1. Povrchové napätie
Kontrakčná sila na jednotku dĺžky na povrchu kvapaliny sa nazýva povrchové napätie a meria sa v N • m-1.
2. Povrchová aktivita a povrchovo aktívna látka
Vlastnosť, ktorá dokáže znížiť povrchové napätie rozpúšťadiel, sa nazýva povrchová aktivita a látky s povrchovou aktivitou sa nazývajú povrchovo aktívne látky.
Povrchovo aktívne látky sa vzťahujú na povrchovo aktívne látky, ktoré môžu vo vodných roztokoch tvoriť micely a iné agregáty, majú vysokú povrchovú aktivitu a majú tiež zmáčacie, emulgačné, peniace, umývacie a ďalšie funkcie.
3. Molekulárne štrukturálne charakteristiky povrchovo aktívnej látky
Povrchovo aktívne látky sú organické zlúčeniny so špeciálnymi štruktúrami a vlastnosťami, ktoré môžu významne zmeniť medzifázové napätie medzi dvoma fázami alebo povrchové napätie kvapalín (zvyčajne vody) a majú vlastnosti ako zmáčanie, penenie, emulgácia a pranie.
Štrukturálne povedané, povrchovo aktívne látky majú spoločnú vlastnosť, že vo svojich molekulách obsahujú dve rôzne funkčné skupiny. Jeden koniec je nepolárna skupina s dlhým reťazcom, ktorá je rozpustná v oleji, ale nerozpustná vo vode, známa ako hydrofóbna skupina alebo hydrofóbna skupina. Tieto hydrofóbne skupiny sú vo všeobecnosti uhľovodíky s dlhým reťazcom, niekedy aj organický fluór, organokremičitý, organofosforový, organocínový reťazec atď. Druhý koniec je vo vode rozpustná funkčná skupina, a to hydrofilná skupina alebo hydrofilná skupina. Hydrofilná skupina musí mať dostatočnú hydrofilnosť, aby sa zabezpečilo, že celá povrchovo aktívna látka je rozpustná vo vode a má potrebnú rozpustnosť. Vďaka prítomnosti hydrofilných a hydrofóbnych skupín v povrchovo aktívnych látkach sa môžu rozpustiť aspoň v jednej fáze kvapalnej fázy. Hydrofilné a oleofilné vlastnosti povrchovo aktívnych látok sa nazývajú amfifilita.
4. Druhy povrchovo aktívnych látok
Povrchovo aktívne látky sú amfifilné molekuly, ktoré majú hydrofóbne aj hydrofilné skupiny. Hydrofóbne skupiny povrchovo aktívnych látok sa vo všeobecnosti skladajú z uhľovodíkov s dlhým reťazcom, ako sú napríklad alkylové skupiny s priamym reťazcom C8-C20, alkylfenylové skupiny s rozvetveným reťazcom C8-C20, alkylfenylové skupiny (s 8-16 alkylovými atómami uhlíka) atď. Rozdiel medzi hydrofóbnymi skupinami spočíva najmä v štrukturálnych zmenách reťazcov uhlík-vodík, pričom rozdiely sú relatívne malé, pričom existuje viac typov hydrofilných skupín. Preto vlastnosti povrchovo aktívnych látok súvisia okrem veľkosti a tvaru hydrofóbnych skupín najmä s hydrofilnými skupinami. Štrukturálne zmeny hydrofilných skupín sú väčšie ako u hydrofóbnych skupín, takže klasifikácia povrchovo aktívnych látok je vo všeobecnosti založená na štruktúre hydrofilných skupín. Táto klasifikácia je založená najmä na tom, či sú hydrofilné skupiny iónové, a delí sa na aniónové, katiónové, neiónové, zwitteriónové a iné špeciálne typy povrchovo aktívnych látok.
5. Charakteristiky vodného roztoku povrchovo aktívnej látky
① Adsorpcia povrchovo aktívnych látok na rozhraniach
Molekuly povrchovo aktívnych látok majú lipofilné a hydrofilné skupiny, vďaka čomu sú amfifilnými molekulami. Voda je silne polárna kvapalina. Keď sa povrchovo aktívne látky rozpustia vo vode, podľa princípu podobnosti polarity a rozdielu polarity, ich hydrofilné skupiny sú priťahované k vodnej fáze a rozpúšťajú sa vo vode, zatiaľ čo ich lipofilné skupiny vodu odpudzujú a opúšťajú vodu. V dôsledku toho sa molekuly povrchovo aktívnych látok (alebo ióny) adsorbujú na rozhraní medzi týmito dvoma fázami, čím sa znižuje medzifázové napätie medzi nimi. Čím viac molekúl povrchovo aktívnych látok (alebo iónov) sa adsorbuje na rozhraní, tým väčší je pokles medzifázového napätia.
② Niektoré vlastnosti adsorpčnej membrány
Povrchový tlak adsorpčnej membrány: Povrchovo aktívne látky sa adsorbujú na rozhraní plyn-kvapalina a vytvárajú adsorpčnú membránu. Ak sa na rozhranie umiestni pohyblivá plávajúca doska bez trenia a plávajúca doska tlačí adsorpčnú membránu pozdĺž povrchu roztoku, membrána vyvíja na plávajúcu dosku tlak, ktorý sa nazýva povrchový tlak.
Povrchová viskozita: Podobne ako povrchový tlak, aj povrchová viskozita je vlastnosť, ktorú prejavujú nerozpustné molekulárne filmy. Platinový krúžok zaveste na tenký kovový drôt, jeho rovina sa dotkne hladiny vody v dreze a platinovým krúžkom sa otočí. Platinový krúžok je brzdený viskozitou vody a amplitúda sa postupne znižuje, podľa čoho sa dá merať povrchová viskozita. Metóda je nasledovná: najprv sa vykonajú experimenty na čistej hladine vody, zmerá sa útlm amplitúdy, potom sa zmeria útlm po vytvorení povrchovej masky na tvár a z rozdielu medzi týmito dvoma hodnotami sa vypočíta viskozita povrchovej masky na tvár.
Povrchová viskozita úzko súvisí s pevnosťou povrchovej masky na tvár. Keďže adsorpčný film má povrchový tlak a viskozitu, musí byť elastický. Čím vyšší je povrchový tlak a viskozita adsorpčnej membrány, tým väčší je jej modul pružnosti. Modul pružnosti povrchového adsorpčného filmu má veľký význam v procese stabilizácie peny.
③ Tvorba micel
Zriedený roztok povrchovo aktívnych látok sa riadi zákonmi ideálnych roztokov. Adsorpčné množstvo povrchovo aktívnych látok na povrchu roztoku sa zvyšuje s koncentráciou roztoku. Keď koncentrácia dosiahne alebo prekročí určitú hodnotu, adsorpčné množstvo sa už nezvyšuje. Tieto nadbytočné molekuly povrchovo aktívnych látok v roztoku sú neusporiadané alebo existujú pravidelným spôsobom. Prax aj teória ukázali, že v roztoku tvoria agregáty, ktoré sa nazývajú micely.
Kritická koncentrácia micel: Minimálna koncentrácia, pri ktorej povrchovo aktívne látky tvoria micely v roztoku, sa nazýva kritická koncentrácia micel.
④ Hodnota CMC bežnej povrchovo aktívnej látky.
6. Hydrofilná a oleofilná rovnovážna hodnota
HLB je skratka pre hydrofilnú lipofilnú rovnováhu, ktorá predstavuje hydrofilné a lipofilné rovnovážne hodnoty hydrofilných a lipofilných skupín povrchovo aktívnej látky, t. j. hodnotu HLB povrchovo aktívnej látky. Vysoká hodnota HLB naznačuje silnú hydrofilnosť a slabú lipofilnosť molekuly; naopak, má silnú lipofilnosť a slabú hydrofilnosť.
① Predpisy o hodnote HLB
Hodnota HLB je relatívna hodnota, takže pri formulovaní hodnoty HLB sa ako štandard hodnota HLB parafínu bez hydrofilných vlastností nastavuje na 0, zatiaľ čo hodnota HLB dodecylsulfátu sodného so silnou rozpustnosťou vo vode sa nastavuje na 40. Preto sa hodnota HLB povrchovo aktívnych látok vo všeobecnosti pohybuje v rozmedzí 1 – 40. Vo všeobecnosti sú emulgátory s hodnotami HLB menšími ako 10 lipofilné, zatiaľ čo emulgátory s hodnotami HLB vyššími ako 10 sú hydrofilné. Preto je bod zlomu z lipofility na hydrofilnosť približne 10.
7. Emulgačné a solubilizačné účinky
Dve nemiešateľné kvapaliny, z ktorých jedna vzniká dispergovaním častíc (kvapôčok alebo tekutých kryštálov) v druhej, sa nazývajú emulzie. Pri tvorbe emulzie sa zväčšuje medzifázová plocha medzi týmito dvoma kvapalinami, čím sa systém stáva termodynamicky nestabilným. Na stabilizáciu emulzie je potrebné pridať tretiu zložku – emulgátor – aby sa znížila medzifázová energia systému. Emulgátory patria medzi povrchovo aktívne látky a ich hlavnou funkciou je pôsobiť ako emulgátory. Fáza, v ktorej sa kvapky v emulzii nachádzajú, sa nazýva dispergovaná fáza (alebo vnútorná fáza, diskontinuálna fáza) a druhá fáza spojená dohromady sa nazýva dispergované médium (alebo vonkajšia fáza, spojitá fáza).
① Emulgátory a emulzie
Bežné emulzie pozostávajú z jednej fázy vody alebo vodného roztoku a druhej fázy organických zlúčenín, ktoré sú s vodou nemiešateľné, ako sú oleje, vosky atď. Emulziu tvorenú vodou a olejom možno rozdeliť na dva typy na základe ich disperzie: olej dispergovaný vo vode tvorí emulziu voda v oleji, ktorú predstavuje O/W (olej/voda); voda dispergovaná v oleji tvorí emulziu voda v oleji, ktorú predstavuje W/O (voda/olej). Okrem toho sa môžu tvoriť aj komplexné emulzie voda v oleji vo vode W/O/W a olej vo vode v oleji O/W/O.
Emulgátor stabilizuje emulziu znížením povrchového napätia a vytvorením jednovrstvovej masky na tvár.
Požiadavky na emulgátory pri emulgovaní: a: emulgátory musia byť schopné adsorbovať alebo obohacovať na rozhraní medzi dvoma fázami, čím sa zníži povrchové napätie; b: Emulgátory musia časticiam dodať elektrický náboj, ktorý spôsobí elektrostatické odpudzovanie medzi časticami alebo vytvorí stabilný, vysoko viskózny ochranný film okolo častíc. Látky používané ako emulgátory musia mať amfifilné skupiny, aby mali emulgačné účinky, a povrchovo aktívne látky môžu túto požiadavku splniť.
② Metódy prípravy emulzií a faktory ovplyvňujúce stabilitu emulzie
Existujú dva spôsoby prípravy emulzií: jedným je použitie mechanických metód na dispergovanie kvapaliny na malé častice v inej kvapaline, čo sa bežne používa v priemysle na prípravu emulzií; Ďalšou metódou je rozpustiť kvapalinu v molekulárnom stave v inej kvapaline a potom ju nechať vhodne agregovať za vzniku emulzie.
Stabilita emulzií sa vzťahuje na ich schopnosť odolávať agregácii častíc a spôsobovať fázovú separáciu. Emulzie sú termodynamicky nestabilné systémy s významnou voľnou energiou. Stabilita emulzie sa preto v skutočnosti vzťahuje na čas potrebný na dosiahnutie rovnováhy systémom, teda na čas potrebný na oddelenie kvapaliny v systéme.
Keď sa v pleťovej maske nachádzajú polárne organické molekuly, ako sú mastné alkoholy, mastné kyseliny a mastné amíny, pevnosť membrány sa výrazne zvyšuje. Je to preto, že molekuly emulgátora v adsorpčnej vrstve rozhraní interagujú s polárnymi molekulami, ako sú alkoholy, kyseliny a amíny, a vytvárajú „komplex“, čo zvyšuje pevnosť pleťovej masky.
Emulgátory zložené z dvoch alebo viacerých povrchovo aktívnych látok sa nazývajú zmiešané emulgátory. Zmiešané emulgátory sa adsorbujú na rozhraní voda/olej a medzimolekulárne interakcie môžu tvoriť komplexy. V dôsledku silnej medzimolekulárnej interakcie sa výrazne znižuje povrchové napätie, výrazne sa zvyšuje množstvo emulgátora adsorbovaného na rozhraní a zvyšuje sa hustota a pevnosť vytvorenej medzifázovej masky tváre.
Náboj kvapôčok má významný vplyv na stabilitu emulzií. Stabilné emulzie majú typicky kvapôčky s elektrickým nábojom. Pri použití iónových emulgátorov emulgačné ióny adsorbované na rozhraní vkladajú svoje lipofilné skupiny do olejovej fázy, zatiaľ čo hydrofilné skupiny sú vo vodnej fáze, čím sa kvapôčky nabijú. Vzhľadom na to, že kvapôčky emulzie nesú rovnaký náboj, navzájom sa odpudzujú a nie je ľahké ich zhlukovať, čo vedie k zvýšenej stabilite. Je zrejmé, že čím viac emulgačných iónov adsorbovaných na kvapôčky, tým väčší je ich náboj a tým väčšia je ich schopnosť zabrániť koalescencii kvapôčok, čím sa emulzný systém stáva stabilnejším.
Viskozita disperzného média v emulzii má určitý vplyv na stabilitu emulzie. Vo všeobecnosti platí, že čím vyššia je viskozita disperzného média, tým vyššia je stabilita emulzie. Je to preto, že viskozita disperzného média je vysoká, čo silne brzdí Brownov pohyb kvapôčok kvapaliny, spomaľuje zrážky medzi kvapôčkami a udržiava systém stabilný. Polymérne látky, ktoré sú zvyčajne rozpustné v emulziách, môžu zvýšiť viskozitu systému a zlepšiť stabilitu emulzie. Okrem toho môže polymér tvoriť aj pevnú rozhraniovú masku na tvári, čím sa emulzný systém stabilizuje.
V niektorých prípadoch môže pridanie pevného prášku tiež stabilizovať emulziu. Pevný prášok sa nenachádza vo vode, oleji alebo na rozhraní, v závislosti od zmáčacej schopnosti oleja a vody na pevnom prášku. Ak pevný prášok nie je úplne zmáčaný vodou a môže byť zmáčaný olejom, zostane na rozhraní voda-olej.
Dôvod, prečo pevný prášok nestabilizuje emulziu, je ten, že prášok zhromaždený na rozhraní nespevnuje rozhranie tvárovej masky, ktoré je podobné rozhraniu adsorpčných molekúl emulgátora. Preto čím bližšie sú častice pevného prášku usporiadané na rozhraní, tým stabilnejšia bude emulzia.
Povrchovo aktívne látky majú schopnosť výrazne zvýšiť rozpustnosť organických zlúčenín, ktoré sú nerozpustné alebo mierne rozpustné vo vode po vytvorení micel vo vodnom roztoku, pričom roztok je v tomto čase priehľadný. Tento účinok micel sa nazýva solubilizácia. Povrchovo aktívne látky, ktoré môžu vyvolať solubilizačné účinky, sa nazývajú solubilizátory a organické zlúčeniny, ktoré sú solubilizované, sa nazývajú solubilizované zlúčeniny.
8. Pena
Pena hrá dôležitú úlohu v procese prania. Pena sa vzťahuje na disperzný systém, v ktorom je plyn dispergovaný v kvapaline alebo pevnej látke. Plyn je disperzná fáza a kvapalina alebo pevná látka je disperzné médium. Prvá sa nazýva kvapalná pena, zatiaľ čo druhá sa nazýva tuhá pena, ako napríklad penový plast, penové sklo, penový cement atď.
(1) Tvorba peny
Pena sa tu vzťahuje na agregáciu bublín oddelených kvapalným filmom. Vzhľadom na veľký rozdiel v hustote medzi dispergovanou fázou (plyn) a dispergovaným médiom (kvapalina) a nízku viskozitu kvapaliny môže pena vždy rýchlo stúpnuť na hladinu kvapaliny.
Proces tvorby peny spočíva v privedení veľkého množstva plynu do kvapaliny a bubliny v kvapaline sa rýchlo vracajú na povrch kvapaliny, čím vytvárajú bublinový agregát oddelený malým množstvom kvapaliny a plynu.
Pena má dve pozoruhodné morfologické vlastnosti: po prvé, bubliny ako dispergovaná fáza majú často polyedrický tvar, pretože v mieste priesečníka bublín existuje tendencia stenčovať kvapalný film, čím sa bubliny stávajú polyedrickými. Keď sa kvapalný film do určitej miery stenčí, bubliny sa rozpadnú; po druhé, čistá kvapalina nemôže tvoriť stabilnú penu, ale kvapalina, ktorá môže tvoriť penu, sa skladá z najmenej dvoch alebo viacerých zložiek. Vodný roztok povrchovo aktívnej látky je typický systém, ktorý ľahko vytvára penu a jeho schopnosť vytvárať penu súvisí aj s ďalšími vlastnosťami.
Povrchovo aktívne látky s dobrou penivosťou sa nazývajú peniace činidlá. Hoci peniace činidlo má dobrú penivosť, vytvorená pena nemusí byť schopná dlho vydržať, to znamená, že jej stabilita nemusí byť dobrá. Na udržanie stability peny sa do peniacej látky často pridáva látka, ktorá môže zvýšiť jej stabilitu, nazývaná stabilizátor peny. Bežne používané stabilizátory peny sú lauroyldietanolamín a dodecyldimetylamínoxid.
(2) Stabilita peny
Pena je termodynamicky nestabilný systém a konečným trendom je, že celková povrchová plocha kvapaliny v systéme sa po pretrhnutí bubliny znižuje a voľná energia sa znižuje. Proces odpeňovania je proces, pri ktorom kvapalný film oddeľujúci plyn mení hrúbku, až kým sa nepraskne. Stabilita peny je preto určená najmä rýchlosťou vypúšťania kvapaliny a pevnosťou kvapalného filmu. Existuje niekoľko ďalších ovplyvňujúcich faktorov.
① Povrchové napätie
Z energetického hľadiska je nízke povrchové napätie priaznivejšie pre tvorbu peny, ale nemôže zaručiť jej stabilitu. Nízke povrchové napätie, nízky tlakový rozdiel, pomalá rýchlosť vytekania kvapaliny a pomalé stenčovanie kvapalného filmu prispievajú k stabilite peny.
② Povrchová viskozita
Kľúčovým faktorom určujúcim stabilitu peny je pevnosť kvapalného filmu, ktorá je určená hlavne pevnosťou povrchového adsorpčného filmu, meranou povrchovou viskozitou. Experimenty ukazujú, že pena vytvorená roztokom s vyššou povrchovou viskozitou má dlhšiu životnosť. Je to preto, že interakcia medzi adsorbovanými molekulami na povrchu vedie k zvýšeniu pevnosti membrány, čím sa zlepšuje životnosť peny.
③ Viskozita roztoku
Keď sa viskozita samotnej kvapaliny zvýši, kvapalina v kvapalnom filme sa ťažko vypúšťa a rýchlosť stenčovania hrúbky kvapalného filmu je pomalá, čo oneskoruje čas prasknutia kvapalného filmu a zvyšuje stabilitu peny.
④ „Opravný“ účinok povrchového napätia
Povrchovo aktívne látky adsorbované na povrchu kvapalného filmu majú schopnosť odolávať rozpínaniu alebo zmršťovaniu povrchu kvapalného filmu, čo nazývame opravný efekt. Je to preto, že na povrchu je adsorbovaný kvapalný film povrchovo aktívnych látok a zväčšovanie jeho povrchovej plochy zníži koncentráciu molekúl adsorbovaných na povrchu a zvýši povrchové napätie. Ďalšie zväčšovanie povrchu si bude vyžadovať väčšie úsilie. Naopak, zmenšovanie povrchovej plochy zvýši koncentráciu adsorbovaných molekúl na povrchu, čím sa zníži povrchové napätie a zabráni ďalšiemu zmršťovaniu.
⑤ Difúzia plynu cez kvapalný film
V dôsledku existencie kapilárneho tlaku je tlak malých bublín v pene vyšší ako tlak veľkých bublín, čo spôsobí, že plyn v malých bublinách difunduje do veľkých bublín s nízkym tlakom cez kvapalný film, čo vedie k javu, že malé bubliny sa zmenšujú, veľké bubliny sa zväčšujú a pena sa nakoniec rozpadne. Ak sa pridá povrchovo aktívna látka, pena bude pri penení rovnomerná a hustá a nie je ľahké ju odpeňovať. Keďže povrchovo aktívna látka je tesne umiestnená na kvapalnom filme, je ťažké ju vetrať, čo zvyšuje stabilitu peny.
⑥ Vplyv povrchového náboja
Ak je penový tekutý film nabitý rovnakým symbolom, dva povrchy tekutého filmu sa budú navzájom odpudzovať, čím sa zabráni jeho stenčeniu alebo dokonca zničeniu. Tento stabilizačný účinok môžu zabezpečiť iónové povrchovo aktívne látky.
Záverom možno povedať, že pevnosť tekutého filmu je kľúčovým faktorom určujúcim stabilitu peny. Ako povrchovo aktívna látka pre peniace činidlá a stabilizátory peny sú najdôležitejšími faktormi tesnosť a pevnosť molekúl adsorbovaných na povrchu. Keď je interakcia medzi adsorbovanými molekulami na povrchu silná, adsorbované molekuly sú blízko seba, čo nielenže spôsobuje vysokú pevnosť samotnej povrchovej masky, ale tiež sťažuje tečenie roztoku v blízkosti masky kvôli vysokej povrchovej viskozite, takže je pre tekutý film relatívne ťažké odtekať a hrúbka tekutého filmu sa ľahko udržiava. Okrem toho, blízko seba usporiadané povrchové molekuly môžu tiež znížiť priepustnosť molekúl plynu, a tým zvýšiť stabilitu peny.
(3) Zničenie peny
Základným princípom ničenia peny je zmena podmienok pre tvorbu peny alebo eliminácia faktorov stability peny, takže existujú dve metódy odpeňovania, fyzikálna a chemická.
Fyzikálne odpeňovanie spočíva v zmene podmienok, za ktorých sa pena tvorí, pričom sa zachováva nezmenené chemické zloženie penového roztoku. Napríklad pôsobenie vonkajšej sily, zmena teploty alebo tlaku a ultrazvukové ošetrenie sú účinné fyzikálne metódy na odstránenie peny.
Metóda chemického odpeňovania spočíva v pridaní určitých látok, ktoré interagujú s penotvorným činidlom, znižujú pevnosť tekutého filmu v pene a následne znižujú stabilitu peny, aby sa dosiahol cieľ odpeňovania. Takéto látky sa nazývajú odpeňovače. Väčšina odpeňovačov sú povrchovo aktívne látky. Preto by podľa mechanizmu odpeňovania mali mať odpeňovače silnú schopnosť znižovať povrchové napätie, ľahko sa adsorbovať na povrch a mať slabé interakcie medzi molekulami adsorbovanými na povrchu, čo vedie k relatívne voľnej štruktúre usporiadania adsorbovaných molekúl.
Existujú rôzne typy odpeňovačov, ale väčšinou ide o neiónové povrchovo aktívne látky. Neiónové povrchovo aktívne látky majú protipenivé vlastnosti blízko alebo nad bodom zákalu a bežne sa používajú ako odpeňovače. Ako vynikajúce odpeňovače sa bežne používajú aj alkoholy, najmä tie s rozvetvenou štruktúrou, mastné kyseliny a estery, polyamidy, fosfáty, silikónové oleje atď.
(4) Pena a umývanie
Neexistuje priamy vzťah medzi penou a pracím účinkom a množstvo peny neznamená, že prací účinok je dobrý alebo zlý. Napríklad penivosť neiónových povrchovo aktívnych látok je oveľa horšia ako u mydla, ale ich čistiaca sila je oveľa lepšia.
V niektorých prípadoch je pena užitočná pri odstraňovaní nečistôt. Napríklad pri umývaní riadu doma môže pena čistiaceho prostriedku odstrániť zmyté kvapky oleja; pri drhnutí kobercov pena pomáha odstraňovať pevné nečistoty, ako je prach a prášok. Okrem toho sa pena niekedy môže použiť ako indikátor účinnosti čistiaceho prostriedku, pretože mastné olejové škvrny môžu brániť peneniu čistiaceho prostriedku. Ak je olejových škvŕn priveľa a čistiaceho prostriedku príliš málo, pena sa nevytvorí alebo pôvodná pena zmizne. Niekedy sa pena môže použiť aj ako indikátor toho, či je oplachovanie čisté. Pretože množstvo peny v oplachovacom roztoku má tendenciu klesať so znižujúcim sa obsahom čistiaceho prostriedku, stupeň oplachovania sa dá vyhodnotiť podľa množstva peny.
9. Proces prania
V širšom zmysle je umývanie proces odstraňovania nežiaducich zložiek z umývaného predmetu a dosahovania určitého účelu. Umývanie v bežnom zmysle sa vzťahuje na proces odstraňovania nečistôt z povrchu nosiča. Počas umývania sa interakcia medzi nečistotami a nosičom oslabuje alebo eliminuje pôsobením niektorých chemických látok (ako sú napríklad čistiace prostriedky), čím sa kombinácia nečistôt a nosiča premieňa na kombináciu nečistôt a čistiace prostriedky, čo nakoniec spôsobí oddelenie nečistôt a nosiča. Keďže predmety, ktoré sa majú umývať, a nečistoty, ktoré sa majú odstraňovať, sú rôznorodé, umývanie je veľmi zložitý proces a základný proces umývania možno znázorniť nasledujúcim jednoduchým vzťahom.
Nosič • Nečistoty + Čistiaci prostriedok = Nosič + Nečistoty • Čistiaci prostriedok
Proces prania možno zvyčajne rozdeliť na dve fázy: prvou je oddelenie nečistôt a ich nosiča pôsobením pracieho prostriedku; druhou je, že uvoľnené nečistoty sa rozptýlia a suspendujú v médiu. Proces prania je reverzibilný proces a nečistoty, ktoré sú rozptýlené alebo suspendované v médiu, sa môžu z média tiež opätovne vyzrážať na bielizni. Preto by vynikajúci prací prostriedok mal mať nielen schopnosť oddeliť nečistoty od nosiča, ale aj dobrú schopnosť rozptýliť a suspendovať nečistoty a zabrániť ich opätovnému usadzovaniu.
(1) Druhy nečistôt
Aj v prípade toho istého predmetu sa typ, zloženie a množstvo nečistôt líšia v závislosti od prostredia používania. Medzi olejové nečistoty patria najmä živočíšne a rastlinné oleje, ako aj minerálne oleje (ako je ropa, vykurovací olej, uhoľný decht atď.), zatiaľ čo pevné nečistoty zahŕňajú najmä dym, prach, hrdzu, sadze atď. Pokiaľ ide o nečistoty z oblečenia, existujú nečistoty z ľudského tela, ako je pot, kožný maz, krv atď.; nečistoty z jedla, ako sú škvrny od ovocia, škvrny od jedlého oleja, škvrny od korenia, škrobu atď.; nečistoty z kozmetiky, ako je rúž a lak na nechty; nečistoty z atmosféry, ako je dym, prach, pôda atď.; iné materiály, ako je atrament, čaj, farba atď. Dá sa povedať, že existujú rôzne a rozmanité typy.
Rôzne typy nečistôt možno zvyčajne rozdeliť do troch kategórií: pevné nečistoty, tekuté nečistoty a špeciálne nečistoty.
① Bežné pevné nečistoty zahŕňajú častice ako popol, blato, zemina, hrdza a sadze. Väčšina týchto častíc má povrchový náboj, prevažne negatívny, a ľahko sa adsorbuje na vláknité predmety. Pevné nečistoty sa vo všeobecnosti ťažko rozpúšťajú vo vode, ale dajú sa dispergovať a suspendovať roztokmi čistiacich prostriedkov. Pevné nečistoty s malými časticami sa ťažko odstraňujú.
② Tekuté nečistoty sú väčšinou rozpustné v oleji a zahŕňajú živočíšne a rastlinné oleje, mastné kyseliny, mastné alkoholy, minerálne oleje a ich oxidy. Živočíšne a rastlinné oleje a mastné kyseliny sa môžu zmydelniť pomocou zásad, zatiaľ čo mastné alkoholy a minerálne oleje sa nezmydelnia pomocou zásad, ale môžu sa rozpustiť v alkoholoch, éteroch a organických uhľovodíkových rozpúšťadlách a emulgovať a dispergovať vodnými roztokmi detergentov. Tekuté nečistoty rozpustné v oleji majú vo všeobecnosti silnú interakčnú silu s vláknitými predmetmi a pevne sa adsorbujú na vlákna.
③ Medzi špeciálne nečistoty patria bielkoviny, škrob, krv, ľudské sekréty, ako je pot, kožný maz, moč, ako aj ovocné šťavy, čajové šťavy atď. Väčšina týchto typov nečistôt sa môže silne adsorbovať na vláknité predmety chemickými reakciami. Preto je ich umývanie dosť náročné.
Rôzne druhy nečistôt zriedka existujú samostatne, často sa zmiešajú a adsorbujú na predmetoch. Nečistoty môžu niekedy oxidovať, rozkladať sa alebo hniť vplyvom vonkajších vplyvov, čo vedie k tvorbe nových nečistôt.
(2) Priľnavý účinok nečistôt
Dôvod, prečo sa oblečenie, ruky atď. môžu zašpiniť, je ten, že medzi predmetmi a nečistotami dochádza k určitému druhu interakcie. Existujú rôzne adhézne účinky nečistôt na predmety, ale sú to najmä fyzikálna a chemická adhézia.
① Fyzikálna priľnavosť cigaretového popola, prachu, sedimentov, sadzí a iných látok k oblečeniu. Vo všeobecnosti je interakcia medzi priľnutými nečistotami a kontaminovaným predmetom relatívne slabá a odstránenie nečistôt je tiež relatívne jednoduché. Podľa rôznych síl možno fyzickú priľnavosť nečistôt rozdeliť na mechanickú a elektrostatickú.
A: Mechanická adhézia sa vzťahuje najmä na adhéziu pevných nečistôt, ako je prach a sediment. Mechanická adhézia je metóda slabej adhézie nečistôt, ktoré sa dajú takmer úplne odstrániť jednoduchými mechanickými metódami. Ak je však veľkosť častíc nečistôt malá (<0,1 μm), je ich odstránenie ťažšie.
B: Elektrostatická adhézia sa prejavuje najmä pôsobením nabitých častíc nečistôt na predmety s opačným nábojom. Väčšina vláknitých predmetov nesie vo vode záporný náboj a ľahko sa na ne prichytávajú kladne nabité nečistoty, ako napríklad vápno. Niektoré nečistoty, hoci sú záporne nabité, ako napríklad častice čierneho uhlíka vo vodných roztokoch, sa môžu prichytiť na vlákna prostredníctvom iónových mostíkov vytvorených kladnými iónmi (ako napríklad Ca2+, Mg2+ atď.) vo vode (ióny pôsobia spoločne medzi viacerými opačnými nábojmi a fungujú ako mostíky).
Statická elektrina je silnejšia ako jednoduché mechanické pôsobenie, takže je relatívne ťažké odstrániť nečistoty.
③ Odstránenie špeciálnych nečistôt
Bielkoviny, škrob, ľudské sekréty, ovocné šťavy, čajové šťavy a iné druhy nečistôt sa ťažko odstraňujú bežnými povrchovo aktívnymi látkami a vyžadujú si špeciálne metódy ošetrenia.
Bielkovinové škvrny, ako je smotana, vajcia, krv, mlieko a kožné exkrementy, sú náchylné na koaguláciu a denaturáciu na vláknach a pevnejšie priľnú. Na odstránenie bielkovinových znečistení možno použiť proteázu. Proteáza dokáže rozložiť bielkoviny v nečistotách na vo vode rozpustné aminokyseliny alebo oligopeptidy.
Škrobové škvrny pochádzajú prevažne z jedla, zatiaľ čo iné pochádzajú z mäsových štiav, pasty atď. Škrobové enzýmy majú katalytický účinok na hydrolýzu škrobových škvŕn, pričom škrob rozkladajú na cukry.
Lipáza môže katalyzovať rozklad niektorých triglyceridov, ktoré sa ťažko odstraňujú konvenčnými metódami, ako je napríklad kožný maz vylučovaný ľudským telom, jedlé oleje atď., čím sa triglyceridy rozložia na rozpustný glycerol a mastné kyseliny.
Niektoré farebné škvrny od ovocnej šťavy, čaju, atramentu, rúžu atď. sa často ťažko dôkladne čistia aj po opakovanom praní. Tento typ škvŕn sa dá odstrániť oxidačno-redukčnými reakciami s použitím oxidačných činidiel alebo redukčných činidiel, ako je bielidlo, ktoré rozkladajú štruktúru chromofóru alebo chromofórových skupín a degradujú ich na menšie vo vode rozpustné zložky.
Z pohľadu chemického čistenia existujú zhruba tri typy nečistôt.
① Nečistoty rozpustné v oleji zahŕňajú rôzne oleje a tuky, ktoré sú tekuté alebo mastné a rozpustné v rozpúšťadlách na chemické čistenie.
② Nečistoty rozpustné vo vode sú rozpustné vo vodnom roztoku, ale nerozpustné v chemických čistiacich prostriedkoch. Adsorbujú sa na oblečenie vo forme vodného roztoku a po odparení vody sa vyzrážajú granulované pevné látky, ako sú anorganické soli, škrob, bielkoviny atď.
③ Nečistoty nerozpustné v oleji sú nerozpustné vo vode ani v rozpúšťadlách určených na chemické čistenie, ako sú napríklad sadze, rôzne kremičitany kovov a oxidy.
Vzhľadom na rôzne vlastnosti rôznych typov nečistôt existujú rôzne spôsoby ich odstraňovania počas procesu chemického čistenia. Nečistoty rozpustné v oleji, ako sú živočíšne a rastlinné oleje, minerálne oleje a tuky, sú ľahko rozpustné v organických rozpúšťadlách a dajú sa ľahko odstrániť počas chemického čistenia. Vynikajúca rozpustnosť rozpúšťadiel pre chemické čistenie olejov a mastnoty je v podstate spôsobená van der Waalsovými silami medzi molekulami.
Na odstránenie vo vode rozpustných nečistôt, ako sú anorganické soli, cukry, bielkoviny, pot atď., je potrebné do chemického čistiaceho prostriedku pridať aj vhodné množstvo vody, inak sa vo vode rozpustné nečistoty z oblečenia ťažko odstraňujú. Voda sa však v chemicky čistiacich prostriedkoch ťažko rozpúšťa, preto je na zvýšenie množstva vody potrebné pridať povrchovo aktívne látky. Voda prítomná v chemicky čistiacich prostriedkoch môže hydratovať nečistoty a povrch oblečenia, čo uľahčuje interakciu s polárnymi skupinami povrchovo aktívnych látok, čo je prospešné pre adsorpciu povrchovo aktívnych látok na povrchu. Okrem toho, keď povrchovo aktívne látky tvoria micely, vo vode rozpustné nečistoty a voda sa môžu rozpustiť v micelách. Povrchovo aktívne látky môžu nielen zvýšiť obsah vody v rozpúšťadlách pre chemické čistenie, ale tiež zabrániť opätovnému usadzovaniu nečistôt, čím sa zvýši čistiaci účinok.
Prítomnosť malého množstva vody je nevyhnutná na odstránenie vo vode rozpustných nečistôt, ale nadmerné množstvo vody môže spôsobiť deformáciu, pokrčenie atď. niektorých odevov, takže obsah vody v suchom pracom prostriedku musí byť mierny.
Pevné častice, ako je popol, blato, zemina a sadze, ktoré nie sú rozpustné ani vo vode, ani v oleji, sa zvyčajne prichytávajú na odev elektrostatickou adsorpciou alebo sa zlučujú s olejovými škvrnami. Pri chemickom čistení môže prúdenie a náraz rozpúšťadiel spôsobiť odpadnutie nečistôt adsorbovaných elektrostatickými silami, zatiaľ čo prostriedky na chemické čistenie môžu rozpúšťať olejové škvrny, čo spôsobuje odpadnutie pevných častíc, ktoré sa zlúčia s olejovými škvrnami a prilepia sa na odev, z prostriedku na chemické čistenie. Malé množstvo vody a povrchovo aktívnych látok v prostriedku na chemické čistenie dokáže stabilne suspendovať a rozptýliť odpadnuté pevné častice nečistôt, čím sa zabráni ich opätovnému usadzovaniu na odeve.
(5) Faktory ovplyvňujúce prací účinok
Smerová adsorpcia povrchovo aktívnych látok na rozhraní a zníženie povrchového (medzifázového) napätia sú hlavnými faktormi odstraňovania kvapalných alebo pevných nečistôt. Proces prania je však relatívne zložitý a dokonca aj prací účinok rovnakého typu pracieho prostriedku je ovplyvnený mnohými ďalšími faktormi. Medzi tieto faktory patrí koncentrácia pracieho prostriedku, teplota, povaha nečistôt, typ vlákna a štruktúra tkaniny.
① Koncentrácia povrchovo aktívnych látok
Micely povrchovo aktívnych látok v roztoku hrajú dôležitú úlohu v procese prania. Keď koncentrácia dosiahne kritickú micelovú koncentráciu (CMC), prací účinok prudko stúpne. Preto by koncentrácia detergentu v rozpúšťadle mala byť vyššia ako hodnota CMC, aby sa dosiahol dobrý prací účinok. Keď však koncentrácia povrchovo aktívnych látok prekročí hodnotu CMC, zvyšujúci sa prací účinok sa stáva menej významným a nadmerné zvyšovanie koncentrácie povrchovo aktívnych látok nie je potrebné.
Pri použití solubilizácie na odstránenie olejových škvŕn, aj keď je koncentrácia vyššia ako hodnota CMC, solubilizačný účinok sa stále zvyšuje so zvyšujúcou sa koncentráciou povrchovo aktívnych látok. V tomto prípade sa odporúča používať prací prostriedok lokálne, napríklad na manžety a goliere oblečenia, kde je veľa nečistôt. Pri praní sa môže najskôr naniesť vrstva pracieho prostriedku, aby sa zlepšil solubilizačný účinok povrchovo aktívnych látok na olejové škvrny.
② Teplota má významný vplyv na čistiaci účinok. Celkovo je zvýšenie teploty prospešné na odstránenie nečistôt, ale niekedy môže nadmerná teplota spôsobiť aj nepriaznivé faktory.
Zvýšenie teploty je prospešné pre difúziu nečistôt. Pevné olejové škvrny sa ľahko emulgujú, keď je teplota nad ich bodom topenia, a vlákna tiež zvyšujú svoj stupeň rozpínania v dôsledku zvýšenia teploty. Všetky tieto faktory sú prospešné pre odstraňovanie nečistôt. Avšak pri hustých tkaninách sa po rozpínaní vlákien zmenšujú mikromedzery medzi vláknami, čo nevedie k odstraňovaniu nečistôt.
Zmeny teploty tiež ovplyvňujú rozpustnosť, hodnotu CMC a veľkosť micel povrchovo aktívnych látok, čím ovplyvňujú prací účinok. Povrchovo aktívne látky s dlhým uhlíkovým reťazcom majú pri nízkych teplotách nižšiu rozpustnosť a niekedy dokonca nižšiu rozpustnosť ako hodnota CMC. V tomto prípade by sa mala teplota prania primerane zvýšiť. Vplyv teploty na hodnotu CMC a veľkosť micel je odlišný pre iónové a neiónové povrchovo aktívne látky. Pri iónových povrchovo aktívnych látkach zvýšenie teploty vo všeobecnosti vedie k zvýšeniu hodnoty CMC a zníženiu veľkosti micel. To znamená, že koncentrácia povrchovo aktívnych látok v pracom roztoku by sa mala zvýšiť. Pri neiónových povrchovo aktívnych látkach zvýšenie teploty vedie k zníženiu ich hodnoty CMC a významnému zvýšeniu veľkosti micel. Je zrejmé, že primerané zvýšenie teploty môže pomôcť neiónovým povrchovo aktívnym látkam prejaviť ich povrchovú aktivitu. Teplota by však nemala prekročiť bod zákalu.
Stručne povedané, najvhodnejšia teplota prania súvisí so zložením pracieho prostriedku a umývaným predmetom. Niektoré pracie prostriedky majú dobré čistiace účinky pri izbovej teplote, zatiaľ čo iné majú výrazne odlišné čistiace účinky pri praní za studena a za tepla.
③ Pena
Ľudia si často mýlia penivosť s pracím účinkom a myslia si, že pracie prostriedky so silnou penivosťou majú lepší prací účinok. Výsledky ukazujú, že prací účinok priamo nesúvisí s množstvom peny. Napríklad použitie pracieho prostriedku s nízkou penivosťou na pranie nemá horší prací účinok ako prací prostriedok s vysokou penivosťou.
Hoci pena priamo nesúvisí s umývaním, v niektorých situáciách je stále užitočná na odstránenie nečistôt. Napríklad pena z umývacieho prostriedku môže pri ručnom umývaní riadu odnášať kvapky oleja. Pri drhnutí koberca môže pena odstrániť aj pevné častice nečistôt, ako je prach. Prach tvorí veľkú časť nečistôt na koberci, takže čistič kobercov by mal mať určitú schopnosť peniť.
Dôležitá je aj penivosť šampónu. Jemná pena, ktorú tekutina vytvára pri umývaní vlasov alebo kúpaní, prináša ľuďom príjemný pocit.
④ Druhy vlákien a fyzikálne vlastnosti textílií
Okrem chemickej štruktúry vlákien, ktorá ovplyvňuje priľnavosť a odstraňovanie nečistôt, má na náročnosť odstraňovania nečistôt vplyv aj vzhľad vlákien a organizačná štruktúra priadzí a tkanín.
Šupiny vlnených vlákien a plochá pásikovitá štruktúra bavlnených vlákien sú náchylnejšie na hromadenie nečistôt ako hladké vlákna. Napríklad sadza prilepená na celulózovú fóliu (lepiacu fóliu) sa ľahko odstraňuje, zatiaľ čo sadza prilepená na bavlnenú tkaninu sa ťažko zmýva. Napríklad polyesterové tkaniny s krátkymi vláknami sú náchylnejšie na hromadenie olejových škvŕn ako tkaniny s dlhými vláknami a olejové škvrny na tkaninách s krátkymi vláknami sa tiež ťažšie odstraňujú ako na tkaninách s dlhými vláknami.
Pevne skrútené priadze a pevné tkaniny vďaka malým mikromedzerám medzi vláknami dokážu odolávať vniknutiu nečistôt, ale zároveň bránia čistiacemu roztoku v odstraňovaní vnútorných nečistôt. Pevné tkaniny majú preto na začiatku dobrú odolnosť voči nečistotám, ale po znečistení sa ťažko čistia.
⑤ Tvrdosť vody
Koncentrácia kovových iónov, ako sú Ca2+ a Mg2+, vo vode má významný vplyv na prací účinok, najmä keď aniónové povrchovo aktívne látky reagujú s iónmi Ca2+ a Mg2+ a tvoria vápenaté a horečnaté soli so zlou rozpustnosťou, čo môže znížiť ich čistiacu schopnosť. Aj keď je koncentrácia povrchovo aktívnych látok v tvrdej vode vysoká, ich čistiaci účinok je stále oveľa horší ako pri destilácii. Na dosiahnutie najlepšieho pracieho účinku povrchovo aktívnych látok by sa mala koncentrácia iónov Ca2+ vo vode znížiť pod 1 × 10-6 mol/l (CaCO3 by sa mal znížiť na 0,1 mg/l). To si vyžaduje pridanie rôznych zmäkčovadiel do pracieho prostriedku.
Čas uverejnenia: 16. augusta 2024