۱. کشش سطحی
نیروی انقباض در واحد طول بر روی سطح مایع، کشش سطحی نامیده میشود که با واحد N • m-1 اندازهگیری میشود.
۲. فعالیت سطحی و سورفکتانت
خاصیتی که میتواند کشش سطحی حلالها را کاهش دهد، فعالیت سطحی نامیده میشود و موادی که فعالیت سطحی دارند، مواد فعال سطحی نامیده میشوند.
سورفکتانت به مواد فعال سطحی اطلاق میشود که میتوانند در محلولهای آبی میسل و سایر تجمعات را تشکیل دهند، فعالیت سطحی بالایی دارند و همچنین دارای عملکردهای خیساندن، امولسیون کنندگی، کف کنندگی، شستشو و سایر موارد هستند.
۳. ویژگیهای ساختاری مولکولی سورفکتانت
سورفکتانتها ترکیبات آلی با ساختار و خواص ویژه هستند که میتوانند کشش سطحی بین دو فاز یا کشش سطحی مایعات (معمولاً آب) را به طور قابل توجهی تغییر دهند و دارای خواصی مانند مرطوبکنندگی، کفکنندگی، امولسیونکنندگی و شویندگی میباشند.
از نظر ساختاری، سورفکتانتها یک ویژگی مشترک دارند و آن داشتن دو گروه عاملی مختلف در مولکولهایشان است. یک سر آن یک گروه غیرقطبی با زنجیره بلند است که در روغن محلول اما در آب نامحلول است و به عنوان یک گروه آبگریز یا گروه آبگریز شناخته میشود. این گروههای آبگریز عموماً هیدروکربنهای با زنجیره بلند هستند، گاهی اوقات فلوئور آلی، ارگانوسیلیکون، ارگانوفسفر، زنجیرههای ارگانوتین و غیره نیز وجود دارند. سر دیگر آن یک گروه عاملی محلول در آب است که به آن یک گروه آبدوست یا گروه آبدوست میگویند. گروه آبدوست باید آبدوستی کافی داشته باشد تا اطمینان حاصل شود که کل سورفکتانت در آب محلول است و حلالیت لازم را دارد. به دلیل وجود گروههای آبدوست و آبگریز در سورفکتانتها، آنها میتوانند حداقل در یک فاز از فاز مایع حل شوند. خواص آبدوستی و روغندوستی سورفکتانتها، آمفیفیلیسیت نامیده میشود.
۴. انواع سورفکتانتها
سورفکتانتها مولکولهای آمفیفیلی هستند که هم گروههای آبگریز و هم گروههای آبدوست دارند. گروههای آبگریز سورفکتانتها عموماً از هیدروکربنهای زنجیره بلند مانند آلکیل C8-C20 با زنجیره مستقیم، آلکیل C8-C20 با زنجیره شاخهدار، آلکیل فنیل (با 8-16 اتم کربن آلکیل) و غیره تشکیل شدهاند. تفاوت در گروههای آبگریز عمدتاً در تغییرات ساختاری زنجیرههای هیدروژن کربن است که تفاوتهای نسبتاً کمی دارند، در حالی که انواع بیشتری از گروههای آبدوست وجود دارد. بنابراین، خواص سورفکتانتها علاوه بر اندازه و شکل گروههای آبگریز، عمدتاً به گروههای آبدوست نیز مربوط میشود. تغییرات ساختاری گروههای آبدوست بیشتر از گروههای آبگریز است، بنابراین طبقهبندی سورفکتانتها عموماً بر اساس ساختار گروههای آبدوست است. این طبقهبندی عمدتاً بر اساس یونی بودن گروههای آبدوست است و آنها را به آنیونی، کاتیونی، غیریونی، زویتریونیک و سایر انواع خاص سورفکتانتها تقسیم میکند.
۵. ویژگیهای محلول آبی سورفکتانت
۱. جذب سطحی سورفکتانتها در سطوح مشترک
مولکولهای سورفکتانت دارای گروههای لیپوفیلیک و هیدروفیلیک هستند که آنها را به مولکولهای آمفیفیلیک تبدیل میکند. آب یک مایع به شدت قطبی است. هنگامی که سورفکتانتها در آب حل میشوند، طبق اصل تشابه قطبیت و دافعه اختلاف قطبیت، گروههای هیدروفیل آنها به فاز آب جذب شده و در آب حل میشوند، در حالی که گروههای لیپوفیلیک آنها آب را دفع کرده و آب را ترک میکنند. در نتیجه، مولکولهای سورفکتانت (یا یونها) در سطح مشترک بین دو فاز جذب میشوند و کشش سطحی بین دو فاز را کاهش میدهند. هرچه مولکولهای سورفکتانت (یا یونها) بیشتری روی سطح مشترک جذب شوند، کاهش کشش سطحی بیشتر میشود.
② برخی از خواص غشای جذب
فشار سطحی غشای جذب: سورفکتانتها در سطح مشترک گاز-مایع جذب میشوند تا یک غشای جذب تشکیل دهند. اگر یک صفحه شناور متحرک بدون اصطکاک روی سطح مشترک قرار گیرد و صفحه شناور، غشای جذب را در امتداد سطح محلول هل دهد، غشا فشاری بر صفحه شناور اعمال میکند که به آن فشار سطحی میگویند.
ویسکوزیته سطح: مانند فشار سطح، ویسکوزیته سطح خاصیتی است که توسط لایههای مولکولی نامحلول نشان داده میشود. یک حلقه پلاتینی را با یک سیم فلزی نازک آویزان کنید، صفحه آن را با سطح آب سینک تماس دهید، حلقه پلاتینی را بچرخانید، حلقه پلاتینی توسط ویسکوزیته آب متوقف میشود و دامنه به تدریج کاهش مییابد، که بر اساس آن میتوان ویسکوزیته سطح را اندازهگیری کرد. روش کار این است: ابتدا آزمایشهایی را روی سطح آب خالص انجام دهید، میرایی دامنه را اندازهگیری کنید، سپس میرایی را پس از تشکیل ماسک صورت سطحی اندازهگیری کنید و ویسکوزیته ماسک صورت سطحی را از اختلاف بین این دو محاسبه کنید.
ویسکوزیته سطح ارتباط نزدیکی با استحکام ماسک صورت سطحی دارد. از آنجایی که فیلم جذب دارای فشار سطحی و ویسکوزیته است، باید الاستیک باشد. هرچه فشار سطحی و ویسکوزیته غشای جذب بیشتر باشد، مدول الاستیک آن بیشتر است. مدول الاستیک فیلم جذب سطحی در فرآیند تثبیت فوم از اهمیت بالایی برخوردار است.
③ تشکیل میسلها
محلول رقیق سورفکتانتها از قوانین محلولهای ایدهآل پیروی میکند. مقدار جذب سورفکتانتها روی سطح یک محلول با غلظت محلول افزایش مییابد. هنگامی که غلظت به مقدار مشخصی میرسد یا از آن فراتر میرود، مقدار جذب دیگر افزایش نمییابد. این مولکولهای سورفکتانت اضافی در محلول، نامنظم یا به صورت منظم وجود دارند. هم در عمل و هم در تئوری نشان داده شده است که آنها در محلول تجمعاتی تشکیل میدهند که میسل نامیده میشوند.
غلظت بحرانی میسل: حداقل غلظتی که در آن سورفکتانتها در محلول تشکیل میسل میدهند، غلظت بحرانی میسل نامیده میشود.
④ مقدار CMC سورفکتانت رایج.
۶. مقدار تعادل آبدوستی و روغندوستی
HLB مخفف تعادل آبدوستی-لیپوفیلی است که نشان دهنده مقادیر تعادل آبدوستی و چربیدوستی گروههای آبدوست و چربیدوست یک سورفکتانت، یعنی مقدار HLB سورفکتانت، میباشد. مقدار HLB بالا نشان دهنده آبدوستی قوی و چربیدوستی ضعیف مولکول است. در مقابل، دارای چربیدوستی قوی و آبدوستی ضعیف است.
۱. مقررات مربوط به ارزش HLB
مقدار HLB یک مقدار نسبی است، بنابراین هنگام فرموله کردن مقدار HLB، به عنوان یک استاندارد، مقدار HLB پارافین بدون خاصیت آبدوستی روی ۰ تنظیم میشود، در حالی که مقدار HLB سدیم دودسیل سولفات با حلالیت قوی در آب روی ۴۰ تنظیم میشود. بنابراین، مقدار HLB سورفکتانتها عموماً در محدوده ۱ تا ۴۰ قرار دارد. به طور کلی، امولسیفایرهایی با مقادیر HLB کمتر از ۱۰، چربیدوست هستند، در حالی که امولسیفایرهایی با مقادیر HLB بیشتر از ۱۰، آبدوست هستند. بنابراین، نقطه عطف از چربیدوستی به آبدوستی تقریباً ۱۰ است.
۷. اثرات امولسیونسازی و انحلالپذیری
دو مایع امتزاجناپذیر، که یکی با پراکنده شدن ذرات (قطرات یا کریستالهای مایع) در دیگری تشکیل میشود، امولسیون نامیده میشوند. هنگام تشکیل امولسیون، سطح مشترک بین دو مایع افزایش مییابد و سیستم را از نظر ترمودینامیکی ناپایدار میکند. برای تثبیت امولسیون، باید یک جزء سوم - امولسیفایر - برای کاهش انرژی سطح مشترک سیستم اضافه شود. امولسیفایرها متعلق به سورفکتانتها هستند و عملکرد اصلی آنها عمل به عنوان امولسیفایر است. فازی که قطرات در امولسیون وجود دارند، فاز پراکنده (یا فاز داخلی، فاز ناپیوسته) و فاز دیگر که به هم متصل است، محیط پراکنده (یا فاز خارجی، فاز پیوسته) نامیده میشود.
① امولسیفایرها و امولسیونها
امولسیونهای رایج از یک فاز آب یا محلول آبی و فاز دیگر ترکیبات آلی که با آب امتزاجناپذیرند، مانند روغنها، مومها و غیره، تشکیل شدهاند. امولسیون تشکیل شده توسط آب و روغن را میتوان بر اساس پراکندگی آنها به دو نوع تقسیم کرد: روغن پراکنده در آب، امولسیون آب در روغن را تشکیل میدهد که با O/W (روغن/آب) نشان داده میشود؛ آب پراکنده در روغن، امولسیون آب در روغن را تشکیل میدهد که با W/O (آب/روغن) نشان داده میشود. علاوه بر این، امولسیونهای آب پیچیده در روغن در آب W/O/W و روغن در آب در روغن O/W/O نیز ممکن است تشکیل شوند.
امولسیفایر با کاهش کشش سطحی و تشکیل یک ماسک صورت تک لایه، امولسیون را تثبیت میکند.
الزامات امولسیفایرها در امولسیونسازی: الف) امولسیفایرها باید بتوانند در سطح مشترک بین دو فاز جذب یا غنی شوند و کشش سطحی را کاهش دهند؛ ب) امولسیفایرها باید به ذرات بار الکتریکی بدهند که باعث دافعه الکترواستاتیکی بین ذرات یا تشکیل یک فیلم محافظ پایدار و بسیار چسبناک در اطراف ذرات شود. بنابراین، موادی که به عنوان امولسیفایرها استفاده میشوند باید دارای گروههای آمفیفیلیک باشند تا اثرات امولسیونکنندگی داشته باشند و سورفکتانتها میتوانند این الزام را برآورده کنند.
② روشهای تهیه امولسیونها و عوامل مؤثر بر پایداری امولسیون
دو روش برای تهیه امولسیون وجود دارد: یکی استفاده از روشهای مکانیکی برای پراکنده کردن مایع به ذرات کوچک در مایع دیگر است که معمولاً در صنعت برای تهیه امولسیون استفاده میشود؛ روش دیگر حل کردن یک مایع در حالت مولکولی در مایع دیگر و سپس اجازه دادن به آن برای تجمع مناسب و تشکیل امولسیون است.
پایداری امولسیونها به توانایی آنها در مقاومت در برابر تجمع ذرات و ایجاد جدایی فاز اشاره دارد. امولسیونها سیستمهای ترمودینامیکی ناپایدار با انرژی آزاد قابل توجه هستند. بنابراین، پایداری یک امولسیون در واقع به زمان لازم برای رسیدن سیستم به حالت تعادل اشاره دارد، یعنی زمان لازم برای جداسازی یک مایع در سیستم.
وقتی مولکولهای آلی قطبی مانند الکل چرب، اسید چرب و آمین چرب در ماسک صورت وجود داشته باشند، قدرت غشاء به طور قابل توجهی افزایش مییابد. این به این دلیل است که مولکولهای امولسیفایر در لایه جذب سطحی با مولکولهای قطبی مانند الکل، اسید و آمین واکنش میدهند و یک "کمپلکس" تشکیل میدهند که باعث افزایش قدرت ماسک صورت سطحی میشود.
امولسیفایرهایی که از دو یا چند سورفکتانت تشکیل شدهاند، امولسیفایرهای مخلوط نامیده میشوند. امولسیفایرهای مخلوط روی سطح مشترک آب/روغن جذب میشوند و برهمکنشهای بین مولکولی میتوانند کمپلکس تشکیل دهند. به دلیل برهمکنش قوی بین مولکولی، کشش بین سطحی به طور قابل توجهی کاهش مییابد، مقدار امولسیفایر جذب شده روی سطح مشترک به طور قابل توجهی افزایش مییابد و چگالی و استحکام ماسک صورت بین سطحی تشکیل شده افزایش مییابد.
بار قطرات تأثیر قابل توجهی بر پایداری امولسیونها دارد. امولسیونهای پایدار معمولاً قطراتی با بار الکتریکی دارند. هنگام استفاده از امولسیفایرهای یونی، یونهای امولسیفایر جذبشده روی سطح مشترک، گروههای لیپوفیل خود را وارد فاز روغنی میکنند، در حالی که گروههای هیدروفیل در فاز آبی قرار دارند و در نتیجه قطرات باردار میشوند. با توجه به اینکه قطرات امولسیون بار یکسانی دارند، یکدیگر را دفع میکنند و به راحتی تجمع نمییابند و در نتیجه پایداری افزایش مییابد. میتوان مشاهده کرد که هرچه یونهای امولسیفایر بیشتری روی قطرات جذب شوند، بار آنها بیشتر و توانایی آنها در جلوگیری از ادغام قطرات بیشتر میشود و سیستم امولسیون را پایدارتر میکند.
ویسکوزیته محیط پخش امولسیون تأثیر خاصی بر پایداری امولسیون دارد. به طور کلی، هرچه ویسکوزیته محیط پخش بیشتر باشد، پایداری امولسیون نیز بیشتر است. دلیل این امر بالا بودن ویسکوزیته محیط پخش است که به شدت مانع حرکت براونی قطرات مایع میشود، برخورد بین قطرات را کند میکند و سیستم را پایدار نگه میدارد. مواد پلیمری که معمولاً در امولسیونها محلول هستند، میتوانند ویسکوزیته سیستم را افزایش داده و پایداری امولسیون را افزایش دهند. علاوه بر این، پلیمر همچنین میتواند یک ماسک صورت با سطح مشترک جامد تشکیل دهد و سیستم امولسیون را پایدارتر کند.
در برخی موارد، افزودن پودر جامد نیز میتواند امولسیون را پایدار کند. پودر جامد در آب، روغن یا در سطح مشترک نیست، که به قابلیت خیس شدن روغن و آب روی پودر جامد بستگی دارد. اگر پودر جامد به طور کامل توسط آب خیس نشود و بتواند توسط روغن خیس شود، در سطح مشترک آب و روغن باقی میماند.
دلیل اینکه پودر جامد امولسیون را پایدار نمیکند این است که پودر جمع شده در سطح مشترک، ماسک صورت سطح مشترک را تقویت نمیکند، که مشابه مولکولهای امولسیفایر جذب سطح مشترک است. بنابراین، هرچه ذرات پودر جامد در سطح مشترک به هم نزدیکتر چیده شوند، امولسیون پایدارتر خواهد بود.
سورفکتانتها پس از تشکیل میسل در محلول آبی، توانایی افزایش قابل توجه حلالیت ترکیبات آلی که در آب نامحلول یا کمی محلول هستند را دارند و محلول در این زمان شفاف است. به این اثر میسلها، حلکنندگی میگویند. سورفکتانتهایی که میتوانند اثرات حلکنندگی ایجاد کنند، حلکننده و ترکیبات آلی که حل میشوند، ترکیبات حلشونده نامیده میشوند.
۸. فوم
فوم نقش مهمی در فرآیند شستشو ایفا میکند. فوم به سیستم پراکندگی اطلاق میشود که در آن گاز در مایع یا جامد پراکنده میشود. گاز فاز پراکندگی است و مایع یا جامد محیط پراکندگی است. اولی فوم مایع نامیده میشود، در حالی که دومی فوم جامد نامیده میشود، مانند پلاستیک فوم، شیشه فوم، سیمان فوم و غیره.
(1) تشکیل کف
کف در اینجا به تجمع حبابهایی اشاره دارد که توسط لایه نازکی از مایع از هم جدا شدهاند. به دلیل اختلاف زیاد چگالی بین فاز پراکنده (گاز) و محیط پراکنده (مایع) و ویسکوزیته پایین مایع، کف همیشه میتواند به سرعت به سطح مایع برسد.
فرآیند تشکیل کف به این صورت است که مقدار زیادی گاز به داخل مایع وارد میشود و حبابهای موجود در مایع به سرعت به سطح مایع برمیگردند و یک توده حباب تشکیل میدهند که توسط مقدار کمی مایع و گاز از هم جدا شدهاند.
فوم دو ویژگی قابل توجه در مورفولوژی دارد: یکی اینکه حبابها به عنوان فاز پراکنده اغلب چندوجهی هستند، زیرا در محل تقاطع حبابها، تمایل به نازکتر شدن لایه مایع وجود دارد که باعث میشود حبابها چندوجهی شوند. وقتی لایه مایع تا حد مشخصی نازکتر شود، حبابها میشکنند. دوم، مایع خالص نمیتواند کف پایدار تشکیل دهد، اما مایعی که میتواند کف تشکیل دهد حداقل دو یا چند جزء دارد. محلول آبی سورفکتانت یک سیستم معمولی است که به راحتی کف تولید میکند و توانایی آن در تولید کف به سایر خواص نیز مربوط میشود.
سورفکتانتهایی که قابلیت کفکنندگی خوبی دارند، عوامل کفساز نامیده میشوند. اگرچه عامل کفساز قابلیت کفسازی خوبی دارد، اما ممکن است کف تشکیلشده نتواند برای مدت طولانی دوام بیاورد، یعنی پایداری آن خوب نباشد. برای حفظ پایداری کف، اغلب مادهای که میتواند پایداری کف را افزایش دهد به عامل کفساز اضافه میشود که پایدارکننده کف نامیده میشود. پایدارکنندههای کف رایج، لوروئیل دی اتانول آمین و دودسیل دی متیل آمین اکسید هستند.
(2) پایداری فوم
فوم یک سیستم ترمودینامیکی ناپایدار است و روند نهایی این است که پس از شکستن حباب، مساحت کل سطح مایع در سیستم کاهش مییابد و انرژی آزاد نیز کاهش مییابد. فرآیند کفزدایی فرآیندی است که در آن ضخامت لایه مایع جداکننده گاز تا زمان پارگی تغییر میکند. بنابراین، پایداری فوم عمدتاً توسط سرعت تخلیه مایع و استحکام لایه مایع تعیین میشود. عوامل مؤثر دیگری نیز وجود دارند.
① کشش سطحی
از نظر انرژی، کشش سطحی پایین برای تشکیل کف مطلوبتر است، اما نمیتواند پایداری کف را تضمین کند. کشش سطحی پایین، اختلاف فشار کم، سرعت تخلیه مایع آهسته و نازک شدن آهسته لایه مایع، به پایداری کف کمک میکنند.
② ویسکوزیته سطح
عامل کلیدی تعیینکننده پایداری فوم، استحکام لایه مایع است که عمدتاً توسط استحکام لایه جذب سطحی تعیین میشود و با ویسکوزیته سطح اندازهگیری میشود. آزمایشها نشان میدهد که فوم تولید شده توسط محلول با ویسکوزیته سطحی بالاتر، عمر طولانیتری دارد. این به این دلیل است که برهمکنش بین مولکولهای جذب شده روی سطح منجر به افزایش استحکام غشاء و در نتیجه بهبود عمر فوم میشود.
③ ویسکوزیته محلول
وقتی ویسکوزیته خود مایع افزایش مییابد، مایع موجود در فیلم مایع به راحتی تخلیه نمیشود و سرعت نازک شدن ضخامت فیلم مایع کند است که زمان پارگی فیلم مایع را به تأخیر میاندازد و پایداری کف را افزایش میدهد.
④ اثر «ترمیمکننده» کشش سطحی
سورفکتانتهای جذبشده روی سطح فیلم مایع، توانایی مقاومت در برابر انبساط یا انقباض سطح فیلم مایع را دارند که ما آن را اثر ترمیمی مینامیم. این به این دلیل است که یک فیلم مایع از سورفکتانتها روی سطح جذب شده است و گسترش سطح آن، غلظت مولکولهای جذبشده روی سطح را کاهش داده و کشش سطحی را افزایش میدهد. گسترش بیشتر سطح نیاز به تلاش بیشتری دارد. برعکس، انقباض سطح، غلظت مولکولهای جذبشده روی سطح را افزایش میدهد و کشش سطحی را کاهش داده و مانع انقباض بیشتر میشود.
⑤ انتشار گاز از طریق یک فیلم مایع
به دلیل وجود فشار مویرگی، فشار حبابهای کوچک در کف بیشتر از حبابهای بزرگ است که باعث میشود گاز موجود در حبابهای کوچک از طریق فیلم مایع به حبابهای بزرگ کمفشار نفوذ کند و در نتیجه پدیدهای رخ میدهد که حبابهای کوچک کوچکتر، حبابهای بزرگ بزرگتر و در نهایت فوم میشکند. در صورت افزودن سورفکتانت، کف هنگام کف کردن یکنواخت و متراکم خواهد بود و کفزدایی آن آسان نیست. از آنجایی که سورفکتانت به طور فشرده روی فیلم مایع قرار گرفته است، تهویه آن دشوار است و این باعث پایداری بیشتر کف میشود.
⑥ تأثیر بار سطحی
اگر فیلم مایع کف با نماد یکسانی باردار شود، دو سطح فیلم مایع یکدیگر را دفع میکنند و از نازک شدن یا حتی تخریب فیلم مایع جلوگیری میکنند. سورفکتانتهای یونی میتوانند این اثر تثبیتکننده را ایجاد کنند.
در نتیجه، استحکام لایه مایع عامل کلیدی در تعیین پایداری کف است. به عنوان یک سورفکتانت برای عوامل کفساز و تثبیتکنندههای کف، سفتی و استحکام مولکولهای جذبشده روی سطح مهمترین عوامل هستند. هنگامی که برهمکنش بین مولکولهای جذبشده روی سطح قوی باشد، مولکولهای جذبشده به طور فشرده چیده میشوند که نه تنها باعث میشود خود ماسک صورت سطحی استحکام بالایی داشته باشد، بلکه به دلیل ویسکوزیته بالای سطح، جریان محلول مجاور ماسک صورت سطحی را نیز دشوار میکند، بنابراین تخلیه لایه مایع نسبتاً دشوار است و حفظ ضخامت لایه مایع آسان است. علاوه بر این، مولکولهای سطحی که به طور فشرده چیده شدهاند، میتوانند نفوذپذیری مولکولهای گاز را نیز کاهش داده و در نتیجه پایداری کف را افزایش دهند.
(3) تخریب فوم
اصل اساسی از بین بردن کف، تغییر شرایط تولید کف یا از بین بردن عوامل پایداری کف است، بنابراین دو روش کفزدایی فیزیکی و شیمیایی وجود دارد.
کفزدایی فیزیکی به معنای تغییر شرایطی است که در آن کف تولید میشود، در حالی که ترکیب شیمیایی محلول کف بدون تغییر باقی میماند. به عنوان مثال، ایجاد اختلال در نیروی خارجی، تغییر دما یا فشار و عملیات فراصوت، همگی روشهای فیزیکی مؤثری برای از بین بردن کف هستند.
روش کفزدایی شیمیایی، افزودن برخی مواد برای تعامل با عامل کفساز، کاهش استحکام لایه مایع در کف و سپس کاهش پایداری کف برای دستیابی به هدف کفزدایی است. چنین موادی کفزدایی نامیده میشوند. اکثر کفزداییها سورفکتانت هستند. بنابراین، طبق مکانیسم کفزدایی، کفزداییها باید توانایی قوی در کاهش کشش سطحی داشته باشند، به راحتی روی سطح جذب شوند و برهمکنشهای ضعیفی بین مولکولهای جذبشده روی سطح داشته باشند که منجر به ساختار آرایش نسبتاً شل مولکولهای جذبشده میشود.
انواع مختلفی از ضد کفها وجود دارد، اما اکثر آنها سورفکتانتهای غیر یونی هستند. سورفکتانتهای غیر یونی خواص ضد کف نزدیک یا بالاتر از نقطه ابری شدن خود دارند و معمولاً به عنوان ضد کف استفاده میشوند. الکلها، به ویژه آنهایی که دارای ساختارهای شاخهای هستند، اسیدهای چرب و استرها، پلی آمیدها، فسفاتها، روغنهای سیلیکون و غیره نیز معمولاً به عنوان ضد کفهای عالی استفاده میشوند.
(4) فوم و شستشو
هیچ رابطه مستقیمی بین کف و اثر شستشو وجود ندارد و مقدار کف به معنای خوب یا بد بودن اثر شستشو نیست. به عنوان مثال، عملکرد کف کنندگی سورفکتانت های غیر یونی به مراتب کمتر از صابون است، اما قدرت پاک کنندگی آنها بسیار بهتر از صابون است.
در برخی موارد، کف در از بین بردن کثیفی مفید است. به عنوان مثال، هنگام شستن ظروف در خانه، کف شوینده میتواند قطرات روغن شسته شده را از بین ببرد؛ هنگام سابیدن فرش، کف به از بین بردن کثیفیهای جامد مانند گرد و غبار و پودر کمک میکند. علاوه بر این، کف گاهی اوقات میتواند به عنوان نشانهای از مؤثر بودن شوینده استفاده شود، زیرا لکههای روغن چرب میتوانند مانع از کف شوینده شوند. وقتی لکههای روغنی زیاد و شوینده خیلی کم باشد، کفی وجود نخواهد داشت یا کف اولیه از بین میرود. گاهی اوقات، کف همچنین میتواند به عنوان شاخصی از تمیز بودن آبکشی استفاده شود. از آنجا که مقدار کف در محلول آبکشی با کاهش محتوای شوینده کاهش مییابد، میتوان میزان آبکشی را با مقدار کف ارزیابی کرد.
۹. فرآیند شستشو
به معنای وسیع، شستشو فرآیند حذف اجزای ناخواسته از جسم در حال شستشو و دستیابی به هدفی خاص است. شستشو به معنای معمول به فرآیند حذف کثیفی از سطح یک حامل اشاره دارد. در طول شستشو، تعامل بین کثیفی و حامل از طریق عملکرد برخی مواد شیمیایی (مانند مواد شوینده) ضعیف یا از بین میرود و ترکیب کثیفی و حامل را به ترکیب کثیفی و شوینده تبدیل میکند و در نهایت باعث جدا شدن کثیفی و حامل میشود. از آنجایی که اجسامی که باید شسته شوند و کثیفیهایی که باید حذف شوند متنوع هستند، شستشو فرآیندی بسیار پیچیده است و فرآیند اساسی شستشو را میتوان با رابطه ساده زیر نشان داد:
حامل • کثیفی + شوینده = حامل + کثیفی • شوینده
فرآیند شستشو معمولاً میتواند به دو مرحله تقسیم شود: یکی جداسازی آلودگی و حامل آن تحت تأثیر ماده شوینده؛ دوم اینکه آلودگی جدا شده در محیط پخش و معلق میشود. فرآیند شستشو یک فرآیند برگشتپذیر است و آلودگیهایی که در محیط پخش یا معلق میشوند، ممکن است دوباره از محیط روی لباسها رسوب کنند. بنابراین، یک ماده شوینده عالی نه تنها باید توانایی جدا کردن آلودگی از حامل را داشته باشد، بلکه باید توانایی خوبی در پخش و معلق کردن آلودگی و جلوگیری از رسوب مجدد آلودگی نیز داشته باشد.
(1) انواع آلودگی
حتی برای یک جنس مشابه، نوع، ترکیب و مقدار کثیفی بسته به محیط استفاده متفاوت خواهد بود. کثیفیهای روغنی بدن عمدتاً شامل روغنهای حیوانی و گیاهی و همچنین روغنهای معدنی (مانند نفت خام، نفت کوره، قطران زغال سنگ و غیره) هستند، در حالی که کثیفیهای جامد عمدتاً شامل دود، گرد و غبار، زنگ زدگی، کربن سیاه و غیره میشوند. در مورد کثیفی لباس، کثیفیهای ناشی از بدن انسان مانند عرق، چربی پوست، خون و غیره؛ کثیفیهای ناشی از غذا مانند لکههای میوه، لکههای روغن خوراکی، لکههای چاشنی، نشاسته و غیره؛ کثیفیهای ناشی از لوازم آرایشی مانند رژ لب و لاک ناخن؛ کثیفیهای ناشی از جو مانند دود، گرد و غبار، خاک و غیره؛ مواد دیگری مانند جوهر، چای، رنگ و غیره. میتوان گفت که انواع مختلف و متنوعی از آنها وجود دارد.
انواع مختلف آلودگی معمولاً به سه دسته تقسیم میشوند: آلودگی جامد، آلودگی مایع و آلودگی ویژه.
① آلودگیهای جامد رایج شامل ذراتی مانند خاکستر، گل، خاک، زنگزدگی و کربن سیاه هستند. اکثر این ذرات دارای بار سطحی، عمدتاً منفی، هستند و به راحتی روی اجسام فیبری جذب میشوند. بهطورکلی، آلودگیهای جامد بهسختی در آب حل میشوند، اما میتوانند توسط محلولهای شوینده پراکنده و معلق شوند. حذف آلودگیهای جامد با ذرات کوچک دشوار است.
② آلودگیهای مایع عمدتاً در روغن حل میشوند، از جمله روغنهای حیوانی و گیاهی، اسیدهای چرب، الکلهای چرب، روغنهای معدنی و اکسیدهای آنها. در میان آنها، روغنهای حیوانی و گیاهی و اسیدهای چرب میتوانند با قلیا صابونی شوند، در حالی که الکلهای چرب و روغنهای معدنی توسط قلیا صابونی نمیشوند، اما میتوانند در الکلها، اترها و حلالهای آلی هیدروکربنی حل شوند و توسط محلولهای آبی شوینده امولسیون و پراکنده شوند. آلودگیهای مایع محلول در روغن عموماً نیروی برهمکنش قوی با اجسام فیبری دارند و محکم روی الیاف جذب میشوند.
③ آلودگیهای ویژه شامل پروتئین، نشاسته، خون، ترشحات انسانی مانند عرق، چربی پوست، ادرار و همچنین آبمیوه، آب چای و غیره میشود. اکثر این نوع آلودگیها میتوانند از طریق واکنشهای شیمیایی به شدت جذب اجسام فیبری شوند. بنابراین، شستن آنها بسیار دشوار است.
انواع مختلف آلودگی به ندرت به تنهایی وجود دارند، اغلب با هم مخلوط شده و روی اشیاء جذب میشوند. آلودگی گاهی اوقات میتواند تحت تأثیر عوامل خارجی اکسید، تجزیه یا پوسیده شود و در نتیجه آلودگی جدیدی تشکیل شود.
(2) اثر چسبندگی خاک
دلیل کثیف شدن لباسها، دستها و غیره این است که نوعی تعامل بین اشیاء و کثیفی وجود دارد. اثرات چسبندگی کثیفی روی اشیاء مختلف است، اما آنها عمدتاً چسبندگی فیزیکی و چسبندگی شیمیایی هستند.
① چسبندگی فیزیکی خاکستر سیگار، گرد و غبار، رسوب، کربن سیاه و سایر مواد به لباس. به طور کلی، برهمکنش بین آلودگی چسبیده و جسم آلوده نسبتاً ضعیف است و حذف آلودگی نیز نسبتاً آسان است. با توجه به نیروهای مختلف، چسبندگی فیزیکی آلودگی را میتوان به چسبندگی مکانیکی و چسبندگی الکترواستاتیک تقسیم کرد.
الف) چسبندگی مکانیکی عمدتاً به چسبندگی آلودگیهای جامد مانند گرد و غبار و رسوبات اشاره دارد. چسبندگی مکانیکی یک روش چسبندگی ضعیف برای آلودگی است که تقریباً با روشهای مکانیکی ساده قابل حذف است. با این حال، وقتی اندازه ذرات آلودگی کوچک باشد (<0.1um)، حذف آن دشوارتر است.
ب: چسبندگی الکترواستاتیک عمدتاً با عملکرد ذرات باردار خاک بر روی اجسامی با بارهای مخالف آشکار میشود. اکثر اجسام فیبری در آب بار منفی دارند و به راحتی توسط خاک با بار مثبت مانند آهک به آنها میچسبند. برخی از خاکها، اگرچه بار منفی دارند، مانند ذرات کربن سیاه در محلولهای آبی، میتوانند از طریق پلهای یونی تشکیل شده توسط یونهای مثبت (مانند Ca2+، Mg2+ و غیره) در آب به الیاف بچسبند (یونها بین بارهای مخالف متعدد با هم عمل میکنند و مانند پل عمل میکنند).
الکتریسیته ساکن از عمل مکانیکی ساده قویتر است و همین امر پاک کردن آلودگی را نسبتاً دشوار میکند.
③ حذف آلودگیهای خاص
پروتئین، نشاسته، ترشحات انسانی، آب میوه، آب چای و سایر انواع آلودگیها به سختی با سورفکتانتهای عمومی پاک میشوند و نیاز به روشهای تصفیه خاصی دارند.
لکههای پروتئینی مانند خامه، تخممرغ، خون، شیر و مدفوع پوست مستعد انعقاد و دناتوراسیون روی الیاف هستند و محکمتر میچسبند. برای رفع رسوب پروتئین، میتوان از پروتئاز برای از بین بردن آن استفاده کرد. پروتئاز میتواند پروتئینهای موجود در خاک را به اسیدهای آمینه محلول در آب یا الیگوپپتیدها تجزیه کند.
لکههای نشاسته عمدتاً از غذا ناشی میشوند، در حالی که برخی دیگر مانند آب گوشت، رب و غیره. آنزیمهای نشاسته اثر کاتالیزوری بر هیدرولیز لکههای نشاسته دارند و نشاسته را به قندها تجزیه میکنند.
لیپاز میتواند تجزیه برخی از تریگلیسیریدها را که حذف آنها با روشهای مرسوم دشوار است، مانند سبوم ترشح شده توسط بدن انسان، روغنهای خوراکی و غیره، کاتالیز کند تا تریگلیسیریدها را به گلیسرول محلول و اسیدهای چرب تجزیه کند.
برخی از لکههای رنگی ناشی از آب میوه، آب چای، جوهر، رژ لب و غیره اغلب حتی پس از شستشوی مکرر نیز به سختی کاملاً پاک میشوند. این نوع لکه را میتوان با واکنشهای اکسیداسیون-احیا با استفاده از اکسیدانها یا عوامل کاهنده مانند سفیدکننده که ساختار کروموفور یا گروههای کروموفور را میشکنند و آنها را به اجزای کوچکتر محلول در آب تجزیه میکنند، از بین برد.
از دیدگاه خشکشویی، تقریباً سه نوع کثیفی وجود دارد.
۱- آلودگیهای محلول در روغن شامل انواع روغنها و چربیها هستند که به صورت مایع یا چرب در حلالهای خشکشویی حل میشوند.
② کثیفی محلول در آب در محلول آبی محلول است، اما در مواد خشکشویی نامحلول است. به شکل محلول آبی روی لباس جذب میشود و پس از تبخیر آب، جامدات دانهای مانند نمکهای معدنی، نشاسته، پروتئینها و غیره رسوب میکنند.
③ کثیفی نامحلول در آب و روغن، هم در آب و هم در حلالهای خشکشویی مانند کربن سیاه، سیلیکاتهای فلزی مختلف و اکسیدها نامحلول است.
با توجه به خواص متفاوت انواع مختلف آلودگی، روشهای مختلفی برای از بین بردن آلودگی در طول فرآیند خشکشویی وجود دارد. آلودگیهای محلول در روغن، مانند روغنهای حیوانی و گیاهی، روغنهای معدنی و چربیها، به راحتی در حلالهای آلی حل میشوند و میتوانند به راحتی در طول خشکشویی از بین بروند. حلالیت عالی حلالهای خشکشویی برای روغن و گریس اساساً به دلیل نیروهای واندروالس بین مولکولها است.
برای از بین بردن کثیفیهای محلول در آب مانند نمکهای معدنی، قندها، پروتئینها، عرق و غیره، لازم است مقدار مناسبی آب به ماده خشکشویی اضافه شود، در غیر این صورت پاک کردن کثیفیهای محلول در آب از لباس دشوار است. اما حل شدن آب در مواد خشکشویی دشوار است، بنابراین برای افزایش مقدار آب، باید سورفکتانتها اضافه شوند. آب موجود در مواد خشکشویی میتواند کثیفی و سطح لباس را هیدراته کند و باعث شود که تعامل با گروههای قطبی سورفکتانتها آسان شود، که برای جذب سورفکتانتها روی سطح مفید است. علاوه بر این، وقتی سورفکتانتها میسل تشکیل میدهند، کثیفی و آب محلول در آب میتوانند در میسلها حل شوند. سورفکتانتها نه تنها میتوانند میزان آب را در حلالهای خشکشویی افزایش دهند، بلکه از رسوب مجدد کثیفی نیز جلوگیری میکنند تا اثر تمیزکنندگی را افزایش دهند.
وجود مقدار کمی آب برای از بین بردن کثیفیهای محلول در آب ضروری است، اما آب بیش از حد میتواند باعث تغییر شکل، چروک شدن و غیره برخی از لباسها شود، بنابراین میزان آب موجود در شوینده خشک باید متوسط باشد.
ذرات جامد مانند خاکستر، گل، خاک و کربن سیاه که نه در آب محلول هستند و نه در روغن، عموماً از طریق جذب الکترواستاتیک یا با ترکیب شدن با لکههای روغنی به لباس میچسبند. در خشکشویی، جریان و برخورد حلالها میتواند باعث شود که کثیفی جذب شده توسط نیروهای الکترواستاتیک جدا شود، در حالی که مواد شوینده خشک میتوانند لکههای روغنی را حل کنند و باعث شوند ذرات جامدی که با لکههای روغنی ترکیب شده و به لباسها میچسبند، از ماده شوینده خشک جدا شوند. مقدار کم آب و سورفکتانتها در ماده شوینده خشک میتوانند ذرات جامد کثیفی را که جدا میشوند، به طور پایدار معلق و پراکنده کنند و از رسوب مجدد آنها روی لباسها جلوگیری کنند.
(5) عوامل مؤثر بر اثر شستشو
جذب جهتدار سورفکتانتها در سطح مشترک و کاهش کشش سطحی (بینسطحی) عوامل اصلی برای حذف رسوب مایع یا جامد هستند. اما فرآیند شستشو نسبتاً پیچیده است و حتی اثر شستشوی همان نوع شوینده تحت تأثیر عوامل بسیاری قرار میگیرد. این عوامل شامل غلظت شوینده، دما، ماهیت کثیفی، نوع الیاف و ساختار پارچه است.
① غلظت سورفکتانتها
میسلهای سورفکتانتها در محلول نقش مهمی در فرآیند شستشو دارند. هنگامی که غلظت به غلظت بحرانی میسل (cmc) میرسد، اثر شستشو به شدت افزایش مییابد. بنابراین، غلظت شوینده در حلال باید بالاتر از مقدار CMC باشد تا اثر شستشوی خوبی حاصل شود. با این حال، هنگامی که غلظت سورفکتانتها از مقدار CMC بیشتر میشود، اثر شستشوی فزاینده کمتر قابل توجه میشود و افزایش بیش از حد غلظت سورفکتانت ضروری نیست.
هنگام استفاده از محلولسازی برای از بین بردن لکههای روغن، حتی اگر غلظت بالاتر از مقدار CMC باشد، اثر محلولسازی با افزایش غلظت سورفکتانت همچنان افزایش مییابد. در این زمان، توصیه میشود از مواد شوینده به صورت موضعی استفاده شود، مانند روی سرآستینها و یقههای لباس که کثیفی زیادی وجود دارد. هنگام شستشو، میتوان ابتدا یک لایه از مواد شوینده را برای بهبود اثر محلولسازی سورفکتانتها روی لکههای روغنی اعمال کرد.
② دما تأثیر قابل توجهی بر اثر تمیز کردن دارد. به طور کلی، افزایش دما برای از بین بردن کثیفی مفید است، اما گاهی اوقات دمای بیش از حد نیز میتواند عوامل نامطلوبی ایجاد کند.
افزایش دما برای پخش شدن آلودگی مفید است. لکههای روغن جامد وقتی دما بالاتر از نقطه ذوبشان باشد، به راحتی امولسیون میشوند و الیاف نیز به دلیل افزایش دما، میزان انبساط خود را افزایش میدهند. همه این عوامل برای حذف آلودگی مفید هستند. با این حال، برای پارچههای تنگ، شکافهای ریز بین الیاف پس از انبساط الیاف کاهش مییابد که برای حذف آلودگی مفید نیست.
تغییرات دما همچنین بر حلالیت، مقدار CMC و اندازه میسل سورفکتانتها تأثیر میگذارد و در نتیجه بر اثر شستشو تأثیر میگذارد. سورفکتانتهای زنجیره کربنی بلند در دماهای پایین حلالیت کمتری دارند و گاهی اوقات حتی حلالیت کمتری نسبت به مقدار CMC دارند. در این حالت، دمای شستشو باید به طور مناسب افزایش یابد. تأثیر دما بر مقدار CMC و اندازه میسل برای سورفکتانتهای یونی و غیر یونی متفاوت است. برای سورفکتانتهای یونی، افزایش دما عموماً منجر به افزایش مقدار CMC و کاهش اندازه میسل میشود. این بدان معناست که غلظت سورفکتانتها باید در محلول شستشو افزایش یابد. برای سورفکتانتهای غیر یونی، افزایش دما منجر به کاهش مقدار CMC آنها و افزایش قابل توجه اندازه میسل آنها میشود. میتوان مشاهده کرد که افزایش مناسب دما میتواند به سورفکتانتهای غیر یونی کمک کند تا فعالیت سطحی خود را اعمال کنند. اما دما نباید از نقطه ابری شدن آن تجاوز کند.
به طور خلاصه، مناسبترین دمای شستشو به فرمول شوینده و جسم مورد شستشو بستگی دارد. برخی از شویندهها در دمای اتاق اثرات تمیزکنندگی خوبی دارند، در حالی که برخی از شویندهها اثرات تمیزکنندگی قابل توجهی برای شستشوی سرد و گرم دارند.
③ فوم
مردم اغلب توانایی کف کنندگی را با اثر شویندگی اشتباه میگیرند و معتقدند که شویندههایی با توانایی کف کنندگی قوی، اثرات شویندگی بهتری دارند. نتایج نشان میدهد که اثر شویندگی ارتباط مستقیمی با میزان کف ندارد. به عنوان مثال، استفاده از شوینده با کف کم برای شستشو، اثر شویندگی بدتری نسبت به شوینده با کف زیاد ندارد.
اگرچه کف مستقیماً به شستشو مربوط نمیشود، اما در برخی شرایط برای از بین بردن کثیفی مفید است. به عنوان مثال، کف مایع لباسشویی میتواند قطرات روغن را هنگام شستن ظرفها با دست از بین ببرد. هنگام سابیدن فرش، کف همچنین میتواند ذرات جامد کثیفی مانند گرد و غبار را از بین ببرد. گرد و غبار بخش زیادی از کثیفی فرش را تشکیل میدهد، بنابراین شوینده فرش باید قابلیت کفسازی خاصی داشته باشد.
قدرت کف کنندگی نیز برای شامپو مهم است. کف ریزی که هنگام شستن مو یا حمام کردن توسط مایع تولید میشود، باعث میشود افراد احساس راحتی کنند.
④ انواع الیاف و خواص فیزیکی منسوجات
علاوه بر ساختار شیمیایی الیاف که بر چسبندگی و حذف آلودگی تأثیر میگذارد، ظاهر الیاف و ساختار سازمانی نخها و پارچهها نیز بر دشواری حذف آلودگی تأثیر میگذارد.
فلسهای الیاف پشم و ساختار نوار مانند و صاف الیاف پنبه، بیشتر از الیاف صاف مستعد تجمع آلودگی هستند. به عنوان مثال، کربن سیاه چسبیده به فیلم سلولزی (فیلم چسبناک) به راحتی پاک میشود، در حالی که کربن سیاه چسبیده به پارچه پنبهای به سختی شسته میشود. به عنوان مثال، پارچههای الیاف کوتاه پلیاستر بیشتر از پارچههای الیاف بلند مستعد تجمع لکههای روغن هستند و لکههای روغن روی پارچههای الیاف کوتاه نیز دشوارتر از پارچههای الیاف بلند پاک میشوند.
نخهای محکم پیچیده شده و پارچههای تنگ، به دلیل شکافهای ریز کوچک بین الیاف، میتوانند در برابر هجوم آلودگی مقاومت کنند، اما همچنین مانع از این میشوند که محلول تمیزکننده، آلودگیهای داخلی را از بین ببرد. بنابراین، پارچههای تنگ در ابتدا مقاومت خوبی در برابر آلودگی دارند، اما پس از آلوده شدن، تمیز کردن آنها نیز دشوار است.
⑤ سختی آب
غلظت یونهای فلزی مانند Ca2+ و Mg2+ در آب تأثیر قابل توجهی بر اثر شستشو دارد، به خصوص هنگامی که سورفکتانتهای آنیونی با یونهای Ca2+ و Mg2+ برخورد میکنند و نمکهای کلسیم و منیزیم با حلالیت ضعیف تشکیل میدهند که میتواند توانایی تمیزکنندگی آنها را کاهش دهد. حتی اگر غلظت سورفکتانتها در آب سخت زیاد باشد، اثر تمیزکنندگی آنها هنوز بسیار بدتر از تقطیر است. برای دستیابی به بهترین اثر شستشوی سورفکتانتها، غلظت یونهای Ca2+ در آب باید به کمتر از 1 × 10-6 مول در لیتر کاهش یابد (CaCO3 باید به 0.1 میلیگرم در لیتر کاهش یابد). این امر مستلزم افزودن نرمکنندههای مختلف به شوینده است.
زمان ارسال: ۱۶ آگوست ۲۰۲۴
