1. Virsmas spraigums
Saraušanās spēku uz šķidruma virsmas garuma vienību sauc par virsmas spraigumu, ko mēra N • m-1.
2. Virsmas aktivitāte un virsmaktīvās vielas
Īpašību, kas var samazināt šķīdinātāju virsmas spraigumu, sauc par virsmas aktivitāti, un vielas ar virsmas aktivitāti sauc par virsmaktīvajām vielām.
Virsmaktīvās vielas ir virsmaktīvās vielas, kas ūdens šķīdumos var veidot micellas un citus agregātus, kurām ir augsta virsmas aktivitāte, kā arī mitrināšanas, emulgēšanas, putošanas, mazgāšanas un citas funkcijas.
3. Virsmaktīvās vielas molekulārās struktūras īpašības
Virsmaktīvās vielas ir organiski savienojumi ar īpašām struktūrām un īpašībām, kas var būtiski mainīt divu fāžu saskarnes spraigumu vai šķidrumu (parasti ūdens) virsmas spraigumu, un tām piemīt tādas īpašības kā mitrināšana, putošana, emulgācija un mazgāšana.
Strukturāli virsmaktīvajām vielām ir kopīga īpašība - to molekulās ir divas dažādas funkcionālās grupas. Viens gals ir garas ķēdes nepolāra grupa, kas šķīst eļļā, bet nešķīst ūdenī, kas pazīstama kā hidrofoba grupa vai hidrofoba grupa. Šīs hidrofobās grupas parasti ir garas ķēdes ogļūdeņraži, dažreiz arī organiskais fluors, organiskais silīcijs, organiskais fosfors, organiskā alva utt. Otrs gals ir ūdenī šķīstoša funkcionālā grupa, proti, hidrofila grupa vai hidrofila grupa. Hidrofilajai grupai jābūt pietiekamai hidrofilitātei, lai nodrošinātu, ka visa virsmaktīvā viela šķīst ūdenī un tai ir nepieciešamā šķīdība. Tā kā virsmaktīvās vielās ir hidrofilas un hidrofobas grupas, tās var izšķīst vismaz vienā šķidrās fāzes fāzē. Virsmaktīvo vielu hidrofilās un oleofilās īpašības sauc par amfifilitāti.
4. Virsmaktīvās vielas veidi
Virsmaktīvās vielas ir amfifīlas molekulas, kurām ir gan hidrofobas, gan hidrofilas grupas. Virsmaktīvās vielas hidrofobās grupas parasti sastāv no garas ķēdes ogļūdeņražiem, piemēram, taisnas ķēdes alkilgrupām C8-C20, sazarotas ķēdes alkilgrupām C8-C20, alkilfenilgrupām (ar 8-16 alkil oglekļa atomiem) utt. Hidrofobo grupu atšķirības galvenokārt ir oglekļa-ūdeņraža ķēžu strukturālās izmaiņās, un atšķirības ir relatīvi nelielas, savukārt hidrofilo grupu veidi ir lielāki. Tāpēc virsmaktīvo vielu īpašības galvenokārt ir saistītas ar hidrofilām grupām papildus hidrofobo grupu izmēram un formai. Hidrofilo grupu strukturālās izmaiņas ir lielākas nekā hidrofobajām grupām, tāpēc virsmaktīvo vielu klasifikācija parasti balstās uz hidrofilo grupu struktūru. Šī klasifikācija galvenokārt balstās uz to, vai hidrofilās grupas ir jonu grupas, iedalot tās anjonu, katjonu, nejonu, cviterjonu un citos īpašos virsmaktīvo vielu veidos.
5. Virsmaktīvās vielas ūdens šķīduma raksturojums
① Virsmaktīvās vielas adsorbcija saskarnēs
Virsmaktīvās vielas molekulām ir lipofilas un hidrofilas grupas, padarot tās par amfifilām molekulām. Ūdens ir stipri polārs šķidrums. Kad virsmaktīvās vielas izšķīst ūdenī, saskaņā ar polaritātes līdzības un polaritātes atšķirības atgrūšanas principu to hidrofilās grupas pievelkas ūdens fāzei un izšķīst ūdenī, savukārt to lipofilās grupas atgrūž ūdeni un atstāj ūdeni. Tā rezultātā virsmaktīvās vielas molekulas (vai joni) adsorbējas uz saskarnes starp abām fāzēm, samazinot starpslāņa spriegumu starp abām fāzēm. Jo vairāk virsmaktīvo vielu molekulu (vai jonu) ir adsorbētas uz saskarnes, jo lielāks ir starpslāņa sprieguma samazinājums.
② Dažas adsorbcijas membrānas īpašības
Adsorbcijas membrānas virsmas spiediens: virsmaktīvās vielas adsorbējas gāzes un šķidruma saskarvirsmā, veidojot adsorbcijas membrānu. Ja uz saskarvirsmas novieto bezberzes kustīgu peldošu plāksni un peldošā plāksne spiež adsorbcijas membrānu pa šķīduma virsmu, membrāna rada spiedienu uz peldošo plāksni, ko sauc par virsmas spiedienu.
Virsmas viskozitāte: tāpat kā virsmas spiediens, arī virsmas viskozitāte ir īpašība, ko piemīt nešķīstošām molekulārajām plēvēm. Piekariniet platīna gredzenu ar plānu metāla stiepli, novietojiet tā plakni saskarē ar izlietnes ūdens virsmu, pagrieziet platīna gredzenu, platīna gredzenu kavē ūdens viskozitāte, un amplitūda pakāpeniski samazinās, saskaņā ar ko var izmērīt virsmas viskozitāti. Metode ir šāda: vispirms veiciet eksperimentus uz tīra ūdens virsmas, izmēriet amplitūdas vājināšanos, pēc tam izmēriet vājināšanos pēc virsmas sejas maskas izveidošanās un aprēķina virsmas sejas maskas viskozitāti no abu starpības.
Virsmas viskozitāte ir cieši saistīta ar sejas maskas virsmas stingrību. Tā kā adsorbcijas plēvei ir virsmas spiediens un viskozitāte, tai jābūt elastīgai. Jo lielāks ir adsorbcijas membrānas virsmas spiediens un viskozitāte, jo lielāks ir tās elastības modulis. Virsmas adsorbcijas plēves elastības modulim ir liela nozīme putu stabilizācijas procesā.
③ Micellu veidošanās
Atšķaidīts virsmaktīvo vielu šķīdums ievēro ideālu šķīdumu likumus. Virsmaktīvo vielu adsorbcijas daudzums uz šķīduma virsmas palielinās līdz ar šķīduma koncentrāciju. Kad koncentrācija sasniedz vai pārsniedz noteiktu vērtību, adsorbcijas daudzums vairs nepalielinās. Šīs virsmaktīvo vielu molekulu pārpalikums šķīdumā ir nesakārtots vai pastāv regulārā veidā. Gan prakse, gan teorija ir parādījusi, ka tās šķīdumā veido agregātus, ko sauc par micellām.
Kritiskā micellu koncentrācija: Minimālo koncentrāciju, pie kuras virsmaktīvās vielas šķīdumā veido micellas, sauc par kritisko micellu koncentrāciju.
④ Parastās virsmaktīvās vielas CMC vērtība.
6. Hidrofilā un oleofilā līdzsvara vērtība
HLB apzīmē hidrofilo lipofilo līdzsvaru, kas atspoguļo virsmaktīvās vielas hidrofilo un lipofilo grupu hidrofilās un lipofilās līdzsvara vērtības, t. i., virsmaktīvās vielas HLB vērtību. Augsta HLB vērtība norāda uz molekulas spēcīgu hidrofilitāti un vāju lipofilitāti; gluži pretēji, tai ir spēcīga lipofilitāte un vāja hidrofilitāte.
① Noteikumi par HLB vērtību
HLB vērtība ir relatīva vērtība, tāpēc, formulējot HLB vērtību, parafīna bez hidrofilām īpašībām HLB vērtība kā standarts tiek noteikta kā 0, savukārt nātrija dodecilsulfāta ar spēcīgu šķīdību ūdenī HLB vērtība tiek noteikta kā 40. Tāpēc virsmaktīvo vielu HLB vērtība parasti ir diapazonā no 1 līdz 40. Vispārīgi runājot, emulgatori ar HLB vērtībām, kas mazākas par 10, ir lipofīli, savukārt emulgatori ar HLB vērtībām, kas lielākas par 10, ir hidrofili. Tāpēc pārejas punkts no lipofilitātes uz hidrofilitāti ir aptuveni 10.
7. Emulgācijas un šķīdināšanas efekti
Divus nesajaucamus šķidrumus, vienu, kas veidojas, disperģējot daļiņas (pilienus vai šķidros kristālus) otrā, sauc par emulsijām. Veidojot emulsiju, starpfāžu laukums starp abiem šķidrumiem palielinās, padarot sistēmu termodinamiski nestabilu. Lai stabilizētu emulsiju, jāpievieno trešais komponents - emulgators -, lai samazinātu sistēmas starpfāžu enerģiju. Emulgatori pieder pie virsmaktīvajām vielām, un to galvenā funkcija ir darboties kā emulgatoriem. Fāzi, kurā emulsijā atrodas pilieni, sauc par disperso fāzi (jeb iekšējo fāzi, pārtraukto fāzi), bet otru fāzi, kas savienota kopā, sauc par disperso vidi (jeb ārējo fāzi, nepārtraukto fāzi).
① Emulgatori un emulsijas
Parastās emulsijas sastāv no vienas ūdens vai ūdens šķīduma fāzes un otras fāzes no organiskiem savienojumiem, kas nešķīst ar ūdeni, piemēram, eļļām, vaskiem utt. Ūdens un eļļas veidotās emulsijas var iedalīt divos veidos, pamatojoties uz to dispersiju: ūdenī disperģēta eļļa veido ūdens-eļļas emulsiju, ko attēlo ar O/W (eļļa/ūdens); eļļā disperģēts ūdens veido ūdens-eļļas emulsiju, ko attēlo ar W/O (ūdens/eļļa). Turklāt var veidoties arī kompleksas ūdens-eļļas ūdenī W/O/W un eļļas-ūdenī-eļļas O/W/O emulsijas.
Emulgators stabilizē emulsiju, samazinot starpfāžu spriegumu un veidojot vienslāņu sejas masku.
Prasības emulgatoriem emulgācijā: a: emulgatoriem jāspēj adsorbēties vai bagātināties abu fāžu saskarnē, samazinot starpfāžu spriegumu; b: emulgatoriem jāpiešķir daļiņām elektriskais lādiņš, izraisot elektrostatisko atgrūšanos starp daļiņām vai veidojot ap daļiņām stabilu, ļoti viskozu aizsargplēvi. Tātad vielām, ko izmanto kā emulgatorus, jābūt amfifīlām grupām, lai tām būtu emulgējoša iedarbība, un virsmaktīvās vielas var izpildīt šo prasību.
② Emulsiju pagatavošanas metodes un faktori, kas ietekmē emulsijas stabilitāti
Emulsiju pagatavošanai ir divas metodes: viena ir izmantot mehāniskas metodes, lai disperģētu šķidrumu mazās daļiņās citā šķidrumā, ko rūpniecībā parasti izmanto emulsiju pagatavošanai; otra metode ir izšķīdināt šķidrumu molekulārā stāvoklī citā šķidrumā un pēc tam ļaut tam atbilstoši agregēties, veidojot emulsiju.
Emulsiju stabilitāte attiecas uz to spēju pretoties daļiņu agregācijai un izraisīt fāžu atdalīšanos. Emulsijas ir termodinamiski nestabilas sistēmas ar ievērojamu brīvo enerģiju. Tāpēc emulsijas stabilitāte faktiski attiecas uz laiku, kas nepieciešams, lai sistēma sasniegtu līdzsvaru, tas ir, laiku, kas nepieciešams, lai šķidrums sistēmā atdalītos.
Ja sejas maskā ir polāras organiskas molekulas, piemēram, taukskābju spirts, taukskābes un taukskābju amīns, membrānas izturība ievērojami palielinās. Tas ir tāpēc, ka emulgatora molekulas saskarnes adsorbcijas slānī mijiedarbojas ar polārām molekulām, piemēram, spirtu, skābi un amīnu, veidojot "kompleksu", kas palielina saskarnes sejas maskas izturību.
Emulgatorus, kas sastāv no divām vai vairākām virsmaktīvajām vielām, sauc par jauktiem emulgatoriem. Jauktie emulgatori adsorbējas uz ūdens/eļļas saskarnes, un starpmolekulārās mijiedarbības rezultātā var veidoties kompleksi. Spēcīgas starpmolekulārās mijiedarbības dēļ ievērojami samazinās saskarnes spraigums, ievērojami palielinās uz saskarnes adsorbētā emulgatora daudzums, kā arī palielinās izveidotās starpfāžu sejas maskas blīvums un stiprība.
Pilienu lādiņš būtiski ietekmē emulsiju stabilitāti. Stabilām emulsijām parasti ir pilieni ar elektriskiem lādiņiem. Izmantojot jonu emulgatorus, uz saskarnes adsorbētie emulgatoru joni ievieto savas lipofilās grupas eļļas fāzē, savukārt hidrofilās grupas atrodas ūdens fāzē, tādējādi padarot pilienus lādētus. Tā kā emulsijas pilieniem ir vienāds lādiņš, tie atgrūž viens otru un neviegli aglomerējas, kā rezultātā palielinās stabilitāte. Var redzēt, ka jo vairāk emulgatoru jonu adsorbējas uz pilieniem, jo lielāks ir to lādiņš un jo lielāka ir to spēja novērst pilienu saplūšanu, padarot emulsijas sistēmu stabilāku.
Emulsijas dispersijas vides viskozitātei ir zināma ietekme uz emulsijas stabilitāti. Parasti, jo augstāka ir dispersijas vides viskozitāte, jo augstāka ir emulsijas stabilitāte. Tas ir tāpēc, ka dispersijas vides viskozitāte ir augsta, kas spēcīgi kavē šķidruma pilienu Brauna kustību, palēnina pilienu sadursmi un uztur sistēmu stabilu. Polimēru vielas, kas parasti šķīst emulsijās, var palielināt sistēmas viskozitāti un uzlabot emulsijas stabilitāti. Turklāt polimērs var veidot arī cietu saskarnes sejas masku, padarot emulsijas sistēmu stabilāku.
Dažos gadījumos cieta pulvera pievienošana var arī stabilizēt emulsiju. Cietais pulveris neatrodas ūdenī, eļļā vai saskarnē atkarībā no eļļas un ūdens mitrināšanas spējas uz cietā pulvera. Ja cietais pulveris nav pilnībā samitrināts ar ūdeni un to var samitrināt ar eļļu, tas paliks ūdens un eļļas saskarnē.
Iemesls, kāpēc cietais pulveris nestabilizē emulsiju, ir tāds, ka uz saskarnes sakrājies pulveris nestiprina saskarnes sejas masku, kas ir līdzīga saskarnes adsorbcijas emulgatora molekulām. Tāpēc, jo tuvāk cietā pulvera daļiņas ir izvietotas saskarnē, jo stabilāka būs emulsija.
Virsmaktīvām vielām piemīt spēja ievērojami palielināt ūdenī nešķīstošu vai vāji šķīstošu organisko savienojumu šķīdību pēc micellu veidošanās ūdens šķīdumā, un šajā brīdī šķīdums ir caurspīdīgs. Šo micellu efektu sauc par šķīdināšanu. Virsmaktīvās vielas, kas var radīt šķīdināšanas efektus, sauc par šķīdinātājiem, un organiskos savienojumus, kas tiek šķīdināti, sauc par šķīdināmiem savienojumiem.
8. Putas
Putām ir svarīga loma mazgāšanas procesā. Putas attiecas uz dispersijas sistēmu, kurā gāze ir izkliedēta šķidrumā vai cietā vielā. Gāze ir dispersijas fāze, un šķidrums vai cietviela ir dispersijas vide. Pirmo sauc par šķidrajām putām, bet otro - par cietajām putām, piemēram, putu plastmasu, putu stiklu, putu cementu utt.
(1) Putu veidošanās
Šeit putas attiecas uz burbuļu agregāciju, ko atdala šķidruma plēvīte. Sakarā ar lielo blīvuma atšķirību starp disperso fāzi (gāzi) un disperso vidi (šķidrumu), kā arī šķidruma zemo viskozitāti, putas vienmēr var ātri pacelties līdz šķidruma līmenim.
Putu veidošanās process ir liela daudzuma gāzes ievadīšana šķidrumā, un šķidruma burbuļi ātri atgriežas šķidruma virsmā, veidojot burbuļu agregātu, ko atdala neliels daudzums šķidruma un gāzes.
Putām ir divas ievērojamas morfoloģiskās īpašības: pirmkārt, burbuļi kā dispersā fāze bieži ir daudzskaldņaini, jo burbuļu krustpunktā šķidruma plēvei ir tendence kļūt plānākai, padarot burbuļus daudzskaldņainus. Kad šķidruma plēve zināmā mērā kļūst plānāka, burbuļi pārtrūkst; otrkārt, tīrs šķidrums nevar veidot stabilas putas, bet šķidrums, kas var veidot putas, sastāv no vismaz divām vai vairākām sastāvdaļām. Virsmaktīvās vielas ūdens šķīdums ir tipiska sistēma, kas viegli veido putas, un tās spēja radīt putas ir saistīta arī ar citām īpašībām.
Virsmaktīvās vielas ar labu putošanas spēju sauc par putotājiem. Lai gan putojošajam līdzeklim ir laba putošanas spēja, izveidotās putas var nespēt ilgstoši saglabāties, tas ir, to stabilitāte var nebūt laba. Lai saglabātu putu stabilitāti, putojošajam līdzeklim bieži pievieno vielu, kas var palielināt putu stabilitāti, ko sauc par putu stabilizatoru. Visbiežāk izmantotie putu stabilizatori ir lauroildietanolamīns un dodecildimetilamīna oksīds.
(2) Putu stabilitāte
Putas ir termodinamiski nestabila sistēma, un pēdējā tendence ir tāda, ka pēc burbuļa pārplīšanas sistēmā samazinās kopējā šķidruma virsmas platība un samazinās brīvā enerģija. Putu atdalīšanas process ir process, kurā šķidruma plēve, kas atdala gāzi, maina biezumu, līdz tā pārplīst. Tāpēc putu stabilitāti galvenokārt nosaka šķidruma izplūdes ātrums un šķidruma plēves stiprība. Pastāv arī vairāki citi ietekmējošie faktori.
① Virsmas spraigums
No enerģijas viedokļa zems virsmas spraigums ir labvēlīgāks putu veidošanai, taču tas nevar garantēt putu stabilitāti. Zems virsmas spraigums, zema spiediena starpība, lēns šķidruma izlādes ātrums un lēna šķidruma plēves retināšana veicina putu stabilitāti.
② Virsmas viskozitāte
Galvenais faktors, kas nosaka putu stabilitāti, ir šķidrās plēves izturība, ko galvenokārt nosaka virsmas adsorbcijas plēves stingrība, ko mēra ar virsmas viskozitāti. Eksperimenti liecina, ka putām, kas ražotas no šķīduma ar augstāku virsmas viskozitāti, ir ilgāks kalpošanas laiks. Tas ir tāpēc, ka mijiedarbība starp adsorbētajām molekulām uz virsmas palielina membrānas izturību, tādējādi uzlabojot putu kalpošanas laiku.
③ Šķīduma viskozitāte
Kad šķidruma viskozitāte palielinās, šķidrums šķidrajā plēvē nav viegli izvadāms, un šķidrās plēves biezuma samazināšanās ātrums ir lēns, kas aizkavē šķidrās plēves plīsuma laiku un palielina putu stabilitāti.
④ Virsmas spraiguma “atjaunojošais” efekts
Uz šķidrās plēves virsmas adsorbētajām virsmaktīvajām vielām piemīt spēja pretoties šķidrās plēves virsmas izplešanās vai saraušanās procesam, ko mēs saucam par remonta efektu. Tas notiek tāpēc, ka uz virsmas ir adsorbēta virsmaktīvo vielu šķidrā plēve, kuras virsmas laukuma paplašināšana samazinās uz virsmas adsorbēto molekulu koncentrāciju un palielinās virsmas spraigumu. Turpmāka virsmas paplašināšana prasīs lielākas pūles. Savukārt virsmas laukuma saraušanās palielinās adsorbēto molekulu koncentrāciju uz virsmas, samazinot virsmas spraigumu un kavējot turpmāku saraušanos.
5. Gāzes difūzija caur šķidruma plēvi
Kapilārā spiediena dēļ mazo burbuļu spiediens putās ir augstāks nekā lielo burbuļu spiediens, kā rezultātā mazajos burbuļos esošā gāze caur šķidruma plēvi difundēs zemspiediena lielos burbuļos, kā rezultātā mazie burbuļi kļūs mazāki, lielie burbuļi – lielāki un visbeidzot putas pārtrūks. Ja pievieno virsmaktīvo vielu, putojot, putas būs vienmērīgas un blīvas, un tās nebūs viegli atputot. Tā kā virsmaktīvā viela ir cieši izvietota uz šķidruma plēves, to ir grūti ventilēt, kas padara putas stabilākas.
⑥ Virsmas lādiņa ietekme
Ja putu šķidruma plēve ir uzlādēta ar vienu un to pašu simbolu, abas šķidrās plēves virsmas atgrūdīs viena otru, novēršot šķidrās plēves retināšanos vai pat sairšanu. Jonu virsmaktīvās vielas var nodrošināt šo stabilizējošo efektu.
Noslēgumā jāsaka, ka šķidrās plēves izturība ir galvenais faktors, kas nosaka putu stabilitāti. Kā virsmaktīvā viela putotājiem un putu stabilizatoriem, virsmas adsorbēto molekulu blīvums un stingrība ir vissvarīgākie faktori. Kad mijiedarbība starp adsorbētajām molekulām uz virsmas ir spēcīga, adsorbētās molekulas ir cieši izvietotas, kas ne tikai padara sejas maskas virsmu ļoti izturīgu, bet arī apgrūtina šķīduma plūsmu blakus sejas maskai augstās virsmas viskozitātes dēļ, tāpēc šķidrajai plēvei ir samērā grūti notecēt, un šķidrās plēves biezumu ir viegli uzturēt. Turklāt cieši izvietotas virsmas molekulas var arī samazināt gāzes molekulu caurlaidību un tādējādi palielināt putu stabilitāti.
(3) Putu iznīcināšana
Putu iznīcināšanas pamatprincips ir mainīt putu ražošanas apstākļus vai likvidēt putu stabilitātes faktorus, tāpēc pastāv divas putu noņemšanas metodes: fizikālā un ķīmiskā.
Fizikāla putu noņemšana ir putu veidošanās apstākļu maiņa, vienlaikus saglabājot nemainīgu putu šķīduma ķīmisko sastāvu. Piemēram, ārēju spēku traucējumi, temperatūras vai spiediena maiņa un ultraskaņas apstrāde ir efektīvas fizikālas metodes putu noņemšanai.
Ķīmiskās putu noņemšanas metode ir dažu vielu pievienošana, lai tās mijiedarbotos ar putojošo vielu, samazinātu putu šķidrās plēves stiprību un pēc tam samazinātu putu stabilitāti, lai sasniegtu putu noņemšanas mērķi. Šādas vielas sauc par putu noņemšanas līdzekļiem. Lielākā daļa putu noņemšanas līdzekļu ir virsmaktīvās vielas. Tāpēc saskaņā ar putu noņemšanas mehānismu putu noņemšanas līdzekļiem vajadzētu būt spēcīgai spējai samazināt virsmas spraigumu, viegli adsorbēties uz virsmas un vāji mijiedarboties starp uz virsmas adsorbētajām molekulām, kā rezultātā adsorbēto molekulu izkārtojuma struktūra būtu relatīvi brīva.
Ir dažādi putu slāpēšanas līdzekļu veidi, taču tie galvenokārt ir nejonu virsmaktīvās vielas. Nejonu virsmaktīvām vielām piemīt pretputošanas īpašības tuvu vai virs to duļķainības punkta, un tās parasti izmanto kā putu slāpētājus. Kā lieliski putu slāpētāji parasti tiek izmantoti arī spirti, īpaši tie, kuriem ir sazarotas struktūras, taukskābes un esteri, poliamīdi, fosfāti, silikona eļļas utt.
(4) Putas un mazgāšana
Starp putām un mazgāšanas efektu nav tiešas saistības, un putu daudzums nenozīmē, ka mazgāšanas efekts ir labs vai slikts. Piemēram, nejonu virsmaktīvo vielu putošanas spēja ir daudz zemāka nekā ziepēm, taču to tīrīšanas jauda ir daudz labāka nekā ziepēm.
Dažos gadījumos putas ir noderīgas netīrumu noņemšanai. Piemēram, mazgājot galda piederumus mājās, mazgāšanas līdzekļa putas var noņemt noskalotos eļļas pilienus; beržot paklāju, putas palīdz noņemt cietus netīrumus, piemēram, putekļus un pulveri. Turklāt putas dažreiz var izmantot kā rādītāju tam, vai mazgāšanas līdzeklis ir efektīvs, jo taukaini eļļas traipi var kavēt mazgāšanas līdzekļa putošanu. Ja ir pārāk daudz eļļas traipu un pārāk maz mazgāšanas līdzekļa, putu nebūs vai sākotnējās putas izzudīs. Dažreiz putas var izmantot arī kā indikatoru tam, vai skalošana ir tīra. Tā kā putu daudzums skalošanas šķīdumā mēdz samazināties, samazinoties mazgāšanas līdzekļa saturam, skalošanas pakāpi var novērtēt pēc putu daudzuma.
9. Mazgāšanas process
Plašākā nozīmē mazgāšana ir process, kurā no mazgājamā objekta tiek noņemtas nevēlamas sastāvdaļas, lai sasniegtu noteiktu mērķi. Parastā nozīmē mazgāšana attiecas uz netīrumu noņemšanas procesu no nesēja virsmas. Mazgāšanas laikā netīrumu un nesēja mijiedarbība tiek vājināta vai novērsta dažu ķīmisku vielu (piemēram, mazgāšanas līdzekļu) darbības rezultātā, pārveidojot netīrumu un nesēja kombināciju netīrumu un mazgāšanas līdzekļa kombinācijā, galu galā izraisot netīrumu un nesēja atdalīšanos. Tā kā mazgājamie priekšmeti un noņemamie netīrumi ir dažādi, mazgāšana ir ļoti sarežģīts process, un mazgāšanas pamatprocesu var attēlot ar šādu vienkāršu sakarību
Nesējs • Netīrumi+Mazgāšanas līdzeklis=Nesējs+Netīrumi • Mazgāšanas līdzeklis
Mazgāšanas procesu parasti var iedalīt divos posmos: pirmais ir netīrumu un to nesēja atdalīšana mazgāšanas līdzekļa iedarbībā; otrais ir atdalīto netīrumu izkliedēšana un suspendēšana vidē. Mazgāšanas process ir atgriezenisks process, un vidē izkliedēti vai suspendēti netīrumi var arī atkārtoti nogulsnēties no vides uz veļas. Tāpēc lieliskam mazgāšanas līdzeklim ne tikai jāspēj atdalīt netīrumus no nesēja, bet arī labi izkliedēt un suspendēt netīrumus, kā arī novērst netīrumu atkārtotu nogulsnēšanos.
(1) Netīrumu veidi
Pat vienam un tam pašam priekšmetam netīrumu veids, sastāvs un daudzums atšķirsies atkarībā no lietošanas vides. Eļļaini ķermeņa netīrumi galvenokārt ietver dzīvnieku un augu eļļas, kā arī minerāleļļas (piemēram, jēlnaftu, mazutu, akmeņogļu darvu utt.), savukārt cietie netīrumi galvenokārt ietver dūmus, putekļus, rūsu, kvēpus utt. Runājot par apģērba netīrumiem, ir netīrumi no cilvēka ķermeņa, piemēram, sviedri, sebums, asinis utt.; netīrumi no pārtikas, piemēram, augļu traipi, pārtikas eļļas traipi, garšvielu traipi, ciete utt.; netīrumi, ko rada kosmētika, piemēram, lūpu krāsa un nagu laka; netīrumi no atmosfēras, piemēram, dūmi, putekļi, augsne utt.; citi materiāli, piemēram, tinte, tēja, krāsa utt. Var teikt, ka pastāv dažādi un atšķirīgi veidi.
Dažādus netīrumu veidus parasti var iedalīt trīs kategorijās: cietie netīrumi, šķidrie netīrumi un īpašie netīrumi.
① Bieži sastopamie cietie netīrumi ietver tādas daļiņas kā pelni, dubļi, augsne, rūsa un kvēpi. Lielākajai daļai šo daļiņu ir virsmas lādiņš, pārsvarā negatīvs, un tās viegli adsorbējas uz šķiedrainiem objektiem. Parasti cietos netīrumus ir grūti šķīdināt ūdenī, bet tos var izkliedēt un suspendēt ar mazgāšanas līdzekļu šķīdumiem. Cietus netīrumus ar mazām daļiņām ir grūti noņemt.
② Šķidrie netīrumi galvenokārt šķīst eļļā, tostarp dzīvnieku un augu eļļas, taukskābes, taukspirti, minerāleļļas un to oksīdi. Starp tiem dzīvnieku un augu eļļas un taukskābes var tikt pārziepotas ar sārmu, savukārt taukspirti un minerāleļļas netiek pārziepotas ar sārmu, bet var izšķīst spirtos, ēteros un ogļūdeņražu organiskajos šķīdinātājos, un tos var emulģēt un disperģēt mazgāšanas līdzekļu ūdens šķīdumos. Eļļā šķīstošiem šķidriem netīrumiem parasti ir spēcīga mijiedarbības spēks ar šķiedru objektiem un tie stingri adsorbējas uz šķiedrām.
③ Īpaši netīrumi ir olbaltumvielas, ciete, asinis, cilvēka sekrēti, piemēram, sviedri, sebums, urīns, kā arī augļu sula, tējas sula utt. Lielākā daļa šo netīrumu veidu ķīmisku reakciju rezultātā var spēcīgi adsūkties uz šķiedrainiem priekšmetiem. Tāpēc tos ir diezgan grūti mazgāt.
Dažādi netīrumu veidi reti pastāv atsevišķi, tie bieži ir sajaukti kopā un adsorbēti uz priekšmetiem. Netīrumi ārējas ietekmes ietekmē dažreiz var oksidēties, sadalīties vai sabrukt, kā rezultātā veidojas jauni netīrumi.
(2) Netīrumu adhēzijas efekts
Apģērbs, rokas utt. var kļūt netīri, jo pastāv zināma veida mijiedarbība starp priekšmetiem un netīrumiem. Netīrumiem ir dažāda adhēzija ar priekšmetiem, taču tā galvenokārt ir fizikāla un ķīmiska adhēzija.
1. Cigarešu pelnu, putekļu, nogulumu, kvēpu un citu vielu fizikālā saķere ar apģērbu. Vispārīgi runājot, mijiedarbība starp pielipušajiem netīrumiem un piesārņoto priekšmetu ir relatīvi vāja, un netīrumus ir arī relatīvi viegli noņemt. Atkarībā no dažādiem spēkiem netīrumu fizikālo saķeri var iedalīt mehāniskajā saķerē un elektrostatiskajā saķerē.
A: Mehāniskā saķere galvenokārt attiecas uz cietu netīrumu, piemēram, putekļu un nogulumu, saķeri. Mehāniskā saķere ir vāja netīrumu saķeres metode, kurus gandrīz var noņemt ar vienkāršām mehāniskām metodēm. Tomēr, ja netīrumu daļiņu izmērs ir mazs (<0,1 μm), tos ir grūtāk noņemt.
B: Elektrostatiskā saķere galvenokārt izpaužas kā lādētu netīrumu daļiņu iedarbība uz objektiem ar pretēji lādiem. Lielākajai daļai šķiedru objektu ūdenī ir negatīvs lādiņš, un pie tiem viegli pielīp pozitīvi lādēti netīrumi, piemēram, kaļķis. Daži netīrumi, lai gan negatīvi lādēti, piemēram, kvēpu daļiņas ūdens šķīdumos, var pielipt šķiedrām caur jonu tiltiņiem, ko ūdenī veido pozitīvie joni (piemēram, Ca2+, Mg2+ utt.) (joni darbojas kopā starp vairākiem pretējiem lādiem, darbojoties kā tiltiņi).
Statiskā elektrība ir spēcīgāka par vienkāršu mehānisku darbību, tāpēc netīrumus ir samērā grūti noņemt.
③ Īpašu netīrumu noņemšana
Olbaltumvielas, cieti, cilvēka sekrētus, augļu sulu, tējas sulu un cita veida netīrumus ir grūti noņemt ar vispārējām virsmaktīvām vielām, un tiem nepieciešamas īpašas apstrādes metodes.
Olbaltumvielu traipi, piemēram, krējuma, olu, asiņu, piena un ādas izkārnījumu traipi, ir pakļauti koagulācijai un denaturācijai uz šķiedrām, un tie pielīp stingrāk. Olbaltumvielu piesārņojuma noņemšanai var izmantot proteāzi. Proteāze var sadalīt netīrumos esošos proteīnus ūdenī šķīstošās aminoskābēs vai oligopeptīdos.
Cietes traipi galvenokārt rodas no pārtikas, bet citi, piemēram, gaļas sulas, pastas utt. Cietes enzīmiem ir katalītiska ietekme uz cietes traipu hidrolīzi, sadalot cieti cukuros.
Lipāze var katalizēt dažu triglicerīdu, kurus ir grūti noņemt ar parastām metodēm, piemēram, cilvēka organisma izdalītā sebuma, pārtikas eļļu u. c., sadalīšanos, lai sadalītu triglicerīdus šķīstošā glicerīnā un taukskābēs.
Dažus krāsainus traipus no augļu sulas, tējas sulas, tintes, lūpu krāsas utt. bieži vien ir grūti pilnībā iztīrīt pat pēc atkārtotas mazgāšanas. Šāda veida traipus var noņemt ar oksidācijas-reducēšanas reakcijām, izmantojot oksidētājus vai reducētājus, piemēram, balinātāju, kas noārda hromofora vai hromofora grupu struktūru un sadala tās mazākās ūdenī šķīstošās sastāvdaļās.
No ķīmiskās tīrīšanas viedokļa ir aptuveni trīs netīrumu veidi.
① Eļļā šķīstoši netīrumi ietver dažādas eļļas un taukus, kas ir šķidri vai taukaini un šķīst ķīmiskās tīrīšanas šķīdinātājos.
② Ūdenī šķīstoši netīrumi šķīst ūdens šķīdumā, bet nešķīst ķīmiskās tīrīšanas līdzekļos. Tie adsorbējas uz apģērba ūdens šķīduma veidā, un pēc ūdens iztvaikošanas izgulsnējas granulētas cietvielas, piemēram, neorganiskie sāļi, ciete, olbaltumvielas utt.
③ Eļļā ūdenī nešķīstoši netīrumi nešķīst ne ūdenī, ne ķīmiskās tīrīšanas šķīdinātājos, piemēram, kvēpos, dažādos metālu silikātos un oksīdos.
Dažādu netīrumu veidu atšķirīgo īpašību dēļ ķīmiskās tīrīšanas procesā ir dažādi netīrumu noņemšanas veidi. Eļļā šķīstoši netīrumi, piemēram, dzīvnieku un augu eļļas, minerāleļļas un tauki, viegli šķīst organiskajos šķīdinātājos un tos var viegli noņemt ķīmiskās tīrīšanas laikā. Ķīmiskās tīrīšanas šķīdinātāju lieliskā eļļas un tauku šķīdība būtībā ir saistīta ar van der Valsa spēkiem starp molekulām.
Lai noņemtu ūdenī šķīstošus netīrumus, piemēram, neorganiskos sāļus, cukurus, olbaltumvielas, sviedrus utt., ķīmiskajam tīrīšanas līdzeklim jāpievieno arī atbilstošs ūdens daudzums, pretējā gadījumā ūdenī šķīstošos netīrumus no apģērba ir grūti noņemt. Taču ūdeni ķīmiskajos tīrīšanas līdzekļos ir grūti izšķīdināt, tāpēc, lai palielinātu ūdens daudzumu, jāpievieno virsmaktīvās vielas. Ķīmiskajos tīrīšanas līdzekļos esošais ūdens var mitrināt netīrumus un apģērba virsmu, atvieglojot tā mijiedarbību ar virsmaktīvo vielu polārajām grupām, kas ir labvēlīgi virsmaktīvo vielu adsorbcijai uz virsmas. Turklāt, virsmaktīvajām vielām veidojot micellas, ūdenī šķīstošie netīrumi un ūdens var tikt izšķīdināti micellās. Virsmaktīvās vielas var ne tikai palielināt ūdens saturu ķīmiskās tīrīšanas šķīdinātājos, bet arī novērst netīrumu atkārtotu nogulsnēšanos, tādējādi uzlabojot tīrīšanas efektu.
Ūdenī šķīstošu netīrumu noņemšanai ir nepieciešams neliels ūdens daudzums, taču pārmērīgs ūdens daudzums var izraisīt dažu apģērbu deformāciju, saburzīšanos utt., tāpēc sausā mazgāšanas līdzekļa ūdens saturam jābūt mērenam.
Cietās daļiņas, piemēram, pelni, dubļi, augsne un kvēpi, kas nešķīst ne ūdenī, ne eļļā, parasti pielīp apģērbam elektrostatiskās adsorbcijas ceļā vai savienojoties ar eļļas traipiem. Ķīmiskajā tīrīšanā šķīdinātāju plūsma un trieciens var izraisīt elektrostatisko spēku adsorbēto netīrumu nokrišanu, savukārt ķīmiskās tīrīšanas līdzekļi var izšķīdināt eļļas traipus, kā rezultātā cietās daļiņas, kas savienojas ar eļļas traipiem un pielīp pie apģērba, nokrīt no ķīmiskās tīrīšanas līdzekļa. Nelielais ūdens un virsmaktīvo vielu daudzums ķīmiskajā tīrīšanas līdzeklī var stabili suspendēt un izkliedēt nokritušās cietās netīrumu daļiņas, novēršot to atkārtotu nogulsnēšanos uz apģērba.
(5) Faktori, kas ietekmē mazgāšanas efektu
Virsmas aktīvo vielu virziena adsorbcija saskarnē un virsmas (starpfāžu) spraiguma samazināšana ir galvenie faktori šķidru vai cietu piesārņojumu likvidēšanā. Tomēr mazgāšanas process ir samērā sarežģīts, un pat viena veida mazgāšanas līdzekļa mazgāšanas efektu ietekmē daudzi citi faktori. Šie faktori ietver mazgāšanas līdzekļa koncentrāciju, temperatūru, netīrumu raksturu, šķiedru veidu un auduma struktūru.
① Virsmaktīvās vielas koncentrācija
Šķīdumā esošajām virsmaktīvo vielu micellām ir svarīga loma mazgāšanas procesā. Kad koncentrācija sasniedz kritisko micellu koncentrāciju (cmc), mazgāšanas efekts strauji palielinās. Tāpēc, lai sasniegtu labu mazgāšanas efektu, mazgāšanas līdzekļa koncentrācijai šķīdinātājā jābūt augstākai par CMC vērtību. Tomēr, kad virsmaktīvo vielu koncentrācija pārsniedz CMC vērtību, pieaugošais mazgāšanas efekts kļūst mazāk nozīmīgs, un virsmaktīvo vielu koncentrācijas pārmērīga palielināšana nav nepieciešama.
Izmantojot šķīdināšanu eļļas traipu noņemšanai, pat ja koncentrācija pārsniedz CMC vērtību, šķīdināšanas efekts joprojām palielinās, palielinoties virsmaktīvo vielu koncentrācijai. Šajā laikā ieteicams mazgāšanas līdzekli lietot lokāli, piemēram, uz apģērba aprocēm un apkaklēm, kur ir daudz netīrumu. Mazgājot, vispirms var uzklāt mazgāšanas līdzekļa slāni, lai uzlabotu virsmaktīvo vielu šķīdināšanas efektu uz eļļas traipiem.
② Temperatūrai ir būtiska ietekme uz tīrīšanas efektu. Kopumā temperatūras paaugstināšana ir labvēlīga netīrumu noņemšanai, taču dažreiz pārmērīga temperatūra var izraisīt arī nelabvēlīgus faktorus.
Temperatūras paaugstināšanās ir labvēlīga netīrumu difūzijai. Cieti eļļas traipi viegli emulģējas, ja temperatūra ir virs to kušanas temperatūras, un šķiedras arī palielina savu izplešanās pakāpi temperatūras paaugstināšanās dēļ. Visi šie faktori ir labvēlīgi netīrumu noņemšanai. Tomēr blīviem audumiem pēc šķiedru izplešanās samazinās mikroplaisas starp šķiedrām, kas neveicina netīrumu noņemšanu.
Temperatūras izmaiņas ietekmē arī virsmaktīvo vielu šķīdību, CMC vērtību un micellu izmēru, tādējādi ietekmējot mazgāšanas efektu. Garās oglekļa ķēdes virsmaktīvajām vielām ir zemāka šķīdība zemā temperatūrā un dažreiz pat zemāka nekā CMC vērtība. Šajā gadījumā mazgāšanas temperatūra ir atbilstoši jāpalielina. Temperatūras ietekme uz CMC vērtību un micellu izmēru jonu un nejonu virsmaktīvajām vielām atšķiras. Jonu virsmaktīvajām vielām temperatūras paaugstināšanās parasti izraisa CMC vērtības palielināšanos un micellu izmēra samazināšanos. Tas nozīmē, ka virsmaktīvo vielu koncentrācija mazgāšanas šķīdumā ir jāpalielina. Nejonu virsmaktīvajām vielām temperatūras paaugstināšana izraisa to CMC vērtības samazināšanos un ievērojamu micellu izmēra palielināšanos. Var redzēt, ka atbilstoša temperatūras paaugstināšana var palīdzēt nejonu virsmaktīvajām vielām īstenot to virsmas aktivitāti. Taču temperatūrai nevajadzētu pārsniegt tās duļķainības punktu.
Īsāk sakot, vispiemērotākā mazgāšanas temperatūra ir saistīta ar mazgāšanas līdzekļa formulu un mazgājamo priekšmetu. Dažiem mazgāšanas līdzekļiem ir laba tīrīšanas iedarbība istabas temperatūrā, savukārt citiem mazgāšanas līdzekļiem ir ievērojami atšķirīga tīrīšanas iedarbība aukstā un karstā mazgāšanā.
③ Putas
Cilvēki bieži jauc putošanas spēju ar mazgāšanas efektu, uzskatot, ka mazgāšanas līdzekļiem ar spēcīgu putošanas spēju ir labāka mazgāšanas iedarbība. Rezultāti liecina, ka mazgāšanas efekts nav tieši saistīts ar putu daudzumu. Piemēram, mazgāšanas līdzekļa lietošana mazgāšanai ar zemu putošanas spēju nedod sliktāku mazgāšanas efektu nekā mazgāšanas līdzeklis ar augstu putošanas spēju.
Lai gan putas nav tieši saistītas ar mazgāšanu, dažās situācijās tās tomēr ir noderīgas netīrumu noņemšanai. Piemēram, trauku mazgājot ar rokām, mazgāšanas šķidruma putas var aizsūkt eļļas pilienus. Berzējot paklāju, putas var noņemt arī cietas netīrumu daļiņas, piemēram, putekļus. Putekļi veido lielu daļu no paklāja netīrumiem, tāpēc paklāju tīrīšanas līdzeklim jābūt noteiktai putošanas spējai.
Šampūnam ir svarīga arī putošanas spēja. Smalkās putas, ko šķidrums rada matu mazgāšanas vai vannošanās laikā, rada komforta sajūtu.
④ Šķiedru veidi un tekstilizstrādājumu fizikālās īpašības
Papildus šķiedru ķīmiskajai struktūrai, kas ietekmē netīrumu saķeri un noņemšanu, netīrumu noņemšanas grūtības ietekmē arī šķiedru izskats un dzijas un audumu organizatoriskā struktūra.
Vilnas šķiedru zvīņas un kokvilnas šķiedru plakanā sloksnes struktūra uzkrāj netīrumus biežāk nekā gludas šķiedras. Piemēram, uz celulozes plēves (līmplēves) pielipušo kvēpu ir viegli noņemt, savukārt uz kokvilnas auduma pielipušo kvēpu ir grūti nomazgāt. Piemēram, uz īsšķiedras poliestera audumiem uzkrājas eļļas traipi biežāk nekā uz garšķiedras audumiem, un eļļas traipus uz īsšķiedras audumiem ir arī grūtāk noņemt nekā uz garšķiedras audumiem.
Cieši savīti pavedieni un blīvi audumi, pateicoties mazajām mikro spraugām starp šķiedrām, var pretoties netīrumu iekļūšanai, bet arī neļauj tīrīšanas šķīdumam noņemt iekšējos netīrumus. Tāpēc blīviem audumiem sākumā ir laba izturība pret netīrumiem, bet tos ir arī grūti tīrīt, kad tie ir piesārņoti.
⑤ Ūdens cietība
Metālu jonu, piemēram, Ca2+ un Mg2+, koncentrācija ūdenī būtiski ietekmē mazgāšanas efektu, īpaši, ja anjonu virsmaktīvās vielas saskaras ar Ca2+ un Mg2+ joniem, veidojot kalcija un magnija sāļus ar sliktu šķīdību, kas var samazināt to tīrīšanas spēju. Pat ja virsmaktīvo vielu koncentrācija cietā ūdenī ir augsta, to tīrīšanas efekts joprojām ir daudz sliktāks nekā destilācijā. Lai sasniegtu vislabāko virsmaktīvo vielu mazgāšanas efektu, Ca2+ jonu koncentrācija ūdenī jāsamazina līdz mazāk nekā 1 × 10-6mol/l (CaCO3 jāsamazina līdz 0,1mg/l). Šim nolūkam mazgāšanas līdzeklim jāpievieno dažādi mīkstinātāji.
Publicēšanas laiks: 2024. gada 16. augusts