis ir prilimpa prie drabužių, nukrenta nuo sauso valymo priemonės. Nedidelis vandens ir paviršinio aktyvumo medžiagų kiekis sauso valymo priemonėje gali stabiliai suspenduoti ir išsklaidyti nukritusias kietas purvo daleles, neleisdamas joms vėl nusėsti ant drabužių.
(5) Plovimo efektą įtakojantys veiksniai
Paviršinio aktyvumo medžiagų kryptinga adsorbcija sąsajoje ir paviršiaus (tarpfazinio) įtempimo sumažinimas yra pagrindiniai veiksniai, lemiantys skystų ar kietų nešvarumų pašalinimą. Tačiau skalbimo procesas yra gana sudėtingas, ir net to paties tipo ploviklio skalbimo efektui įtakos turi daugelis kitų veiksnių. Šie veiksniai apima ploviklio koncentraciją, temperatūrą, nešvarumų pobūdį, pluošto tipą ir audinio struktūrą.
① Paviršinio aktyvumo medžiagų koncentracija
Tirpale esančios paviršinio aktyvumo medžiagų micelės atlieka svarbų vaidmenį skalbimo procese. Kai koncentracija pasiekia kritinę micelių koncentraciją (cmc), skalbimo efektas smarkiai padidėja. Todėl, norint pasiekti gerą skalbimo efektą, ploviklio koncentracija tirpiklyje turėtų būti didesnė už CMC vertę. Tačiau, kai paviršinio aktyvumo medžiagų koncentracija viršija CMC vertę, didėjantis skalbimo efektas tampa mažiau reikšmingas ir per didelis paviršinio aktyvumo medžiagų koncentracijos didinimas yra nereikalingas.
Naudojant tirpinimo metodą aliejaus dėmėms šalinti, net jei koncentracija viršija CMC vertę, tirpinimo efektas vis tiek didėja didėjant paviršinio aktyvumo medžiagų koncentracijai. Šiuo atveju patartina skalbiklį naudoti lokaliai, pavyzdžiui, drabužių rankogaliams ir apykaklėms, kur yra daug nešvarumų. Skalbiant pirmiausia galima užtepti skalbiklio sluoksnį, kad pagerėtų paviršinio aktyvumo medžiagų tirpinimo poveikis aliejaus dėmėms.
② Temperatūra daro didelę įtaką valymo efektyvumui. Apskritai temperatūros padidinimas yra naudingas šalinant nešvarumus, tačiau kartais per didelė temperatūra gali sukelti ir neigiamų veiksnių.
Temperatūros padidėjimas yra naudingas nešvarumų difuzijai. Kietos aliejaus dėmės lengvai emulsuojamos, kai temperatūra viršija jų lydymosi temperatūrą, o pluoštai taip pat padidina savo išsiplėtimo laipsnį dėl temperatūros padidėjimo. Visi šie veiksniai yra naudingi nešvarumų šalinimui. Tačiau tankiuose audiniuose po pluošto išsiplėtimo sumažėja mikrotarpai tarp pluoštų, o tai nepadeda pašalinti nešvarumų.
Temperatūros pokyčiai taip pat turi įtakos paviršinio aktyvumo medžiagų tirpumui, CMC vertei ir micelių dydžiui, o tai turi įtakos skalbimo efektui. Ilgos anglies grandinės paviršinio aktyvumo medžiagos žemoje temperatūroje pasižymi mažesniu tirpumu, o kartais net mažesniu nei CMC vertė. Tokiu atveju skalbimo temperatūrą reikia atitinkamai padidinti. Temperatūros poveikis CMC vertei ir micelių dydžiui joninėms ir nejoninėms paviršinio aktyvumo medžiagoms skiriasi. Joninių paviršinio aktyvumo medžiagų atveju temperatūros padidėjimas paprastai padidina CMC vertę ir sumažina micelių dydį. Tai reiškia, kad paviršinio aktyvumo medžiagų koncentracija skalbimo tirpale turėtų būti padidinta. Nejoninių paviršinio aktyvumo medžiagų atveju temperatūros didinimas sumažina jų CMC vertę ir žymiai padidina micelių dydį. Galima pastebėti, kad tinkamai padidinus temperatūrą, nejoninės paviršinio aktyvumo medžiagos gali sustiprinti savo paviršiaus aktyvumą. Tačiau temperatūra neturėtų viršyti drumstėjimo taško.
Trumpai tariant, tinkamiausia skalbimo temperatūra priklauso nuo ploviklio formulės ir plaunamo objekto. Kai kurie plovikliai gerai valo kambario temperatūroje, o kai kurie – skalbiant šaltame ir karštame vandenyje – labai skirtingai.
③ Putplastis
Žmonės dažnai painioja putojimo gebėjimą su skalbimo efektu, manydami, kad plovikliai, pasižymintys stipriu putojimo gebėjimu, turi geresnį skalbimo efektą. Rezultatai rodo, kad skalbimo efektas nėra tiesiogiai susijęs su putų kiekiu. Pavyzdžiui, naudojant mažai putojantį ploviklį skalbimui, skalbimo efektas nėra blogesnis nei stipriai putojantis ploviklis.
Nors putos nėra tiesiogiai susijusios su plovimu, kai kuriais atvejais jos vis tiek padeda pašalinti nešvarumus. Pavyzdžiui, skalbimo skysčio putos gali pašalinti aliejaus lašus plaunant indus rankomis. Šveičiant kilimą, putos taip pat gali pašalinti kietas nešvarumų daleles, tokias kaip dulkės. Dulkės sudaro didelę kilimų nešvarumų dalį, todėl kilimų valiklis turėtų turėti tam tikrą putojimo gebą.
Šampūnui taip pat svarbi putojimo galia. Plonios putos, susidarančios plaunant plaukus ar maudantis, suteikia žmonėms komforto jausmą.
4. Pluoštų rūšys ir tekstilės fizinės savybės
Be pluoštų cheminės struktūros, turinčios įtakos nešvarumų sukibimui ir pašalinimui, pluoštų išvaizda ir siūlų bei audinių organizacinė struktūra taip pat turi įtakos nešvarumų pašalinimo sunkumui.
Vilnos pluošto žvyneliai ir plokščia juostele primenanti medvilnės pluošto struktūra yra labiau linkusios kaupti nešvarumus nei lygūs pluoštai. Pavyzdžiui, prie celiuliozės plėvelės (lipnios plėvelės) prilipusią juodąją anglį lengva pašalinti, o prie medvilninio audinio prilipusią juodąją anglį sunku nuplauti. Pavyzdžiui, ant trumpo pluošto poliesterio audinių labiau linkę kauptis riebalų dėmės nei ant ilgo pluošto audinių, o riebalų dėmes ant trumpo pluošto audinių taip pat sunkiau pašalinti nei ant ilgo pluošto audinių.
Dėl mažų mikrotarpelių tarp pluoštų sandariai susukti siūlai ir tankūs audiniai gali atsispirti nešvarumų įsiskverbimui, tačiau taip pat neleidžia valymo tirpalui pašalinti vidinių nešvarumų. Todėl tankūs audiniai pradžioje yra atsparūs nešvarumams, tačiau juos sunku valyti, kai jie užsiteršia.
⑤ Vandens kietumas
Metalų jonų, tokių kaip Ca2+ ir Mg2+, koncentracija vandenyje daro didelę įtaką plovimo efektui, ypač kai anijoninės paviršinio aktyvumo medžiagos susiduria su Ca2+ ir Mg2+ jonais ir sudaro blogai tirpstančias kalcio ir magnio druskas, o tai gali sumažinti jų plovimo gebėjimą. Net jei paviršinio aktyvumo medžiagų koncentracija kietame vandenyje yra didelė, jų plovimo efektas vis tiek yra daug blogesnis nei distiliuojant. Norint pasiekti geriausią paviršinio aktyvumo medžiagų plovimo efektą, Ca2+ jonų koncentracija vandenyje turėtų būti sumažinta iki mažiau nei 1 × 10-6 mol/l (CaCO3 turėtų būti sumažinta iki 0,1 mg/l). Tam reikia į skalbiklį įpilti įvairių minkštiklių.
Įrašo laikas: 2024 m. rugpjūčio 16 d.