закрыть
Выберите сайт
глобальный
Социальные средства массовой информации
Просмотры:12265 Автор:Pедактор сайта Время публикации: 2025-10-16 Происхождение:Работает
Сила сжатия на единицу длины, действующая на поверхность жидкости, называется поверхностным натяжением и выражается в единицах Н·м⁻¹.
Способность вещества снижать поверхностное натяжение растворителя называется поверхностной активностью, а вещества, проявляющие это свойство, называются поверхностно-активными веществами.
Вещества, которые могут объединяться в водном растворе с образованием мицелл или подобных агрегатов, обладают высокой поверхностной активностью и проявляют такие функции, как смачивание, эмульгирование, пенообразование и очистка, известны как поверхностно-активные вещества.
Поверхностно-активные вещества представляют собой класс органических соединений с уникальной структурой и свойствами. Они могут существенно изменять межфазное натяжение между двумя фазами или поверхностное натяжение жидкости (обычно воды) и обладают такими функциями, как смачивание, вспенивание, эмульгирование и очистка..
Структурно все ПАВ имеют общую особенность: их молекулы состоят из двух частей с разным сродством..
Один конец представляет собой длинноцепочечную неполярную группу , растворимую в масле, но нерастворимую в воде , известную как гидрофобная группа (или липофильный хвост) . Эта гидрофобная часть обычно представляет собой длинноцепочечный углеводород, но может также состоять из фторированных, силоксановых, фосфорсодержащих или оловоорганических цепей..
Другой конец представляет собой водорастворимую группу , известную как гидрофильная группа (или гидрофильная головка) , которая должна иметь достаточную гидрофильность, чтобы гарантировать, что поверхностно-активное вещество в целом растворимо в воде и сохраняет необходимую растворимость.
Поскольку молекулы ПАВ содержат как гидрофильные, так и гидрофобные группы, они могут растворяться по крайней мере в одной фазе жидкой системы. Это двойное сродство — одновременно водолюбивое и маслолюбивое — называется амфифильностью..
Поверхностно-активные вещества представляют собой амфифильные молекулы , содержащие как гидрофобные, так и гидрофильные группы. Гидрофобная группа обычно состоит из длинноцепочечных углеводородов, таких как линейные алкилы (C ₈ –C ₂₀), разветвленные алкилы (C ₈ –C ₂₀) или алкилфенильные группы (с алкильными цепями из 8–16 атомов углерода). Различия гидрофобных групп в основном возникают из-за различий в строении углеводородной цепи и относительно незначительны, тогда как гидрофильные группы сильно различаются по типу и строению.
Следовательно, свойства поверхностно-активного вещества зависят не только от размера и формы гидрофобной группы, но, что более важно, от природы гидрофильной группы . Поскольку гидрофильная группа демонстрирует большее структурное разнообразие, классификация поверхностно-активных веществ обычно основана на структуре и ионном характере гидрофильной группы.
Соответственно, поверхностно-активные вещества классифицируются на следующие основные категории:
Анионные поверхностно-активные вещества
Катионные поверхностно-активные вещества
Неионогенные поверхностно-активные вещества
Амфотерные (цвиттер-ионные) поверхностно-активные вещества.
Другие специальные типы поверхностно-активных веществ
Молекулы ПАВ амфифильны и содержат как гидрофильные, так и липофильные группы. Вода – высокополярная жидкость. При растворении ПАВ в воде по принципу, что подобное растворяется подобное — полярные группы притягивают полярные вещества и отталкивают неполярные — гидрофильная группа взаимодействует с водой и растворяется в ней, а гидрофобная группа отталкивается и удаляется от водной фазы.
В результате молекулы (или ионы) ПАВ адсорбируются на границе раздела двух фаз, уменьшая межфазное натяжение. Чем больше количество молекул (или ионов) поверхностно-активного вещества, адсорбированных на границе раздела, тем больше снижается межфазное натяжение.
Поверхностное давление:
Когда молекулы ПАВ адсорбируются на границе раздела воздух-жидкость, они образуют адсорбированную пленку. Если подвижную пластину без трения положить на поверхность и толкнуть по раствору, пленка оказывает на пластину силу — эту силу называют поверхностным давлением.
Поверхностная вязкость:
Подобно поверхностному давлению, поверхностная вязкость является свойством нерастворимых молекулярных пленок. Его можно измерить, подвешивая тонкую металлическую проволоку, удерживающую платиновое кольцо, которое касается поверхности жидкости. Поскольку платиновое кольцо колеблется, затухание амплитуды, вызванное вязкостным сопротивлением, можно использовать для определения поверхностной вязкости. Сначала испытание проводится на чистой воде для измерения естественного демпфирования; затем затухание измеряется снова после образования поверхностной пленки. Разница между двумя результатами представляет собой вязкость поверхностной пленки.
Поверхностная вязкость тесно связана со стабильностью и прочностью поверхностной пленки. Поскольку адсорбированная пленка обладает как поверхностным давлением, так и вязкостью, она также проявляет эластичность. Чем больше поверхностное давление и вязкость, тем выше модуль упругости пленки. Эта эластичность играет важную роль в стабильности пены.
В разбавленных растворах поверхностно-активные вещества подчиняются законам идеальных растворов. По мере увеличения концентрации поверхностно-активного вещества увеличивается и его количество, адсорбированное на поверхности. Когда концентрация достигает или превышает определенный порог, адсорбция больше не увеличивается. Избыточные молекулы ПАВ в растворе не остаются беспорядочно рассредоточенными, а скорее объединяются упорядоченным образом, образуя агрегаты, известные как мицеллы.
Критическая концентрация мицеллообразования (ККМ):
Самая низкая концентрация ПАВ в растворе, при которой начинают образовываться мицеллы, называется критической концентрацией мицелл (ККМ).
ККМ варьируется в зависимости от типа ПАВ, молекулярной структуры и условий раствора (температура, содержание электролита и т. д.). В целом ионные поверхностно-активные вещества имеют более низкие значения ККМ, чем неионогенные, что указывает на более легкое образование мицелл.
ГЛБ — это аббревиатура от гидрофильно-липофильного баланса , обозначающая относительный баланс между гидрофильными и липофильными частями молекулы поверхностно-активного вещества. Другими словами, значение ГЛБ указывает на степень гидрофильности или липофильности поверхностно-активного вещества.
Высокое значение ГЛБ означает, что молекула более гидрофильна и менее липофильна , тогда как низкое значение ГЛБ указывает на более сильную липофильность и более слабую гидрофильность..
Значение HLB представляет собой относительную шкалу . Чтобы установить эту шкалу, парафину (который не имеет гидрофильного характера) присвоено значение ГЛБ 0, равное , а додецилсульфату натрия (который хорошо растворим в воде) присвоено значение ГЛБ, равное 40. Таким образом, поверхностно-активные вещества обычно имеют значения ГЛБ в диапазоне 1–40..
Обычно:
Поверхностно-активные вещества с ГЛБ < 10 считаются липофильными и подходят для систем В/М (вода в масле) .
Поверхностно-активные вещества с ГЛБ > 10 являются гидрофильными и подходят для систем М/В (масло в воде) .
Точка перехода между липофильным и гидрофильным поведением происходит примерно при HLB = 10..
На основе значения ГЛБ можно приблизительно оценить потенциальное применение поверхностно-активных веществ, как показано ниже.
Таблица 1-3. Диапазон HLB и соответствующие области применения
Диапазон значений HLB | Типичное применение | Диапазон значений HLB | Типичное применение |
1,5–3 | Пеногаситель типа Б/М | 8–18 | Эмульгатор типа O/W |
3,5–6 | Эмульгатор типа Б/М | 13–15 | Моющее средство |
7–9 | Смачивающий агент | 15–18 | солюбилизатор |
Из таблицы видно, что ПАВ, подходящие для эмульгаторов «вода в масле» (В/М), имеют значения ГЛБ 3,5–6 , а для эмульгаторов «масло в воде» (М/В) – значения ГЛБ 8–18..
(Методы определения значений ГЛБ здесь опущены.)
Когда две несмешивающиеся жидкости смешиваются и одна диспергируется в другой в виде мелких капель или жидких кристаллов, образующаяся система называется эмульсией .
. Поскольку при эмульгировании площадь границы раздела между двумя жидкостями значительно увеличивается, такая система термодинамически нестабильна . Чтобы стабилизировать его, необходимо добавить третий компонент — эмульгатор , чтобы уменьшить межфазную энергию.
Эмульгаторы представляют собой класс поверхностно-активных веществ , и их основная функция — способствовать и стабилизировать эмульгирование. В эмульсии дисперсная фаза (или внутренняя/несплошная фаза) представляет собой жидкость, присутствующую в виде капель, тогда как дисперсионная среда (или внешняя/непрерывная фаза) представляет собой жидкость, образующую окружающую среду.
Обычные эмульсии состоят из одной водной фазы (воды или водного раствора) и другой фазы органических веществ, несмешивающихся с водой, таких как масла или воски. .
В зависимости от характера дисперсии эмульсии можно классифицировать как:
Эмульсии масло в воде (М/В): Капли масла диспергируются в воде.
Эмульсии «вода в масле» (W/O): капли воды диспергируются в масле.
Множественные эмульсии: также могут быть образованы более сложные системы, такие как В/М/В (вода в масле в воде) или М/В/М (масло в воде в масле) .
Эмульгаторы стабилизируют эмульсии, уменьшая межфазное натяжение и образуя мономолекулярную межфазную пленку между двумя фазами.
Требования к эффективным эмульгаторам
Для успешного эмульгирования эмульгатор должен соответствовать следующим условиям:
а. Адсорбция на границе раздела фаз. Эмульгатор должен быть способен адсорбироваться или концентрироваться на границе раздела двух фаз, тем самым снижая межфазное натяжение.
б. Стабилизация капель: эмульгатор должен придавать каплям электрический заряд для создания электростатического отталкивания между частицами или образовывать защитную пленку высокой вязкости вокруг каждой капли для предотвращения слипания.
Поэтому эффективными эмульгаторами могут служить только вещества, содержащие Поверхностно-активные вещества удовлетворяют этому структурному требованию и являются наиболее распространенными и эффективными эмульгаторами.как гидрофильные, так и гидрофобные группы , то есть амфифильные молекулы .
Существует два основных метода приготовления эмульсий:
Метод механического диспергирования:
предполагает использование механической силы для диспергирования одной жидкости в другой в виде мелких частиц. Это наиболее часто используемый метод в промышленности.
Метод молекулярного раствора.
При этом подходе одна жидкость сначала растворяется в другой на молекулярном уровне, а затем при соответствующих условиях вызывается агрегирование с образованием эмульсии.
Стабильность эмульсий
Стабильность эмульсии означает ее способность противостоять агрегации капель и разделению фаз.
Поскольку эмульсии являются термодинамически нестабильными системами с относительно высокой свободной энергией, так называемая «стабильность» фактически описывает время, необходимое системе для достижения равновесия , то есть время, прежде чем произойдет разделение фаз.
Когда в межфазной пленке присутствуют полярные органические молекулы , такие как жирные спирты, жирные кислоты или жирные амины, прочность пленки значительно увеличивается. .
Это происходит потому, что молекулы поверхностно-активных веществ взаимодействуют с этими полярными соединениями, образуя комплексы на границе раздела, что увеличивает прочность межфазной пленки.
Смешанные эмульгаторы
Когда эмульгатор состоит из двух или более поверхностно-активных веществ , он называется смешанным эмульгатором. .
На границе раздела масло-вода различные молекулы поверхностно-активных веществ взаимодействуют с образованием сложных структур , которые значительно уменьшают межфазное натяжение, увеличивают адсорбцию поверхностно-активных веществ на границе раздела и создают более плотную и прочную межфазную пленку , тем самым улучшая стабильность.
Эффект заряда капли
Электрический заряд капель эмульсии оказывает существенное влияние на стабильность.
В стабильных эмульсиях капли обычно несут электрический заряд. Когда используются ионные поверхностно-активные вещества , их гидрофобные группы внедряются в масляную фазу, а их гидрофильные группы остаются в водной фазе, в результате чего капли становятся заряженными.
Поскольку все капли несут одинаковый заряд , они электростатически отталкивают друг друга , предотвращая слипание и улучшая стабильность.
Чем больше количество адсорбированных ионов ПАВ на поверхности капли, тем выше плотность заряда и тем сильнее сопротивление коалесценции, что приводит к более стабильной эмульсионной системе.
Влияние вязкости дисперсионной среды
Вязкость непрерывной фазы также влияет на стабильность эмульсии.
Как правило, более высокая вязкость дисперсионной среды приводит к большей стабильности, поскольку подавляет броуновское движение капель и уменьшает их столкновения.
Полимеры, растворяющиеся в эмульсии, могут увеличивать вязкость и, таким образом, повышать стабильность. Кроме того, полимеры могут образовывать прочные межфазные пленки , которые дополнительно стабилизируют систему.
Эффект твердых частиц
В некоторых случаях добавление твердых порошков также может помочь стабилизировать эмульсии.
Находятся ли эти частицы в водной фазе, масляной фазе или на границе раздела, зависит от их смачиваемости нефтью и водой.
Если твердые частицы смачиваются и водой, и маслом в соответствующей степени, они будут накапливаться на границе раздела масло-вода , повышая стабильность.
Механизм стабилизации твердых частиц аналогичен механизму стабилизации молекул ПАВ — образуя компактный твердый межфазный слой , они укрепляют межфазную пленку.
Чем плотнее упакованы частицы на границе раздела фаз, тем стабильнее становится эмульсия.
Солюбилизация
После образования мицелл в водном растворе поверхностно-активные вещества проявляют замечательную способность повышать растворимость органических веществ, которые в противном случае нерастворимы или лишь незначительно растворимы в воде.
На этом этапе раствор становится прозрачным , и это явление известно как солюбилизация..
Поверхностно-активные вещества, способные оказывать такой эффект, называются солюбилизирующими агентами , а органические соединения, растворенные в мицеллах, — солюбилизированными веществами..
Пена играет важную роль в процессе чистки и мытья.
Пена – дисперсная система , в которой газ диспергирован в жидкой или твердой среде. Газ является дисперсной фазой , а жидкость или твердое вещество — дисперсионной средой . Когда среда жидкая, систему называют жидкой пеной ; когда он твердый, его называют твердой пеной , примерами которой являются пенопласты, пеностекло и пенобетон..
Обсуждаемый здесь тип пены относится к агрегации пузырьков газа, разделенных тонкими пленками жидкости. .
Поскольку дисперсная фаза (газ) и дисперсионная среда (жидкость) сильно различаются по плотности, а жидкость обычно имеет низкую вязкость, пузырьки газа быстро поднимаются на поверхность жидкости.
Процесс пенообразования предполагает введение в жидкость большого количества газа. В то время как большая часть пузырьков быстро выходит на поверхность, часть газа временно остается в ловушке, образуя скопление пузырьков, разделенных тонкими пленками жидкости..
Пена обладает двумя примечательными структурными характеристиками:
Форма многогранного пузыря.
Пузырьки газа в пене часто принимают многогранную форму. Это происходит потому, что в точках пересечения пузырьков пленки жидкости имеют тенденцию истончаться, заставляя пузырьки становиться многогранными. Когда пленка жидкости становится слишком тонкой, пузырьки лопаются.
Необходимость использования нескольких компонентов:
чистые жидкости не могут образовывать устойчивую пену. Для вспенивания требуется система, состоящая из двух или более компонентов. .
Водные растворы поверхностно-активных веществ являются типичными пенообразующими системами, и их пенообразующая способность тесно связана с другими свойствами, такими как поверхностное натяжение и вязкость.
Пенообразователи и стабилизаторы пены
Поверхностно-активные вещества, обладающие сильной пенообразующей способностью, называются пенообразователями. .
Хотя пенообразователи могут легко образовывать пену, полученная пена не обязательно может быть стабильной или долговечной.
Для поддержания стабильности пены часто добавляют Эти вещества помогают стабилизаторы пены . увеличить вязкость и прочность жидкой пленки, окружающей пузырьки, предотвращая их схлопывание.
К распространенным стабилизаторам пены относятся:
Диэтаноламид кокосового масла (лауриновый диэтаноламид)
Оксид лаурилдиметиламина
Пена является термодинамически нестабильной системой . Со временем естественная тенденция заключается в том, что пузырьки схлопываются, уменьшая общую площадь поверхности жидкости и, таким образом, уменьшая свободную энергию системы.
Процесс пенообразования включает в себя истончение и возможный разрыв жидкой пленки, разделяющей пузырьки газа. Поэтому устойчивость пены в основном зависит от скорости стекания жидкости и прочности пленки жидкости . На стабильность пены также влияют и другие факторы, как описано ниже.
① Поверхностное натяжение
С энергетической точки зрения низкое поверхностное натяжение способствует образованию пены, поскольку облегчает образование пузырьков; однако это не гарантирует стабильности пены.
Когда поверхностное натяжение низкое, разница давлений поперек пленки невелика, что замедляет дренаж жидкости и снижает скорость истончения пленки, что способствует стабильности пены.
② Поверхностная вязкость
Ключевым фактором, определяющим стабильность пены, является прочность пленки , которая в первую очередь определяется жесткостью поверхностного адсорбционного слоя , измеряемой поверхностной вязкостью .
. Эксперименты показывают, что растворы с более высокой поверхностной вязкостью образуют более долговечную пену. .
Это связано с тем, что более сильные межмолекулярные взаимодействия между молекулами поверхностно-активного вещества в адсорбционной пленке увеличивают прочность пленки, тем самым продлевая срок службы пены.
③ Вязкость раствора
Когда объемная вязкость жидкости увеличивается, дренаж жидкости из пленки становится более трудным.
В результате пленка истончается медленнее, что замедляет разрыв и улучшает стабильность пены.
④ «Восстановительный» эффект поверхностного натяжения
Молекулы ПАВ, адсорбированные на поверхности жидкой пленки, могут противостоять изменениям площади поверхности пленки — свойство, известное как восстановительный эффект..
Когда пленка расширяется, поверхностная концентрация молекул ПАВ уменьшается, вызывая увеличение поверхностного натяжения ; поэтому дальнейшее расширение требует дополнительной работы.
И наоборот, когда поверхность сжимается, поверхностная концентрация молекул поверхностно-активного вещества увеличивается, снижая поверхностное натяжение , которое сопротивляется дальнейшему сжатию.
Этот динамический баланс помогает поддерживать эластичность и целостность пенопластовой пленки.
⑤ Диффузия газа через пленку
Из-за капиллярного давления внутреннее давление мелких пузырьков выше, чем у крупных.
Это приводит к тому, что газ из более мелких пузырьков диффундирует через пленку жидкости в более крупные , что приводит к росту крупных пузырьков и исчезновению мелких, что в конечном итоге приводит к разрушению пены.
При наличии поверхностно-активных веществ пена становится более мелкой и однородной , а пенообразование подавляется.
Это связано с тем, что молекулы ПАВ образуют плотный, компактный слой на поверхности пленки, препятствуя диффузии газа и тем самым повышая стабильность пены..
⑥ Эффект поверхностного заряда
Если пленки пенопласта несут одинаковые заряды , две поверхности пленки отталкиваются друг от друга , предотвращая истончение и разрыв.
Ионные поверхностно-активные вещества могут обеспечить эффект электростатической стабилизации.
Краткое содержание
В заключение, прочность пленки является ключевым фактором, определяющим стабильность пены.
Для поверхностно-активных веществ, действующих как пенообразователи и стабилизаторы пены , решающее значение имеют компактность и прочность адсорбированного молекулярного слоя.
Когда взаимодействия между адсорбированными молекулами сильные, молекулярное расположение является плотным, что приводит к:
Более прочная поверхностная пленка с более высокой механической прочностью;
Более высокая поверхностная вязкость , что замедляет дренаж жидкости и сохраняет толщину пленки;
Сниженная газопроницаемость , что еще больше повышает стабильность пены.
Таким образом, плотно упакованная и эластичная адсорбционная пленка поверхностно-активных веществ обеспечивает длительную и стабильную пену — важное свойство во многих чистящих и промышленных составах.
Основной принцип разрушения пены заключается либо в изменении условий образования пены , либо в устранении факторов, стабилизирующих пену. .
Соответственно, существует два основных метода пенообразования : физический и химический..
① Физическое пеногасление
Физическое пеногашение предполагает изменение условий, благоприятствующих образованию пены, без изменения химического состава пенообразующего раствора.
К эффективным физическим методам относятся:
Механическое нарушение или возбуждение
Изменение температуры
Регулировка давления
Ультразвуковая обработка
Эти методы разрушают структуру пены, ускоряя слияние и разрыв пузырьков, тем самым устраняя пену.
② Химическое пеногасление
Химическое пеногасление предполагает добавление определенных веществ, которые взаимодействуют с пенообразователями , ослабляя пленку жидкости и снижая устойчивость пены.
Такие вещества известны как пеногасители (противовспениватели)..
Большинство пеногасителей представляют собой поверхностно-активные вещества , которые могут быстро растекаться по поверхности пены, снижать поверхностное натяжение и дестабилизировать пленку.
По механизму пенообразования эффективные пеногасители должны обладать:
Сильная способность снижать поверхностное натяжение.,
Высокая поверхностная активность с легкой адсорбцией на границе раздела и
Слабые межмолекулярные взаимодействия между адсорбированными молекулами, приводящие к образованию неплотно упакованного молекулярного слоя..
Распространенные типы пеногасителей
Хотя многие вещества могут действовать как пеногасители, большинство из них являются неионогенными поверхностно-активными веществами. .
Неионогенные поверхностно-активные вещества проявляют противовспенивающие свойства вблизи или выше точки помутнения и поэтому обычно используются в качестве пеногасителей.
Типичные пеногасители включают в себя:
Спирты , особенно спирты с разветвленной цепью.
Жирные кислоты и эфиры жирных кислот
Полиамиды
Эфиры фосфорной кислоты
Силиконовые масла (силиконы)
Эти соединения эффективно снижают поверхностное натяжение, нарушают эластичность пленки и способствуют быстрому схлопыванию пузырьков, обеспечивая эффективное и продолжительное пеногашение.
Пена и эффективность мытья не связаны напрямую — количество пены не обязательно говорит об эффективности очистки.
Например, неионогенные поверхностно-активные вещества производят гораздо меньше пены, чем мыло, однако их моющая способность (моющая способность) часто превосходит.
Однако при определенных условиях пена может помочь удалить грязь .
. Например:
При мытье посуды в домашних условиях пена помогает уносить капельки масла, оторвавшиеся от поверхности.
При чистке ковров пена помогает удалить пыль, порошок и другие твердые загрязнения..
Кроме того, пена иногда может служить визуальным индикатором хода очистки:
Подавление пенообразования маслянистыми загрязнениями: Жирные загрязнения препятствуют пенообразованию. При избытке масла или недостаточном количестве моющего средства пена образуется мало или вообще не образуется, либо существующая пена опадает, что сигнализирует о том, что требуется больше моющего средства.
Пена как индикатор полоскания: во время полоскания количество пены уменьшается по мере удаления остатков моющего средства. Таким образом, по количеству пены можно оценить, насколько тщательно был завершен процесс стирки или полоскания..
Таким образом, хотя пена сама по себе не усиливает моющие свойства напрямую, она может способствовать механической очистке и служить практическим индикатором эффективности стирки и полоскания.
В широком смысле под стиркой понимается процесс удаления нежелательных компонентов с объекта для достижения определенной цели.
В обычном понимании это означает удаление грязи или загрязнений с поверхности подложки (очищаемого материала)..
Во время стирки химические вещества, такие как моющие средства, ослабляют или устраняют взаимодействие между почвой и основанием. Это преобразует связь между почвой и субстратом в связь между почвой и моющим средством , позволяя почве отделяться от основы.
Поскольку как субстраты , так и типы почв сильно различаются, промывка представляет собой сложный физико-химический процесс. .
Основной механизм промывки можно представить следующей простой зависимостью:
Это показывает, что моющее средство заменяет подложку в качестве связующего партнера загрязнения, эффективно удаляя его.
Этапы процесса стирки
Процесс стирки обычно состоит из двух основных этапов :
Отделение:
Под действием моющего средства почва отделяется от основы.
Дисперсия и суспензия:
Отделившаяся почва диспергируется и суспендируется в моющей среде (обычно в воде).
Однако мытье – это обратимый процесс. .
Дисперсные или взвешенные частицы грязи иногда могут вновь оседать на очищаемой поверхности.
Следовательно, эффективное моющее средство должно не только обладать сильной способностью удалять грязь с основания, но также обладать хорошей дисперсионной , суспензией и свойствами, препятствующими повторному осаждению, чтобы предотвратить возвращение грязи на очищенную поверхность.
Даже для объектов одного и того же типа вид, состав и количество почвы могут сильно различаться в зависимости от условий использования.
Нефтяные почвы в основном включают животные и растительные масла , а также минеральные масла (такие как сырая нефть, мазут и каменноугольная смола).
Твердые почвы состоят в основном из сажи, пыли, ржавчины и технического углерода..
Для текстиля или одежды загрязнения могут возникать из самых разных источников:
Человеческое тело: пот, кожное сало и кровь.
Продукты питания: пятна от фруктов, растительное масло, соусы и остатки крахмала.
Косметика: помада, лак для ногтей и т. д.
Атмосферные источники: дым, пыль и грязь.
Прочее: чернила, чай, краски и многое другое.
Короче говоря, почвы разнообразны по типу и составу..
В целом почвы можно разделить на три основные категории : твердые почвы, , жидкие почвы и специальные почвы..
① Твердые почвы
Обычные твердые почвы включают пыль, грязь, глину, ржавчину и частицы технического углерода.
Большинство этих частиц несут электрические заряды , обычно отрицательные , что позволяет им легко адсорбироваться на волокнах или поверхностях. .
Твердые загрязнения обычно нерастворимы в воде , но могут быть диспергированы и суспендированы растворами моющих средств.
Чем мельче частицы почвы, тем труднее их удалить.
② Жидкие почвы
Жидкие почвы, как правило, маслорастворимы , включая животные и растительные масла, жирные кислоты, жирные спирты, минеральные масла и их окисленные производные ..
Животные и растительные масла, а также жирные кислоты могут подвергаться реакциям омыления щелочами.
Однако жирные спирты и минеральные масла не омыляются , но могут растворяться в органических растворителях , таких как спирты, эфиры и углеводороды, а также эмульгироваться и диспергироваться водными растворами моющих средств.
Маслорастворимые жидкие загрязнения, как правило, имеют сильную адгезию к волокнам, и поэтому их труднее удалить..
③ Специальные почвы
К особым загрязнениям относятся белки, крахмал, кровь, выделения человека (например, пот, кожное сало и моча), а также фруктовый сок, пятна от чая и т. д.
Эти загрязнения часто прочно связываются с волокнами в результате химических взаимодействий , что затрудняет их очистку..
В действительности разные грунты редко существуют изолированно — зачастую они смешиваются между собой и одновременно адсорбируются на поверхности объекта.
Более того, под воздействием окружающей среды почвы могут подвергаться окислению, разложению или разложению , что приводит к образованию новых загрязнений , которые еще труднее удалить.
Одежда, кожа и другие поверхности загрязняются из-за взаимодействия между почвой и подложкой. .
Прилипание загрязнений можно в общих чертах разделить на физическую адгезию и химическую адгезию..
① Физическая адгезия
Физическая адгезия возникает, когда такие частицы, как сажа, пыль, грязь и технический углерод, прикрепляются к тканям или поверхностям.
В общем, этот тип адгезии предполагает относительно слабые силы , поэтому его легче удалить по сравнению с химической адгезией.
В зависимости от характера действующих сил физическую адгезию можно разделить на механическую и электростатическую..
А. Механическая адгезия.
Этот тип в основном относится к прикреплению твердых частиц (таких как пыль и песок) к поверхности.
Это самая слабая форма адгезии , и такие загрязнения часто можно удалить простыми механическими способами (например, встряхиванием или щеткой).
Однако когда частицы почвы очень малы (менее 0,1 мкм), их гораздо труднее удалить из-за большой площади поверхности и более сильного физического притяжения.
B. Электростатическая адгезия
Электростатическая адгезия возникает, когда заряженные частицы почвы притягиваются к поверхностям с противоположным зарядом. .
Большинство волокнистых материалов приобретают отрицательный заряд в воде и, таким образом, легко притягивают положительно заряженные частицы , такие как известь (CaO, CaCO₃).
Некоторые отрицательно заряженные почвы, такие как частицы технического углерода в водном растворе, все еще могут прилипать к волокнам через ионные мостики , где положительные ионы (например, Ca² ⁺, Mg ² ⁺) связывают противоположно заряженные участки на почве и субстрате.
Электростатическая адгезия сильнее простой механической , поэтому такие загрязнения удалить труднее..
② Химическая адгезия
Химическая адгезия относится к соединению почвы с поверхностью посредством химических связей или водородных связей. .
Примеры включают полярные почвы, белки и ржавчину , которые прочно прилипают к волокнистым материалам.
Волокна часто содержат карбоксильные, гидроксильные и амидные группы , которые могут образовывать водородные связи с жирными кислотами и жирными спиртами, присутствующими в маслянистых почвах.
Поскольку силы химического связывания относительно велики, прилипшие таким образом загрязнения прочно прилипают и их трудно удалить обычной промывкой. .
Часто требуются специальные методы очистки или химическая обработка.
Факторы, влияющие на прочность сцепления почвы
Степень сцепления зависит как от характера грунта , так и от особенностей поверхности, к которой он прилипает.
Размер частиц: более мелкие твердые частицы сильнее прилипают к поверхности.
Тип поверхности: твердые частицы почвы легче прилипают к волокнистым материалам..
Полярность: На гидрофильных поверхностях (например, хлопке, стекле) полярные почвы прилипают сильнее, чем неполярные.
Загрязнения на масляной основе: неполярные загрязнения (например, маслянистые или жирные вещества) обычно обладают более сильной адгезией, чем полярные загрязнения, такие как пыль или глина, и поэтому их труднее удалить..
Основной целью стирки является удаление загрязнений и загрязнений. .
В среде с определенной температурой (обычно в воде ) физико-химические действия моющих средств используются для ослабления или устранения взаимодействия между загрязнениями и субстратом (загрязненным материалом).
Под действием механических сил , таких как трение рук, перемешивание в стиральной машине или поток воды, грязь отделяется от поверхности, достигая цели очистки.
А. Смачивание
Большинство жидких загрязнений представляют собой маслянистые загрязнения. .
Масло может легко смачивать и распространяться по большинству текстильных поверхностей, образуя тонкую масляную пленку на волокнах.
Таким образом, первым этапом процесса стирки является смачивание поверхности раствором моющего средства. .
Для простоты поверхность волокна можно рассматривать как гладкую твердую поверхность , где моющее средство снижает поверхностное натяжение воды, позволяя моющей жидкости распространяться и проникать более эффективно.
B. Механизм отделения и свертывания.
Вторым этапом является удаление масляной пленки , которое происходит с помощью механизма свертывания .
. Первоначально масло существует в виде тонкой непрерывной пленки, растекающейся по твердой поверхности.
Поскольку раствор моющего средства преимущественно смачивает твердую (волокнистую) поверхность , масляная пленка постепенно сжимается в капли. .
Эти капли масла затем вытесняются промывочной жидкостью и под действием механического перемешивания или усилий сдвига полностью отделяются от поверхности и уносятся моющей средой.
② Механизм удаления твердых загрязнений
В отличие от удаления жидких (маслянистых) загрязнений, которое в первую очередь зависит от преимущественного смачивания поверхности подложки промывочной жидкостью, удаление твердых загрязнений происходит по несколько иному механизму.
Ключевым процессом при мойке является смачивание как частиц загрязнения, так и поверхности основания раствором моющего средства.
ПАВ адсорбируются на поверхности как твердых частиц почвы , так и субстрата , тем самым уменьшая межфазное взаимодействие между ними.
Эта адсорбция снижает прочность сцепления частиц почвы с подложкой, что облегчает отделение и удаление почвы .
Роль электростатических эффектов
Более того, ПАВ, особенно ионные ПАВ , могут существенно влиять на поверхностный потенциал как твердых частиц почвы, так и субстрата.
В водных средах большинство твердых и волокнистых поверхностей несут отрицательные заряды , образуя вокруг своей поверхности диффузные двойные слои .
Поскольку одноименные заряды отталкиваются, это электростатическое отталкивание ослабляет сцепление между частицами почвы и поверхностью.
Добавление анионных поверхностно-активных веществ еще больше увеличивает отрицательный поверхностный потенциал как частиц почвы, так и субстрата.
В результате сила отталкивания между ними усиливается, прочность сцепления снижается , и загрязнения легче удаляются..
Неионовые поверхностно -активные вещества
Неионогенные поверхностно-активные вещества также могут адсорбироваться на заряженных твердых поверхностях, хотя они существенно не изменяют поверхностный потенциал.
Однако адсорбированный неионогенный слой может образовывать защитную пленку измеримой толщины, что помогает предотвратить повторное осаждение отслоившихся загрязнений на очищаемую поверхность.
Катионные поверхностно-активные вещества
Напротив, катионные поверхностно-активные вещества имеют тенденцию уменьшать или нейтрализовать отрицательный поверхностный потенциал как частиц почвы, так и субстрата.
Это уменьшает электростатическое отталкивание и увеличивает вероятность повторного прилипания , что неблагоприятно для удаления загрязнений. .
Кроме того, как только катионные поверхностно-активные вещества адсорбируются, они могут сделать поверхность гидрофобной , что снижает смачиваемость и, следовательно, ухудшает эффективность мытья..
③ Удаление особых загрязнений
Загрязнения, такие как белки, крахмалы, человеческие выделения, фруктовые соки и пятна от чая, трудно удалить с помощью одних только обычных поверхностно-активных веществ и поэтому требуют специальных методов обработки..
Белковые почвы
Белковые загрязнения, такие как сливки, яйца, кровь, молоко и кожные выделения , имеют тенденцию коагулировать и денатурировать при контакте с волокнами, образуя прочно прилипшие отложения. .
Их можно эффективно удалить с помощью протеолитических ферментов (протеаз) , которые катализируют гидролиз белков в почве до водорастворимых аминокислот или небольших пептидов , что позволяет их смыть.
Крахмалистые почвы
Крахмальные загрязнения возникают в основном из пищевых источников, таких как подливки, пасты или соусы. .
Ферменты амилазы могут катализировать гидролиз крахмала на более мелкие молекулы сахара , тем самым облегчая их удаление во время стирки.
Жирные почвы
Ферменты липазы используются для катализа разложения загрязнений триглицеридного типа , которые часто трудно удалить обычными методами.
К ним относятся кожный жир, пищевые масла и жиры. .
Липаза расщепляет триглицериды на глицерин и жирные кислоты , которые более растворимы и легко удаляются моющими средствами.
Цветные и пигментированные пятна
Некоторые цветные загрязнения , например, от фруктового сока, чая, чернил или губной помады , часто трудно удалить полностью даже после многократного мытья.
Эти пятна можно обработать с помощью окислителей или восстановителей (например, отбеливателя, перекиси водорода или дитионита натрия), которые вызывают окислительно-восстановительные реакции , разрушающие хромофорные и ауксохромные группы в молекулах красителей.
Эта реакция разлагает пигменты на более мелкие водорастворимые соединения , что позволяет их удалить.
Механизмы стирки, рассмотренные выше, в основном относятся к стирке в воде , где вода служит чистящей средой. .
Однако из-за различий в типах и структурах тканей стирка в воде не всегда подходит или эффективна для всех предметов одежды.
В некоторых случаях стирка в воде может даже вызвать деформацию ткани, выцветание цвета или изменение текстуры..
Например:
Большинство натуральных волокон впитывают воду и легко набухают, а затем сжимаются во время высыхания, что приводит к искажению или деформации..
Шерстяные ткани имеют тенденцию сжиматься и ощущаться после стирки в воде.
Некоторые смеси шерсти могут скатываться или терять цвет..
Шелковые ткани после стирки в воде часто становятся грубее и менее блестящими .
По этим причинам такую одежду часто чистят методом сухой чистки..
Принципы химчистки
Химическая чистка — это процесс стирки, в котором в качестве среды используются органические растворители , особенно неполярные растворители , вместо воды.
По сравнению с мытьем водой химчистка является более мягким процессом очистки..
Поскольку требует химическая чистка меньшего механического перемешивания , она вызывает минимальное повреждение, образование складок или деформацию одежды.
Кроме того, растворители для химической чистки, в отличие от воды, не вызывают набухания или усадки волокон , сохраняя первоначальную форму, цвет и текстуру ткани.
При правильном обращении химчистка позволяет добиться отличных результатов, сохраняя при этом стабильные размеры одежды, стойкость цвета и долговечность..
Виды загрязнений в химчистке и механизмы их удаления
С точки зрения химической чистки загрязнения обычно можно разделить на три категории в зависимости от их характеристик растворимости:
① Маслорастворимые почвы
Маслорастворимые загрязнения включают в себя различные масла и жиры — в жидкой или полутвердой (жирной) форме, — которые легко растворяются в растворителях для химической чистки. .
К ним относятся животные и растительные масла, минеральные масла и жиры. .
Превосходная растворяющая способность растворителей для химической чистки масел и жиров обусловлена прежде всего межмолекулярными силами Ван-дер-Ваальса , которые обеспечивают эффективное растворение и удаление таких загрязнений.
② Водорастворимые почвы
Водорастворимые загрязнения могут растворяться в воде , но не в растворителях для химической чистки. .
Обычно они впитываются тканями в водной форме, а после испарения воды осаждаются в виде твердых остатков, таких как неорганические соли, крахмал и белки..
Чтобы удалить эти загрязнения во время химической чистки, в растворитель для химической чистки необходимо добавить в противном случае водорастворимые загрязнения не могут быть эффективно удалены. небольшое количество воды ;
Однако, поскольку вода лишь незначительно смешивается с неполярными растворителями для химической чистки, , для улучшения совместимости необходимо добавлять поверхностно-активные вещества .
Присутствие воды в растворителе для химической чистки обеспечивает гидратацию как почвы, так и поверхности ткани, способствуя взаимодействию между полярными группами поверхностно-активного вещества и поверхностью. .
Кроме того, когда образуются мицеллы поверхностно-активного вещества, как водорастворимые загрязнения, так и вода могут растворяться внутри мицелл , что позволяет им уноситься растворителем.
Помимо повышения содержания воды, поверхностно-активные вещества также предотвращают повторное отложение отслоившихся загрязнений, тем самым повышая общую эффективность очистки.
Поэтому небольшое количество воды , но для удаления водорастворимых загрязнений необходимо избыток воды может вызвать деформацию или сморщивание ткани. .
Следовательно, содержание воды в составах для химической чистки необходимо тщательно контролировать..
③ Нерастворимые загрязнения (нерастворимые как в воде, так и в растворителе)
Некоторые загрязнения, такие как пыль, грязь, глина и сажа , нерастворимы ни в воде, ни в растворителях для химической чистки. .
Эти твердые частицы обычно прилипают к тканям за счет электростатического притяжения или связывания маслянистых остатков..
При химической чистке механическое воздействие потока растворителя и турбулентность помогают удалить загрязнения, удерживаемые электростатическими силами.
При этом растворитель растворяет маслянистые компоненты , высвобождая попавшие в них твердые частицы.
Небольшое количество воды и поверхностно-активного вещества, присутствующее в растворителе для химической чистки, помогает диспергировать и суспендировать эти отслоившиеся частицы, предотвращая их повторное осаждение на поверхности ткани.
Таким образом, эффективная химчистка зависит от сбалансированного взаимодействия растворителя, контролируемой влажности и активности поверхностно-активных веществ для удаления широкого спектра загрязнений — нефтерастворимых, водорастворимых или нерастворимых.
Направленная адсорбция молекул ПАВ на границах раздела и снижение поверхностного или межфазного натяжения являются основными механизмами удаления жидких и твердых загрязнений.
Однако процесс стирки довольно сложен, и даже для одного и того же типа моющего средства на эффективность очистки может влиять множество дополнительных факторов, включая концентрацию моющего средства, температуру, характер загрязнения, тип волокна и структуру ткани..
① Концентрация поверхностно-активных веществ
Мицеллы , образуемые поверхностно-активными веществами в растворе, играют решающую роль в процессе мытья.
Когда концентрация ПАВ достигает критической концентрации мицелл (ККМ) , эффективность стирки резко возрастает. .
Поэтому для достижения хороших результатов очистки концентрация моющего средства должна быть выше ККМ..
Однако, как только концентрация превышает ККМ, дальнейшее увеличение концентрации поверхностно-активного вещества приводит лишь к незначительному повышению эффективности стирки.
Таким образом, чрезмерное добавление поверхностно-активного вещества сверх оптимального уровня является ненужным и неэкономичным..
При удалении маслянистых загрязнений посредством солюбилизации , даже выше ККМ, солюбилизирующая способность ПАВ продолжает увеличиваться с концентрацией.
Следовательно, иногда полезно наносить моющее средство локально на сильно загрязненные участки (например, воротники и манжеты), где более высокие локализованные концентрации могут улучшить растворение и удаление маслянистых загрязнений.
② Влияние температуры
Температура оказывает существенное влияние на процесс стирки.
В целом повышение температуры способствует удалению почвы , но чрезмерно высокие температуры иногда могут иметь неблагоприятные последствия.
Повышение температуры усиливает диффузию загрязнений , а твердые или жирные загрязнения легче эмульгируются , если температура превышает точку их плавления. .
Более высокие температуры также вызывают набухание волокон , что может способствовать отделению загрязнений от поверхности волокон.
В совокупности эти факторы способствуют повышению эффективности очистки.
Однако в случае плотных тканей чрезмерное набухание волокон может уменьшить микрозазоры между волокнами , что затруднит проникновение моющего раствора и удаление загрязнений.
Температура также влияет на растворимость поверхностно-активных веществ , их критическую концентрацию мицелл (ККМ) , а также размер и количество мицелл , тем самым влияя на общий эффект стирки.
Для поверхностно-активных веществ с длинной цепью растворимость относительно низкая при более низких температурах — иногда даже ниже их значения ККМ . В таких случаях температуру стирки следует соответствующим образом повысить..
Для ионных поверхностно-активных веществ повышение температуры обычно приводит к повышению ККМ и уменьшению количества мицелл , а это означает, что для поддержания эффективности очистки требуется более высокая концентрация поверхностно-активного вещества .
Для неионогенных поверхностно-активных веществ повышение температуры имеет тенденцию к уменьшению ККМ и увеличению образования мицелл , тем самым повышая поверхностную активность . Однако температура не должна превышать точку помутнения , после которой растворимость ПАВ снижается и характеристики ухудшаются.
Таким образом, оптимальная температура стирки зависит как от состава моющего средства, так и от характера очищаемой ткани .
Некоторые моющие средства эффективно действуют при комнатной температуре , в то время как другие демонстрируют значительную разницу в очищающей способности при холодной и горячей стирке..
③ Пена
Люди часто ошибочно связывают пенообразующую способность с эффективностью очистки , полагая, что моющее средство, которое производит больше пены, должно очищать лучше.
Однако исследования показали, что эффективность стирки не связана напрямую с объемом пены. .
Например, низкопенящиеся моющие средства могут очищать так же эффективно, как и высокопенящиеся..
Хотя пена сама по себе не способствует очистке напрямую, в некоторых случаях она может помочь в удалении загрязнений. .
Например:
При мытье посуды вручную пена в растворе моющего средства может уносить капли масла , оторвавшиеся от поверхности.
При чистке ковров пена может улавливать и удалять пыль и твердые частицы грязи. .
Поскольку пыль составляет большую часть загрязнений ковров , средства для чистки ковров обычно имеют умеренную пенообразующую способность..
Пенообразующая способность также является важным фактором в шампунях и средствах для мытья тела .
. Во время мытья или купания мелкая кремообразная пена создает приятное, гладкое и комфортное ощущение , повышая удобство использования.
④ Тип волокна и физические свойства тканей
Помимо химического состава волокон, морфология поверхности, , крутка пряжи и структура ткани также влияют на то, насколько легко загрязнения прилипают к тканям и удаляются с них.
Шерстяные волокна с чешуйчатой поверхностью и хлопковые волокна с плоской, скрученной лентообразной формой склонны улавливать больше почвы, чем гладкие волокна.
Например, технический углерод, прилипший к целлюлозной пленке (вискозной пленке), легко удаляется, тогда как технический углерод на хлопчатобумажной ткани отмыть гораздо труднее.
Ткани из полиэстера с короткими волокнами накапливают больше маслянистых загрязнений, чем ткани с длинными волокнами , а маслянистые загрязнения на тканях с короткими волокнами сложнее удалить..
Туго скрученная пряжа и плотные ткани противостоят первоначальному загрязнению, поскольку микроскопические зазоры между волокнами меньше , что затрудняет проникновение грязи.
Однако, как только они загрязняются, эти плотные структуры также препятствуют проникновению моющего раствора , что затрудняет удаление грязи..
Таким образом, структура и текстура тканей могут как улучшить устойчивость к загрязнению , так и усложнить очистку , в зависимости от того, как волокна взаимодействуют с почвой и моющим средством.
⑤ Жесткость воды
Концентрация ионов металлов , таких как Ca² ⁺ и Mg² ⁺ , в воде оказывает существенное влияние на эффективность стирки.
В частности, анионные ПАВ при реакции с этими ионами склонны образовывать нерастворимые соли кальция и магния , что значительно снижает их моющую способность..
Даже когда концентрация ПАВ в жесткой воде относительно высока, эффективность очистки все равно намного ниже, чем в дистиллированной или мягкой воде..
Для достижения оптимальных результатов стирки концентрация ионов Ca² ⁺ в воде должна быть ниже 1 × 10 ⁻⁶ моль/л (что эквивалентно менее 0,1 мг/л в пересчете на CaCO ₃ ).
Поэтому в составы моющих средств необходимо добавлять средства для смягчения воды для удаления или связывания ионов Ca²⁺ и Mg²⁺.
