1. Pintajännitys
Nesteen pinnalla olevaa supistumisvoimaa pituusyksikköä kohti kutsutaan pintajännitykseksi, ja sitä mitataan N • m⁻¹.
2. Pinta-aktiivisuus ja pinta-aktiivinen aine
Liuottimien pintajännitystä alentavaa ominaisuutta kutsutaan pinta-aktiivisuudeksi, ja pinta-aktiivisia aineita kutsutaan pinta-aktiivisiksi aineiksi.
Pinta-aktiivisilla aineilla tarkoitetaan pinta-aktiivisia aineita, jotka voivat muodostaa misellejä ja muita aggregaatteja vesiliuoksiin, joilla on korkea pinta-aktiivisuus ja joilla on myös kostutus-, emulgointi-, vaahdotus-, pesu- ja muita toimintoja.
3. Pinta-aktiivisen aineen molekyylirakenteen ominaisuudet
Pinta-aktiiviset aineet ovat orgaanisia yhdisteitä, joilla on erityisiä rakenteita ja ominaisuuksia, jotka voivat merkittävästi muuttaa kahden faasin välistä rajapintajännitystä tai nesteiden (yleensä veden) pintajännitystä, ja niillä on ominaisuuksia, kuten kostutus, vaahtoaminen, emulgointi ja pesu.
Rakenteellisesti pinta-aktiivisilla aineilla on yhteinen ominaisuus, että ne sisältävät molekyyleissään kaksi erilaista funktionaalista ryhmää. Toinen pää on pitkäketjuinen pooliton ryhmä, joka liukenee öljyyn, mutta ei liukene veteen, ja jota kutsutaan hydrofobiseksi ryhmäksi tai hydrofobiseksi ryhmäksi. Nämä hydrofobiset ryhmät ovat yleensä pitkäketjuisia hiilivetyjä, joskus myös orgaanisia fluori-, organopii-, organofosfori-, organotinaketjuja jne. Toinen pää on vesiliukoinen funktionaalinen ryhmä, nimittäin hydrofiilinen ryhmä tai hydrofiilinen ryhmä. Hydrofiilisen ryhmän on oltava riittävän hydrofiilinen, jotta koko pinta-aktiivinen aine liukenee veteen ja sillä on tarvittava liukoisuus. Pinta-aktiivisissa aineissa olevien hydrofiilisten ja hydrofobisten ryhmien vuoksi ne voivat liueta ainakin yhteen nestefaasin faasiin. Pinta-aktiivisten aineiden hydrofiilisiä ja oleofiilisiä ominaisuuksia kutsutaan amfifiilisiksi.
4. Pinta-aktiivisten aineiden tyypit
Pinta-aktiiviset aineet ovat amfifiilisiä molekyylejä, joissa on sekä hydrofobisia että hydrofiilisiä ryhmiä. Pinta-aktiivisten aineiden hydrofobiset ryhmät koostuvat yleensä pitkäketjuisista hiilivedyistä, kuten suoraketjuisista alkyyliryhmistä C8-C20, haaraketjuisista alkyyliryhmistä C8-C20 ja alkyylifenyyleistä (8-16 alkyylihiiliatomia) jne. Hydrofobisten ryhmien ero on pääasiassa hiili-vetyketjujen rakenteellisissa muutoksissa, ja erot ovat suhteellisen pieniä, kun taas hydrofiilisiä ryhmiä on useampia. Siksi pinta-aktiivisten aineiden ominaisuudet liittyvät pääasiassa hydrofiilisiin ryhmiin hydrofobisten ryhmien koon ja muodon lisäksi. Hydrofiilisten ryhmien rakenteelliset muutokset ovat suurempia kuin hydrofobisten ryhmien, joten pinta-aktiivisten aineiden luokittelu perustuu yleensä hydrofiilisten ryhmien rakenteeseen. Tämä luokittelu perustuu pääasiassa siihen, ovatko hydrofiiliset ryhmät ionisia, ja ne jaetaan anionisiin, kationisiin, ionittomiin, tsvitterionisiin ja muihin erityisiin pinta-aktiivisten aineiden tyyppeihin.
5. Pinta-aktiivisen aineen vesiliuoksen ominaisuudet
① Pinta-aktiivisten aineiden adsorptio rajapinnoilla
Pinta-aktiivisilla molekyyleillä on lipofiilisiä ja hydrofiilisiä ryhmiä, mikä tekee niistä amfifiilisiä molekyylejä. Vesi on voimakkaasti polaarinen neste. Kun pinta-aktiiviset aineet liukenevat veteen, niiden hydrofiiliset ryhmät vetävät puoleensa vesifaasia napaisuuden samankaltaisuuden ja napaisuuseron hylkimisen periaatteen mukaisesti, kun taas niiden lipofiiliset ryhmät hylkivät vettä ja poistuvat vedestä. Tämän seurauksena pinta-aktiiviset molekyylit (tai ionit) adsorboituvat kahden faasin rajapintaan, mikä vähentää kahden faasin välistä rajapintajännitystä. Mitä enemmän pinta-aktiivisia molekyylejä (tai ioneja) adsorboituu rajapintaan, sitä suurempi rajapintajännityksen lasku on.
② Joitakin adsorptiokalvon ominaisuuksia
Adsorptiokalvon pintapaine: Pinta-aktiiviset aineet adsorboituvat kaasu-neste-rajapintaan muodostaen adsorptiokalvon. Jos rajapinnalle asetetaan kitkattomasti liikkuva kelluva levy ja kelluva levy työntää adsorptiokalvoa liuoksen pintaa pitkin, kalvo kohdistaa kelluvaan levyyn paineen, jota kutsutaan pintapaineeksi.
Pinnan viskositeetti: Kuten pintapaine, myös pinnan viskositeetti on liukenemattomien molekyylikalvojen ominaisuus. Ripusta platinarengas ohuella metallilangalla, aseta sen taso kosketuksiin altaan vesipinnan kanssa ja pyöritä platinarengasta. Veden viskositeetti estää platinarenkaan liikkumisen. Amplitudi vaimenee vähitellen, minkä mukaan pinnan viskositeetti voidaan mitata. Menetelmä on seuraava: ensin tehdään kokeita puhtaalla veden pinnalla, mitataan amplitudin vaimennus, sitten mitataan vaimennus pintanaamion muodostumisen jälkeen ja lasketaan pintanaamion viskositeetti näiden kahden erotuksen perusteella.
Pintaviskositeetti liittyy läheisesti kasvonaamion pinnan kiinteyteen. Koska adsorptiokalvolla on pintapaine ja viskositeetti, sen on oltava joustava. Mitä suurempi adsorptiokalvon pintapaine ja viskositeetti ovat, sitä suurempi on sen kimmomoduuli. Pinnan adsorptiokalvon kimmomoduulilla on suuri merkitys vaahdon stabilointiprosessissa.
③ Misellien muodostuminen
Laimea pinta-aktiivisten aineiden liuos noudattaa ideaaliliuosten lakeja. Pinta-aktiivisten aineiden adsorboitumismäärä liuoksen pinnalle kasvaa liuoksen pitoisuuden kasvaessa. Kun pitoisuus saavuttaa tai ylittää tietyn arvon, adsorboitumismäärä ei enää kasva. Nämä liialliset pinta-aktiivisten aineiden molekyylit liuoksessa ovat epäjärjestyksessä eli esiintyvät säännöllisessä järjestyksessä. Sekä käytäntö että teoria ovat osoittaneet, että ne muodostavat liuoksessa aggregaatteja, joita kutsutaan miselleiksi.
Kriittinen misellipitoisuus: Pienintä pitoisuutta, jossa pinta-aktiiviset aineet muodostavat misellejä liuoksessa, kutsutaan kriittiseksi misellipitoisuudeksi.
4. Yleisen pinta-aktiivisen aineen CMC-arvo.
6. Hydrofiilinen ja oleofiilinen tasapainoarvo
HLB on lyhenne sanoista hydrofiilinen lipofiilinen tasapaino, joka edustaa pinta-aktiivisen aineen hydrofiilisten ja lipofiilisten ryhmien hydrofiilistä ja lipofiilistä tasapainoa eli pinta-aktiivisen aineen HLB-arvoa. Korkea HLB-arvo osoittaa molekyylin vahvaa hydrofiilisyyttä ja heikkoa lipofiilisyyttä; päinvastoin, sillä on vahva lipofiilisyys ja heikko hydrofiilisyys.
① HLB-arvoa koskevat määräykset
HLB-arvo on suhteellinen arvo, joten HLB-arvoa laskettaessa hydrofiilisyyttä vailla olevan parafiinin HLB-arvoksi asetetaan standardina 0 ja vesiliukoisen natriumdodekyylisulfaatin HLB-arvoksi 40. Siksi pinta-aktiivisten aineiden HLB-arvo on yleensä välillä 1–40. Yleisesti ottaen emulgointiaineet, joiden HLB-arvo on alle 10, ovat lipofiilisiä, kun taas emulgointiaineet, joiden HLB-arvo on yli 10, ovat hydrofiilisiä. Siksi käännekohta lipofiilisyydestä hydrofiilisyyteen on noin 10.
7. Emulgointi- ja liukenemisvaikutukset
Kahta toisiinsa sekoittumatonta nestettä, joista toinen muodostuu dispergoimalla hiukkasia (pisaroita tai nestekiteitä) toiseen, kutsutaan emulsioiksi. Emulsiota muodostettaessa kahden nesteen välinen rajapinta-ala kasvaa, mikä tekee systeemistä termodynaamisesti epävakaan. Emulsion vakauttamiseksi on lisättävä kolmas komponentti - emulgointiaine - järjestelmän rajapinta-energian vähentämiseksi. Emulgointiaineet kuuluvat pinta-aktiivisiin aineisiin, ja niiden päätehtävänä on toimia emulgointiaineina. Faasi, jossa pisarat ovat emulsiossa, kutsutaan dispersiofaasiksi (tai sisäiseksi faasiksi, epäjatkuvaksi faasiksi), ja toista toisiinsa liittyvää faasia kutsutaan dispersioväliaineeksi (tai ulkoiseksi faasiksi, jatkuvaksi faasiksi).
① Emulgointiaineet ja emulsiot
Yleiset emulsiot koostuvat yhdestä vesi- tai vesiliuosfaasista ja toisesta faasista veteen liukenemattomia orgaanisia yhdisteitä, kuten öljyjä, vahoja jne. Veden ja öljyn muodostama emulsio voidaan jakaa kahteen tyyppiin niiden dispersion perusteella: veteen dispergoitu öljy muodostaa vesi-öljy-emulsion, jota edustaa O/W (öljy/vesi); öljyyn dispergoitu vesi muodostaa vesi-öljy-emulsion, jota edustaa W/O (vesi/öljy). Lisäksi voi muodostua myös kompleksisia vesi-öljy-vedessä W/O/W- ja öljy-vedessä öljyssä O/W/O-emulsioita.
Emulgointiaine stabiloi emulsiota vähentämällä rajapintajännitystä ja muodostamalla yksikerroksisen kasvonaamion.
Emulgointiaineiden vaatimukset emulgoinnissa: a: emulgointiaineiden on kyettävä adsorboitumaan tai rikastumaan kahden faasin rajapinnalla, mikä vähentää rajapintajännitystä; b: Emulgointiaineiden on annettava hiukkasille sähkövaraus, joka aiheuttaa hiukkasten välisen sähköstaattisen hylkimisen tai muodostaa hiukkasten ympärille stabiilin, erittäin viskoosin suojakalvon. Emulgointiaineina käytettävien aineiden on siis sisällettävä amfifiilisiä ryhmiä, jotta niillä olisi emulgointivaikutuksia, ja pinta-aktiiviset aineet voivat täyttää tämän vaatimuksen.
② Emulsioiden valmistusmenetelmät ja emulsion stabiilisuuteen vaikuttavat tekijät
Emulsioiden valmistamiseksi on kaksi menetelmää: toinen on käyttää mekaanisia menetelmiä nesteen dispergoimiseksi pieniksi hiukkasiksi toiseen nesteeseen, mitä käytetään yleisesti teollisuudessa emulsioiden valmistukseen; Toinen menetelmä on liuottaa neste molekyylimuodossa toiseen nesteeseen ja antaa sen sitten aggregoitua asianmukaisesti emulsion muodostamiseksi.
Emulsioiden stabiilius viittaa niiden kykyyn vastustaa hiukkasten aggregaatiota ja aiheuttaa faasierottumista. Emulsiot ovat termodynaamisesti epästabiileja järjestelmiä, joilla on merkittävä vapaa energia. Siksi emulsion stabiilius viittaa itse asiassa aikaan, joka kuluu järjestelmän tasapainon saavuttamiseen, eli aikaan, joka kuluu järjestelmän nesteen erottumiseen.
Kun kasvonaamiossa on polaarisia orgaanisia molekyylejä, kuten rasva-alkoholia, rasvahappoa ja rasva-amiinia, kalvon lujuus kasvaa merkittävästi. Tämä johtuu siitä, että emulgointiainemolekyylit rajapinnan adsorptiokerroksessa vuorovaikuttavat polaaristen molekyylien, kuten alkoholin, hapon ja amiinin, kanssa muodostaen "kompleksin", joka lisää rajapinnan kasvonaamion lujuutta.
Kahdesta tai useammasta pinta-aktiivisesta aineesta koostuvia emulgointiaineita kutsutaan sekoitetuiksi emulgointiaineiksi. Sekoitetut emulgointiaineet adsorboituvat vesi/öljy-rajapintaan, ja molekyylien väliset vuorovaikutukset voivat muodostaa komplekseja. Vahvan molekyylien välisen vuorovaikutuksen ansiosta rajapintajännitys pienenee merkittävästi, rajapintaan adsorboituneen emulgointiaineen määrä kasvaa merkittävästi ja muodostuneen rajapintakasvonaamion tiheys ja lujuus kasvavat.
Pisaroiden varauksella on merkittävä vaikutus emulsioiden stabiilisuuteen. Stabiileissa emulsioissa on tyypillisesti sähkövarauksia omaavia pisaroita. Ionisia emulgointiaineita käytettäessä rajapinnalle adsorboituneet emulgointi-ionit siirtävät lipofiiliset ryhmänsä öljyfaasiin, kun taas hydrofiiliset ryhmät ovat vesifaasissa, jolloin pisarat ovat varautuneita. Koska emulsion pisaroilla on sama varaus, ne hylkivät toisiaan eivätkä agglomeroidu helposti, mikä lisää stabiilisuutta. Voidaan nähdä, että mitä enemmän emulgointi-ioneja adsorboituu pisaroihin, sitä suurempi on niiden varaus ja sitä suurempi on niiden kyky estää pisaroiden yhteenkasvamista, mikä tekee emulsiojärjestelmästä stabiilimman.
Emulsiodispersioväliaineen viskositeetilla on tietty vaikutus emulsion stabiilisuuteen. Yleisesti ottaen, mitä korkeampi dispersioväliaineen viskositeetti on, sitä korkeampi on emulsion stabiilius. Tämä johtuu siitä, että dispersioväliaineen korkea viskositeetti estää voimakkaasti nestepisaroiden Brownin liikettä, hidastaa pisaroiden törmäystä ja pitää järjestelmän vakaana. Emulsioihin yleensä liukenevat polymeeriaineet voivat lisätä järjestelmän viskositeettia ja parantaa emulsion stabiilisuutta. Lisäksi polymeeri voi muodostaa kiinteän rajapinnan kasvonaamion, mikä tekee emulsiojärjestelmästä vakaamman.
Joissakin tapauksissa kiinteän jauheen lisääminen voi myös stabiloida emulsiota. Kiinteä jauhe ei ole vedessä, öljyssä tai rajapinnassa riippuen öljyn ja veden kostutuskyvystä kiinteässä jauheessa. Jos kiinteä jauhe ei ole täysin veden kostuttama ja öljy voi kostuttaa sen, se jää veden ja öljyn rajapintaan.
Syy siihen, miksi kiinteä jauhe ei stabiloi emulsiota, on se, että rajapinnalle kerääntynyt jauhe ei vahvista rajapinnan kasvonaamiota, mikä on samanlaista kuin rajapinnan adsorptioemulgointimolekyylit. Siksi mitä lähempänä toisiaan kiinteän jauheen hiukkaset ovat rajapinnalla, sitä vakaampi emulsio on.
Pinta-aktiivisilla aineilla on kyky lisätä merkittävästi veteen liukenemattomien tai niukkaliukoisten orgaanisten yhdisteiden liukoisuutta muodostettuaan misellejä vesiliuokseen, jolloin liuos on läpinäkyvä. Tätä misellien vaikutusta kutsutaan liukenemiseksi. Pinta-aktiivisia aineita, jotka voivat tuottaa liuottavia vaikutuksia, kutsutaan liuottajiksi, ja liuenneita orgaanisia yhdisteitä kutsutaan liuenneiksi yhdisteiksi.
8. Vaahto
Vaahdolla on tärkeä rooli pesuprosessissa. Vaahdolla tarkoitetaan dispersiojärjestelmää, jossa kaasu on dispergoitunut nesteeseen tai kiinteään aineeseen. Kaasu on dispersiofaasi ja neste tai kiinteä aine on dispersioväliaine. Ensimmäistä kutsutaan nestemäiseksi vaahdoksi, kun taas jälkimmäistä kutsutaan kiinteäksi vaahdoksi, kuten vaahtomuovikseksi, vaahtolasiksi, vaahtosementiksi jne.
(1) Vaahdon muodostuminen
Vaahto viittaa tässä nestemäisen kalvon erottamien kuplien kasautumaan. Dispersiofaasin (kaasun) ja dispersioväliaineen (nesteen) välisen suuren tiheyseron ja nesteen alhaisen viskositeetin vuoksi vaahto voi aina nousta nopeasti nestetasolle.
Vaahdon muodostumisprosessi on tuoda suuri määrä kaasua nesteeseen, ja nesteen kuplat palaavat nopeasti nesteen pinnalle muodostaen kupla-aggregaatin, jonka erottaa pieni määrä nestettä ja kaasua.
Vaahdon morfologiassa on kaksi merkittävää ominaisuutta: ensinnäkin dispersiofaasina kuplat ovat usein monitahoisia, koska kuplien leikkauspisteessä nestekalvo ohenee, jolloin kuplat muuttuvat monitahoisiksi. Kun nestekalvo ohenee tietyssä määrin, kuplat rikkoutuvat. Toiseksi, puhdas neste ei voi muodostaa pysyvää vaahtoa, mutta vaahtoa muodostava neste koostuu vähintään kahdesta tai useammasta komponentista. Pinta-aktiivisen aineen vesiliuos on tyypillinen järjestelmä, joka on helppo vaahdottaa, ja sen kyky tuottaa vaahtoa liittyy myös muihin ominaisuuksiin.
Hyvän vaahtoamiskyvyn omaavia pinta-aktiivisia aineita kutsutaan vaahdotusaineiksi. Vaikka vaahdotusaineella on hyvä vaahtoamiskyky, muodostunut vaahto ei välttämättä säily pitkään, eli sen stabiilius ei ole hyvä. Vaahdon stabiilisuuden ylläpitämiseksi vaahdotusaineeseen lisätään usein vaahdon stabiilisuutta parantavaa ainetta, jota kutsutaan vaahdonvakauttajaksi. Yleisesti käytettyjä vaahdonvakauttajia ovat lauroyylidietanoliamiini ja dodekyylidimetyyliamiinioksidi.
(2) Vaahdon stabiilius
Vaahto on termodynaamisesti epästabiili systeemi, ja lopullinen trendi on, että nesteen kokonaispinta-ala systeemissä pienenee ja vapaa energia laskee kuplien puhkeamisen jälkeen. Vaahdonpoistoprosessi on prosessi, jossa kaasua erottava nestekalvo muuttaa paksuuttaan, kunnes se repeää. Siksi vaahdon stabiilius määräytyy pääasiassa nesteen purkautumisnopeuden ja nestekalvon lujuuden perusteella. On myös useita muita vaikuttavia tekijöitä.
① Pintajännitys
Energian näkökulmasta alhainen pintajännitys on suotuisampaa vaahdon muodostumiselle, mutta se ei voi taata vaahdon pysyvyyttä. Alhainen pintajännitys, pieni paine-ero, hidas nesteen purkautumisnopeus ja hidas nestekalvon oheneminen edistävät vaahdon pysyvyyttä.
② Pinnan viskositeetti
Vaahdon stabiilisuuden kannalta keskeinen tekijä on nestemäisen kalvon lujuus, joka määräytyy pääasiassa pinnan adsorptiokalvon kiinteyden mukaan, mitattuna pinnan viskositeetilla. Kokeet osoittavat, että korkeamman pintaviskositeetin omaavan liuoksen tuottama vaahto on kestävämpää. Tämä johtuu siitä, että pinnalla olevien adsorboituneiden molekyylien välinen vuorovaikutus johtaa kalvon lujuuden kasvuun ja siten vaahdon käyttöiän paranemiseen.
③ Liuoksen viskositeetti
Kun nesteen viskositeetti kasvaa, nestemäisessä kalvossa olevaa nestettä ei ole helppo poistaa, ja nestemäisen kalvon paksuuden ohenemisnopeus on hidas, mikä viivästyttää nestemäisen kalvon repeämisaikaa ja lisää vaahdon stabiiliutta.
④ Pintajännityksen korjaava vaikutus
Nestemäisen kalvon pinnalle adsorboituneet pinta-aktiiviset aineet kykenevät vastustamaan nestemäisen kalvon pinnan laajenemista tai supistumista, mitä kutsumme korjausvaikutukseksi. Tämä johtuu siitä, että pinnalle on adsorboitunut pinta-aktiivisten aineiden nestemäinen kalvo, jonka pinta-alan laajentaminen vähentää pinnalle adsorboituneiden molekyylien pitoisuutta ja lisää pintajännitystä. Pinnan laajentaminen edelleen vaatii enemmän vaivaa. Toisaalta pinta-alan kutistuminen lisää adsorboituneiden molekyylien pitoisuutta pinnalla, mikä vähentää pintajännitystä ja estää lisäkutistumista.
⑤ Kaasun diffuusio nestekalvon läpi
Kapillaaripaineen vuoksi vaahdossa olevien pienten kuplien paine on suurempi kuin suurten kuplien, mikä aiheuttaa pienten kuplien kaasun diffundoitumisen nestekalvon läpi matalapaineisiin suuriin kupliin, mikä johtaa siihen, että pienet kuplat pienenevät, suuret kuplat suurenevat ja lopulta vaahto rikkoutuu. Jos pinta-aktiivista ainetta lisätään, vaahdosta tulee tasaista ja tiheää vaahdottaessa, eikä vaahdonpoistaminen ole helppoa. Koska pinta-aktiivinen aine on tiiviisti nestekalvolla, sitä on vaikea tuulettaa, mikä tekee vaahdosta vakaamman.
⑥ Pintavarauksen vaikutus
Jos vaahtomuovikalvoon on ladattu sama symboli, nestekalvon kaksi pintaa hylkivät toisiaan, estäen nestekalvon ohenemisen tai jopa tuhoutumisen. Ioniset pinta-aktiiviset aineet voivat tarjota tämän stabiloivan vaikutuksen.
Yhteenvetona voidaan todeta, että nestemäisen kalvon lujuus on avaintekijä vaahdon stabiilisuuden määrittämisessä. Vaahdotusaineiden ja vaahdon stabilointiaineiden pinta-aktiivisena aineena pinnalle adsorboituneitten molekyylien tiiviys ja lujuus ovat tärkeimmät tekijät. Kun pinnalla olevien adsorboituneitten molekyylien välinen vuorovaikutus on voimakas, adsorboituneet molekyylit ovat tiiviisti järjestäytyneitä, mikä paitsi tekee pintanaamiosta itsessään erittäin lujan, myös vaikeuttaa pintanaamion viereisen liuoksen virtausta korkean pintaviskositeetin vuoksi. Siksi nestemäisen kalvon on suhteellisen vaikea valua pois ja nestemäisen kalvon paksuutta on helppo ylläpitää. Lisäksi tiiviisti järjestäytyneet pintamolekyylit voivat myös vähentää kaasumolekyylien läpäisevyyttä ja siten lisätä vaahdon stabiilisuutta.
(3) Vaahdon tuhoutuminen
Vaahdon tuhoamisen perusperiaate on muuttaa vaahdon muodostumisolosuhteita tai poistaa vaahdon stabiiliuskertoimet, joten vaahdonestomenetelmiä on kaksi: fysikaalista ja kemiallista.
Fysikaalinen vaahdonesto tarkoittaa vaahdon muodostumisolosuhteiden muuttamista samalla, kun vaahtoliuoksen kemiallinen koostumus pysyy muuttumattomana. Esimerkiksi ulkoisen voiman aiheuttama häiriö, lämpötilan tai paineen muutos ja ultraäänikäsittely ovat kaikki tehokkaita fysikaalisia menetelmiä vaahdon poistamiseksi.
Kemiallisessa vaahdonestomenetelmässä lisätään vaahdotusaineeseen vuorovaikutuksessa olevia aineita, jotka heikentävät vaahdon nestemäisen kalvon lujuutta ja sitten heikentävät vaahdon stabiilisuutta vaahdonestotarkoituksen saavuttamiseksi. Tällaisia aineita kutsutaan vaahdonestoaineiksi. Useimmat vaahdonestoaineet ovat pinta-aktiivisia aineita. Siksi vaahdonestomekanismin mukaan vaahdonestoaineilla tulisi olla voimakas kyky vähentää pintajännitystä, niiden tulisi adsorboitua helposti pintaan ja niiden tulisi olla heikosti vuorovaikutuksessa pintaan adsorboituneiden molekyylien välillä, mikä johtaa adsorboituneiden molekyylien suhteellisen löyhään rakenteeseen.
Vaahdonestoaineita on erilaisia, mutta ne ovat enimmäkseen ionittomia pinta-aktiivisia aineita. Ionittomilla pinta-aktiivisilla aineilla on vaahdonestoaineita lähellä samepistettään tai sen yläpuolella, ja niitä käytetään yleisesti vaahdonestoaineina. Alkoholeja, erityisesti haarautuneita rakenteita, rasvahappoja ja estereitä, polyamideja, fosfaatteja, silikoniöljyjä jne. käytetään myös yleisesti erinomaisina vaahdonestoaineina.
(4) Vaahto ja pesu
Vaahdon ja pesuvaikutuksen välillä ei ole suoraa yhteyttä, eikä vaahdon määrä tarkoita, onko pesuvaikutus hyvä vai huono. Esimerkiksi ionittomien pinta-aktiivisten aineiden vaahtoamiskyky on huomattavasti huonompi kuin saippualla, mutta niiden puhdistusteho on paljon parempi.
Joissakin tapauksissa vaahto on hyödyllinen lian poistamisessa. Esimerkiksi kotona astioita tiskittäessä pesuaineen vaahto voi poistaa öljypisarat. Mattoja hankattaessa vaahto auttaa poistamaan kiinteää likaa, kuten pölyä ja jauhetta. Lisäksi vaahtoa voidaan joskus käyttää merkkinä pesuaineen tehokkuudesta, koska rasvaiset öljytahrat voivat estää pesuaineen vaahtoamisen. Kun öljytahroja on liikaa ja pesuainetta liian vähän, vaahtoa ei muodostu tai alkuperäinen vaahto katoaa. Joskus vaahtoa voidaan käyttää myös merkkinä siitä, onko huuhteluvesi puhdas. Koska huuhteluliuoksen vaahdon määrä yleensä vähenee pesuaineen määrän laskiessa, huuhtelun tehokkuutta voidaan arvioida vaahdon määrän perusteella.
9. Pesuprosessi
Laajasti ottaen pesu on prosessi, jossa pestävästä esineestä poistetaan ei-toivottuja ainesosia ja saavutetaan tietty tarkoitus. Pesu tavanomaisessa merkityksessä viittaa lian poistamiseen alustan pinnalta. Pesun aikana lian ja alustan välinen vuorovaikutus heikkenee tai poistuu joidenkin kemiallisten aineiden (kuten pesuaineiden) vaikutuksesta, jolloin lian ja alustan yhdistelmä muuttuu lian ja pesuaineen yhdistelmäksi, mikä lopulta johtaa lian ja alustan irtoamiseen. Koska pestävät esineet ja poistettava lika ovat erilaisia, pesu on hyvin monimutkainen prosessi, ja pesun perusprosessi voidaan esittää seuraavalla yksinkertaisella suhteella
Kantaja • Lika + Pesuaine = Kantaja + Lika • Pesuaine
Pesuprosessi voidaan yleensä jakaa kahteen vaiheeseen: toinen on lian ja sen kantajan erottuminen pesuaineen vaikutuksesta; toinen on irronneen lian dispergointi ja suspendointi pesuaineessa. Pesuprosessi on palautuva prosessi, ja pesuaineeseen dispergoitu tai suspendoitunut lika voi myös saostua takaisin pesuaineesta pyykin päälle. Siksi erinomaisen pesuaineen tulisi paitsi irrottaa likaa pesuaineesta, myös hajottaa ja suspendoida likaa hyvin ja estää lian kertymisen uudelleen.
(1) Likatyypit
Jopa saman esineen lian tyyppi, koostumus ja määrä vaihtelevat käyttöympäristön mukaan. Öljyiseen kehon likaan kuuluvat pääasiassa eläin- ja kasviöljyt sekä mineraaliöljyt (kuten raakaöljy, polttoöljy, kivihiiliterva jne.), kun taas kiinteään likaan kuuluvat pääasiassa savu, pöly, ruoste, hiilimusta jne. Vaatteiden likaan kuuluu ihmiskehosta peräisin oleva lika, kuten hiki, tali, veri jne.; ruoasta peräisin oleva lika, kuten hedelmätahrat, ruokaöljytahrat, maustetahrat, tärkkelys jne.; kosmetiikasta peräisin oleva lika, kuten huulipuna ja kynsilakka; ilmakehästä peräisin oleva lika, kuten savu, pöly, maaperä jne.; sekä muut materiaalit, kuten muste, tee, maali jne. Voidaan sanoa, että likaa on monenlaista ja monimuotoista.
Erilaiset likatyypit voidaan yleensä jakaa kolmeen luokkaan: kiinteä lika, nestemäinen lika ja erikoislika.
① Yleisiin kiinteisiin lika-aineisiin kuuluvat hiukkaset, kuten tuhka, muta, multa, ruoste ja hiilimusta. Useimmilla näistä hiukkasista on pintavaraus, enimmäkseen negatiivinen, ja ne adsorboituvat helposti kuitumaisiin kappaleisiin. Kiinteää likaa on yleensä vaikea liuottaa veteen, mutta pesuaineliuokset voivat dispergoida ja suspendoida sen. Pieniä hiukkasia sisältävää kiinteää likaa on vaikea poistaa.
② Nestemäinen lika on enimmäkseen öljyliukoista, mukaan lukien eläin- ja kasviöljyt, rasvahapot, rasva-alkoholit, mineraaliöljyt ja niiden oksidit. Näistä eläin- ja kasviöljyt sekä rasvahapot voivat saippuoitua alkalin kanssa, kun taas rasva-alkoholit ja mineraaliöljyt eivät saippuoidu alkalin vaikutuksesta, mutta ne voivat liueta alkoholeihin, eettereihin ja orgaanisiin hiilivetyliuottimiin ja emulgoitua ja dispergoitua pesuaineiden vesiliuoksiin. Öljyliukoisella nestemäisellä lialla on yleensä voimakas vuorovaikutusvoima kuituisten esineiden kanssa ja se adsorboituu tiukasti kuituihin.
③ Erikoislikaantumista aiheuttavat proteiini, tärkkelys, veri, ihmisen eritteet, kuten hiki, tali, virtsa sekä hedelmämehu, teemehu jne. Useimmat näistä likatyypeistä voivat imeytyä voimakkaasti kuituisiin esineisiin kemiallisten reaktioiden kautta. Siksi sen peseminen on melko vaikeaa.
Erilaiset likatyypit esiintyvät harvoin yksinään, usein sekoittuneina ja adsorboituneina esineisiin. Lika voi joskus hapettua, hajota tai rappeutua ulkoisten tekijöiden vaikutuksesta, mikä johtaa uuden lian muodostumiseen.
(2) Lian tarttuvuusvaikutus
Vaatteet, kädet jne. voivat likaantua, koska esineiden ja lian välillä on jonkinlainen vuorovaikutus. Lian tarttuminen esineisiin voi tapahtua monin tavoin, mutta pääasiassa ne ovat fyysisiä ja kemiallisia.
① Tupakantuhkan, pölyn, sedimentin, hiilimustan ja muiden aineiden fyysinen tarttuminen vaatteisiin. Yleisesti ottaen tarttuneen lian ja saastuneen esineen välinen vuorovaikutus on suhteellisen heikkoa, ja lian poistaminen on myös suhteellisen helppoa. Eri voimien mukaan lian fyysinen tarttuminen voidaan jakaa mekaaniseen tarttumiseen ja sähköstaattiseen tarttumiseen.
A: Mekaaninen tarttuvuus viittaa pääasiassa kiinteän lian, kuten pölyn ja sedimentin, tarttumiseen. Mekaaninen tarttuvuus on heikko tarttumismenetelmä lialle, joka voidaan poistaa lähes yksinkertaisilla mekaanisilla menetelmillä. Kuitenkin, kun lian hiukkaskoko on pieni (<0,1 µm), sitä on vaikeampi poistaa.
B: Sähköstaattinen tarttuminen ilmenee pääasiassa varautuneiden likahiukkasten vaikutuksena vastakkaisesti varautuneisiin kappaleisiin. Useimmilla kuituisilla kappaleilla on vedessä negatiivinen varaus, ja positiivisesti varautunut lika, kuten kalkki, tarttuu niihin helposti. Jotkin likalajit, kuten vesiliuoksissa olevat hiilimustan hiukkaset, voivat tarttua kuituihin vedessä positiivisten ionien (kuten Ca2+, Mg2+ jne.) muodostamien ionisiltojen kautta (ionit toimivat yhdessä useiden vastakkaisten varausten välissä ja toimivat kuten sillat).
Staattinen sähkö on voimakkaampaa kuin yksinkertainen mekaaninen toiminta, minkä vuoksi lian poistaminen on suhteellisen vaikeaa.
③ Erikoislian poisto
Proteiinia, tärkkelystä, ihmisen eritteitä, hedelmämehua, teemehua ja muita epäpuhtauksia on vaikea poistaa yleisillä pinta-aktiivisilla aineilla, ja ne vaativat erityisiä käsittelymenetelmiä.
Proteiinitahrat, kuten kerma, kananmunat, veri, maito ja ihon eritteet, koaguloituvat ja denaturoituvat helposti kuituihin ja tarttuvat tiukemmin. Proteiinilikaantumisen poistamiseen voidaan käyttää proteaasia. Proteaasi voi hajottaa lian proteiinit vesiliukoisiksi aminohapoiksi tai oligopeptideiksi.
Tärkkelystahrat tulevat pääasiassa ruoasta, kun taas toiset, kuten lihanesteet, tahnat jne. Tärkkelysentsyymit vaikuttavat katalyyttisesti tärkkelystahrojen hydrolyysiin hajottamalla tärkkelyksen sokereiksi.
Lipaasi voi katalysoida joidenkin perinteisillä menetelmillä vaikeasti poistettavien triglyseridien, kuten ihmiskehon erittämän talin, ruokaöljyjen jne., hajoamista triglyseridien hajottamiseksi liukoiseksi glyseroliksi ja rasvahapoiksi.
Joitakin värillisiä tahroja, kuten hedelmämehua, teetä, mustetta, huulipunaa jne., on usein vaikea puhdistaa perusteellisesti edes toistuvien pesujen jälkeen. Tämän tyyppiset tahrat voidaan poistaa hapetus-pelkistysreaktioilla käyttämällä hapettimia tai pelkistäviä aineita, kuten valkaisuainetta, jotka hajottavat kromoforin tai kromoforiryhmien rakenteen ja hajottavat ne pienemmiksi vesiliukoisiksi komponenteiksi.
Kemiallisen pesun näkökulmasta likaa on karkeasti kolmenlaisia.
① Öljyliukoinen lika sisältää erilaisia öljyjä ja rasvoja, jotka ovat nestemäisiä tai rasvaisia ja liukenevat kuivapesuliuottimiin.
② Vesiliukoinen lika liukenee vesiliuokseen, mutta ei liukene kuivapesuaineisiin. Se imeytyy vaatteisiin vesiliuoksen muodossa, ja veden haihtuessa saostuu rakeisia kiinteitä aineita, kuten epäorgaanisia suoloja, tärkkelystä, proteiineja jne.
③ Öljyveteen liukenematon lika ei liukene sekä veteen että kuivapesuliuottimiin, kuten hiilimustaan, erilaisiin metallisilikaatteihin ja oksideihin.
Erilaisten likatyyppien erilaisten ominaisuuksien vuoksi likaa voidaan poistaa erilaisilla tavoilla kuivapesuprosessissa. Öljyliukoinen lika, kuten eläin- ja kasviöljyt, mineraaliöljyt ja rasvat, liukenee helposti orgaanisiin liuottimiin ja on helppo poistaa kuivapesussa. Kuivapesuliuottimien erinomainen liukoisuus öljyyn ja rasvaan johtuu pääasiassa molekyylien välisistä van der Waalsin voimista.
Vesiliukoisen lian, kuten epäorgaanisten suolojen, sokereiden, proteiinien, hien jne., poistamiseksi on myös tarpeen lisätä sopiva määrä vettä kuivapesuaineeseen, muuten vesiliukoista likaa on vaikea poistaa vaatteista. Vesi liukenee kuitenkin vaikeasti kuivapesuaineisiin, joten veden määrän lisäämiseksi on lisättävä pinta-aktiivisia aineita. Kuivapesuaineissa oleva vesi voi kosteuttaa likaa ja vaatteiden pintaa, mikä helpottaa vuorovaikutusta pinta-aktiivisten aineiden polaaristen ryhmien kanssa, mikä on hyödyllistä pinta-aktiivisten aineiden adsorptiolle pinnalle. Lisäksi, kun pinta-aktiiviset aineet muodostavat misellejä, vesiliukoinen lika ja vesi voivat liueta miselleihin. Pinta-aktiiviset aineet voivat paitsi lisätä kuivapesuliuottimien vesipitoisuutta, myös estää lian uudelleenkerrostumisen, mikä parantaa puhdistustehoa.
Pieni määrä vettä on välttämätön vesiliukoisen lian poistamiseksi, mutta liiallinen vesi voi aiheuttaa vaatteiden epämuodostumia, rypistymistä jne., joten kuivapesuaineen vesipitoisuuden on oltava kohtuullinen.
Kiinteät hiukkaset, kuten tuhka, muta, multa ja hiilimusta, jotka eivät ole vesiliukoisia eivätkä öljyliukoisia, tarttuvat yleensä vaatteisiin sähköstaattisella adsorptiolla tai sekoittumalla öljytahroihin. Kemiallisessa pesussa liuottimien virtaus ja isku voivat saada sähköstaattisten voimien absorboiman lian irtoamaan, kun taas kemialliset pesuaineet voivat liuottaa öljytahroja, jolloin öljytahroihin yhtyneet ja vaatteisiin tarttuvat kiinteät hiukkaset irtoavat kemiallisesta pesuaineesta. Kemiallisen pesuaineen pieni määrä vettä ja pinta-aktiivisia aineita voi suspendoida ja hajottaa irtoavat kiinteät likahiukkaset stabiilisti estäen niitä kerrostumasta uudelleen vaatteisiin.
(5) Pesuvaikutukseen vaikuttavat tekijät
Pinta-aktiivisten aineiden suunnattu adsorptio rajapinnalla ja pintajännityksen (rajapinnan jännityksen) pieneneminen ovat tärkeimmät tekijät nestemäisen tai kiinteän likaantumisen poistamisessa. Pesuprosessi on kuitenkin suhteellisen monimutkainen, ja jopa saman tyyppisen pesuaineen pesutehoon vaikuttavat monet muut tekijät. Näitä tekijöitä ovat pesuaineen pitoisuus, lämpötila, lian laatu, kuitutyyppi ja kankaan rakenne.
① Pinta-aktiivisten aineiden pitoisuus
Liuoksessa olevien pinta-aktiivisten aineiden miselleillä on tärkeä rooli pesuprosessissa. Kun pitoisuus saavuttaa kriittisen misellipitoisuuden (cmc), pesuteho kasvaa jyrkästi. Siksi liuottimen pesuaineen pitoisuuden tulisi olla korkeampi kuin CMC-arvo hyvän pesutehon saavuttamiseksi. Kuitenkin, kun pinta-aktiivisten aineiden pitoisuus ylittää CMC-arvon, pesutehon lisääntyminen menettää merkitystään, eikä pinta-aktiivisten aineiden pitoisuutta tarvitse lisätä liikaa.
Kun öljytahroja poistetaan liuottamalla, vaikka pitoisuus olisi CMC-arvon yläpuolella, liuotusvaikutus kasvaa silti pinta-aktiivisen aineen pitoisuuden kasvaessa. Tällöin on suositeltavaa käyttää pesuainetta paikallisesti, kuten vaatteiden hihansuissa ja kauluksissa, joissa on paljon likaa. Pesun yhteydessä voidaan ensin levittää kerros pesuainetta pinta-aktiivisten aineiden liuotusvaikutuksen parantamiseksi öljytahroissa.
② Lämpötilalla on merkittävä vaikutus puhdistustehoon. Kaiken kaikkiaan lämpötilan nostaminen on hyödyllistä lian poistamiseksi, mutta joskus liian korkea lämpötila voi aiheuttaa myös haitallisia tekijöitä.
Lämpötilan nousu on hyödyllistä lian diffuusiolle. Kiinteät öljytahrat emulgoituvat helposti, kun lämpötila on sulamispisteensä yläpuolella, ja myös kuidut laajenevat lämpötilan nousun vuoksi. Nämä tekijät ovat kaikki hyödyllisiä lian poistolle. Tiukoissa kankaissa kuitujen väliset mikroraot kuitenkin pienenevät kuitujen laajenemisen jälkeen, mikä ei edistä lian poistumista.
Lämpötilan muutokset vaikuttavat myös pinta-aktiivisten aineiden liukoisuuteen, CMC-arvoon ja misellikokoon, ja siten pesuvaikutukseen. Pitkähiiliset pinta-aktiiviset aineet liukenevat huonommin matalissa lämpötiloissa ja joskus jopa huonommin kuin CMC-arvo. Tässä tapauksessa pesulämpötilaa tulisi nostaa asianmukaisesti. Lämpötilan vaikutus CMC-arvoon ja misellikokoon on erilainen ionisilla ja ionittomilla pinta-aktiivisilla aineilla. Ionisilla pinta-aktiivisilla aineilla lämpötilan nousu johtaa yleensä CMC-arvon nousuun ja misellikokoon pienenemiseen. Tämä tarkoittaa, että pinta-aktiivisten aineiden pitoisuutta pesuliuoksessa tulisi lisätä. Ionittomilla pinta-aktiivisilla aineilla lämpötilan nostaminen johtaa niiden CMC-arvon laskuun ja merkittävään misellikokoon kasvuun. Voidaan nähdä, että lämpötilan asianmukainen nostaminen voi auttaa ionittomia pinta-aktiivisia aineita saavuttamaan pinta-aktiivisuuden. Lämpötilan ei kuitenkaan tulisi ylittää sen samepistettä.
Lyhyesti sanottuna sopivin pesulämpötila liittyy pesuaineen koostumukseen ja pestävään esineeseen. Joillakin pesuaineilla on hyvät puhdistusvaikutukset huoneenlämmössä, kun taas toisilla pesuaineilla on merkittävästi erilaiset puhdistusvaikutukset kylmässä ja kuumassa pesussa.
③ Vaahtomuovi
Ihmiset sekoittavat usein vaahtoamiskyvyn pesutehoon uskoen, että voimakkaasti vaahtoavilla pesuaineilla on parempi pesuteho. Tulokset osoittavat, että pesuteho ei ole suoraan verrannollinen vaahdon määrään. Esimerkiksi vähän vaahtoavan pesuaineen käyttö pyykinpesussa ei ole huonompaa pesutehoa kuin voimakkaasti vaahtoavan pesuaineen käyttö.
Vaikka vaahto ei liity suoraan pesuun, vaahto on silti hyödyllinen lian poistamisessa joissakin tilanteissa. Esimerkiksi astianpesuaineen vaahto voi kuljettaa pois öljypisarat käsin tiskillä. Mattoa hankattaessa vaahto voi myös poistaa kiinteitä likahiukkasia, kuten pölyä. Pöly muodostaa suuren osan maton liasta, joten matonpuhdistusaineella tulisi olla tietty vaahtoamiskyky.
Myös shampoon vaahtoamiskyky on tärkeä. Nesteen tuottama hieno vaahto hiuksia pestessä tai kylvyssä saa ihmiset tuntemaan olonsa mukavaksi.
④ Kuitutyypit ja tekstiilien fysikaaliset ominaisuudet
Kuitujen kemiallisen rakenteen lisäksi, joka vaikuttaa lian tarttumiseen ja poistoon, myös kuitujen ulkonäkö sekä lankojen ja kankaiden organisaatiorakenne vaikuttavat lian poiston vaikeuteen.
Villakuitujen suomuihin ja puuvillakuitujen litteään suikalemaiseen rakenteeseen kertyy likaa helpommin kuin sileisiin kuituihin. Esimerkiksi selluloosakalvoon (liimakalvoon) kiinnittynyt hiilimusta on helppo poistaa, kun taas puuvillakankaaseen kiinnittynyt hiilimusta on vaikea pestä pois. Esimerkiksi polyesterilyhytkuituiset kankaat keräävät öljytahroja alttiimmin kuin pitkäkuituiset kankaat, ja lyhytkuituisten kankaiden öljytahroja on myös vaikeampi poistaa kuin pitkäkuituisten kankaiden öljytahroja.
Tiukasti kierretyt langat ja tiiviit kankaat voivat kuitujen välisten pienten mikrorakojen ansiosta vastustaa lian tunkeutumista, mutta estävät myös puhdistusliuosta poistamasta sisäistä likaa. Siksi tiiviillä kankailla on hyvä likaantumisenestokyky alussa, mutta niitä on myös vaikea puhdistaa likaantumisen jälkeen.
⑤ Veden kovuus
Metalli-ionien, kuten Ca2+- ja Mg2+-ionien, pitoisuudet vedessä vaikuttavat merkittävästi pesutehoon, erityisesti silloin, kun anioniset pinta-aktiiviset aineet kohtaavat Ca2+- ja Mg2+-ioneja muodostaen huonosti liukenevia kalsium- ja magnesiumsuoloja, mikä voi heikentää niiden puhdistuskykyä. Vaikka pinta-aktiivisten aineiden pitoisuus olisi korkea kovassa vedessä, niiden puhdistusteho on silti paljon huonompi kuin tislauksessa. Pinta-aktiivisten aineiden parhaan pesutehon saavuttamiseksi Ca2+-ionien pitoisuus vedessä tulisi vähentää alle 1 × 10-6 mol/l (CaCO3-pitoisuus tulisi vähentää 0,1 mg/l:aan). Tämä edellyttää erilaisten pehmennysaineiden lisäämistä pesuaineeseen.
Julkaisun aika: 16. elokuuta 2024