1. Povrchové napětí
Síla kontrakce na jednotku délky na povrchu kapaliny se nazývá povrchové napětí a měří se v N • m-1.
2. Povrchová aktivita a povrchově aktivní látka
Vlastnost, která dokáže snižovat povrchové napětí rozpouštědel, se nazývá povrchová aktivita a látky s povrchovou aktivitou se nazývají povrchově aktivní látky.
Povrchově aktivní látky označují povrchově aktivní látky, které mohou ve vodných roztocích tvořit micely a další agregáty, mají vysokou povrchovou aktivitu a také mají smáčecí, emulgační, pěnicí, prací a další funkce.
3. Molekulární strukturní charakteristiky povrchově aktivní látky
Povrchově aktivní látky jsou organické sloučeniny se speciální strukturou a vlastnostmi, které mohou významně měnit mezifázové napětí mezi dvěma fázemi nebo povrchové napětí kapalin (obvykle vody) a mají vlastnosti, jako je smáčení, pěnění, emulgace a praní.
Strukturálně vzato mají povrchově aktivní látky společnou vlastnost, že ve svých molekulách obsahují dvě různé funkční skupiny. Jeden konec je nepolární skupina s dlouhým řetězcem, která je rozpustná v oleji, ale nerozpustná ve vodě, známá jako hydrofobní skupina nebo hydrofobní skupina. Tyto hydrofobní skupiny jsou obecně uhlovodíky s dlouhým řetězcem, někdy také organický fluor, organokřemičitý, organofosforový, organocínový řetězec atd. Druhý konec je ve vodě rozpustná funkční skupina, konkrétně hydrofilní skupina nebo hydrofilní skupina. Hydrofilní skupina musí mít dostatečnou hydrofilnost, aby byla celá povrchově aktivní látka rozpustná ve vodě a měla potřebnou rozpustnost. Vzhledem k přítomnosti hydrofilních a hydrofobních skupin v povrchově aktivních látkách se mohou rozpustit alespoň v jedné fázi kapalné fáze. Hydrofilní a oleofilní vlastnosti povrchově aktivních látek se nazývají amfifilita.
4. Druhy povrchově aktivních látek
Povrchově aktivní látky jsou amfifilní molekuly, které mají hydrofobní i hydrofilní skupiny. Hydrofobní skupiny povrchově aktivních látek se obvykle skládají z uhlovodíků s dlouhým řetězcem, jako jsou alkylové skupiny s přímým řetězcem C8-C20, alkylové skupiny s rozvětveným řetězcem C8-C20, alkylfenylové skupiny (s 8-16 alkylovými atomy uhlíku) atd. Rozdíl mezi hydrofobními skupinami spočívá hlavně ve strukturních změnách uhlíkových a vodíkových řetězců s relativně malými rozdíly, zatímco existuje více typů hydrofilních skupin. Vlastnosti povrchově aktivních látek se proto kromě velikosti a tvaru hydrofobních skupin týkají hlavně hydrofilních skupin. Strukturální změny hydrofilních skupin jsou větší než u hydrofobních skupin, takže klasifikace povrchově aktivních látek je obecně založena na struktuře hydrofilních skupin. Tato klasifikace je založena hlavně na tom, zda jsou hydrofilní skupiny iontové, a dělí se na aniontové, kationtové, neiontové, zwitteriontové a další speciální typy povrchově aktivních látek.
5. Charakteristiky vodného roztoku povrchově aktivní látky
① Adsorpce povrchově aktivních látek na rozhraních
Molekuly povrchově aktivních látek mají lipofilní a hydrofilní skupiny, což z nich činí amfifilní molekuly. Voda je silně polární kapalina. Když se povrchově aktivní látky rozpouštějí ve vodě, jsou jejich hydrofilní skupiny přitahovány k vodné fázi a rozpouštěny ve vodě, zatímco jejich lipofilní skupiny vodu odpuzují a vodu opouštějí. V důsledku toho se molekuly (nebo ionty) povrchově aktivních látek adsorbují na rozhraní mezi dvěma fázemi, čímž se snižuje jejich mezifázové napětí. Čím více molekul (nebo iontů) povrchově aktivních látek je adsorbováno na rozhraní, tím větší je pokles mezifázového napětí.
② Některé vlastnosti adsorpční membrány
Povrchový tlak adsorpční membrány: Povrchově aktivní látky se adsorbují na rozhraní plyn-kapalina a vytvářejí adsorpční membránu. Pokud je na rozhraní umístěna pohyblivá plovoucí deska bez tření a plovoucí deska tlačí adsorpční membránu podél povrchu roztoku, membrána vyvíjí na plovoucí desku tlak, který se nazývá povrchový tlak.
Povrchová viskozita: Stejně jako povrchový tlak je povrchová viskozita vlastností nerozpustných molekulárních filmů. Zavěste platinový kroužek na tenký kovový drát, jehož rovina se dotkne hladiny vody v dřezu a platinovým kroužkem otáčejte. Platinový kroužek je brzděn viskozitou vody a amplituda se postupně snižuje, na základě čehož lze měřit povrchovou viskozitu. Metoda je následující: nejprve se provedou experimenty na čisté hladině vody, změří se útlum amplitudy, poté se změří útlum po vytvoření povrchové masky a z rozdílu mezi těmito dvěma hodnotami se vypočítá viskozita povrchové masky.
Povrchová viskozita úzce souvisí s pevností povrchové masky. Protože adsorpční film má povrchový tlak a viskozitu, musí být elastický. Čím vyšší je povrchový tlak a viskozita adsorpční membrány, tím větší je její modul pružnosti. Modul pružnosti povrchové adsorpční fólie má velký význam v procesu stabilizace pěny.
③ Tvorba micel
Zředěný roztok povrchově aktivních látek se řídí zákony ideálních roztoků. Adsorpční množství povrchově aktivních látek na povrchu roztoku se zvyšuje s koncentrací roztoku. Když koncentrace dosáhne nebo překročí určitou hodnotu, adsorpční množství se již nezvyšuje. Tyto nadbytečné molekuly povrchově aktivních látek v roztoku jsou neuspořádané nebo existují pravidelně. Praxe i teorie ukázaly, že v roztoku tvoří agregáty, které se nazývají micely.
Kritická koncentrace micel: Minimální koncentrace, při které povrchově aktivní látky tvoří v roztoku micely, se nazývá kritická koncentrace micel.
④ Hodnota CMC běžné povrchově aktivní látky.
6. Hydrofilní a oleofilní rovnovážná hodnota
HLB je zkratka pro hydrofilní lipofilní rovnováhu, která představuje hydrofilní a lipofilní rovnovážné hodnoty hydrofilních a lipofilních skupin povrchově aktivní látky, tj. hodnotu HLB povrchově aktivní látky. Vysoká hodnota HLB naznačuje silnou hydrofilnost a slabou lipofilnost molekuly; naopak, molekula má silnou lipofilnost a slabou hydrofilnost.
① Předpisy o hodnotě HLB
Hodnota HLB je relativní hodnota, takže při formulaci hodnoty HLB se jako standard nastavuje hodnota HLB parafínu bez hydrofilních vlastností na 0, zatímco hodnota HLB dodecylsulfátu sodného se silnou rozpustností ve vodě se nastavuje na 40. Hodnota HLB povrchově aktivních látek se proto obecně pohybuje v rozmezí 1–40. Obecně řečeno, emulgátory s hodnotami HLB menšími než 10 jsou lipofilní, zatímco emulgátory s hodnotami HLB vyššími než 10 jsou hydrofilní. Bod zlomu od lipofility k hydrofilnosti je tedy přibližně 10.
7. Emulgační a solubilizační účinky
Dvě nemísitelné kapaliny, z nichž jedna vzniká disperzí částic (kapiček nebo tekutých krystalů) v druhé, se nazývají emulze. Při tvorbě emulze se zvětšuje mezifázová plocha mezi oběma kapalinami, což činí systém termodynamicky nestabilním. Pro stabilizaci emulze je třeba přidat třetí složku – emulgátor –, aby se snížila mezifázová energie systému. Emulgátory patří mezi povrchově aktivní látky a jejich hlavní funkcí je působit jako emulgátory. Fáze, ve které se v emulzi nacházejí kapky, se nazývá dispergovaná fáze (nebo vnitřní fáze, diskontinuální fáze) a druhá fáze spojená dohromady se nazývá dispergované prostředí (nebo vnější fáze, spojitá fáze).
① Emulgátory a emulze
Běžné emulze se skládají z jedné fáze vody nebo vodného roztoku a druhé fáze organických sloučenin, které jsou s vodou nemísitelné, jako jsou oleje, vosky atd. Emulze tvořené vodou a olejem lze rozdělit na dva typy na základě jejich disperze: olej dispergovaný ve vodě tvoří emulzi voda v oleji, představovanou O/W (olej/voda); voda dispergovaná v oleji tvoří emulzi voda v oleji, představovanou W/O (voda/olej). Kromě toho se mohou tvořit i komplexní emulze voda v oleji ve vodě W/O/W a olej ve vodě v oleji O/W/O.
Emulgátor stabilizuje emulzi snížením povrchového napětí a vytvořením jednovrstvé obličejové masky.
Požadavky na emulgátory při emulgaci: a: emulgátory musí být schopny adsorbovat nebo obohacovat na rozhraní mezi dvěma fázemi, čímž snižují povrchové napětí; b: Emulgátory musí částicím dodávat elektrický náboj, který způsobuje elektrostatické odpuzování mezi částicemi nebo vytváří stabilní, vysoce viskózní ochranný film kolem částic. Látky používané jako emulgátory tedy musí mít amfifilní skupiny, aby měly emulgační účinky, a povrchově aktivní látky mohou tento požadavek splňovat.
② Metody přípravy emulzí a faktory ovlivňující stabilitu emulze
Existují dvě metody pro přípravu emulzí: jednou je použití mechanických metod k disperzi kapaliny na malé částice v jiné kapalině, což se běžně používá v průmyslu k přípravě emulzí; další metodou je rozpuštění kapaliny v molekulárním stavu v jiné kapalině a následné nechat ji vhodně agregovat za vzniku emulze.
Stabilita emulzí se vztahuje k jejich schopnosti odolávat agregaci částic a způsobovat fázové separace. Emulze jsou termodynamicky nestabilní systémy s významnou volnou energií. Stabilita emulze se proto ve skutečnosti vztahuje k době potřebné k dosažení rovnováhy systémem, tj. k době potřebné k oddělení kapaliny v systému.
Pokud jsou v pleťové masce přítomny polární organické molekuly, jako jsou mastné alkoholy, mastné kyseliny a mastné aminy, pevnost membrány se výrazně zvyšuje. Je to proto, že molekuly emulgátoru v adsorpční vrstvě rozhraní interagují s polárními molekulami, jako jsou alkoholy, kyseliny a aminy, a vytvářejí „komplex“, což zvyšuje pevnost pleťové masky.
Emulgátory složené ze dvou nebo více povrchově aktivních látek se nazývají směsné emulgátory. Smíšené emulgátory se adsorbují na rozhraní voda/olej a mezimolekulární interakce mohou tvořit komplexy. Díky silné mezimolekulární interakci se výrazně snižuje povrchové napětí, výrazně se zvyšuje množství emulgátoru adsorbovaného na rozhraní a zvyšuje se hustota a pevnost vytvořené mezifázové masky.
Náboj kapiček má významný vliv na stabilitu emulzí. Stabilní emulze mají obvykle kapičky s elektrickým nábojem. Při použití iontových emulgátorů vkládají emulgační ionty adsorbované na rozhraní své lipofilní skupiny do olejové fáze, zatímco hydrofilní skupiny jsou ve vodní fázi, čímž se kapičky nabíjejí. Vzhledem k tomu, že kapičky emulze nesou stejný náboj, odpuzují se navzájem a snadno se neaglomerují, což vede ke zvýšené stabilitě. Je vidět, že čím více emulgačních iontů adsorbovaných na kapičkách, tím větší je jejich náboj a tím větší je jejich schopnost zabránit koalescenci kapiček, čímž se emulzní systém stává stabilnějším.
Viskozita disperzního média v emulzi má určitý vliv na stabilitu emulze. Obecně platí, že čím vyšší je viskozita disperzního média, tím vyšší je stabilita emulze. Je to proto, že viskozita disperzního média je vysoká, což silně brzdí Brownův pohyb kapiček kapaliny, zpomaluje srážky mezi kapičkami a udržuje systém stabilní. Polymerní látky, které jsou obvykle rozpustné v emulzích, mohou zvýšit viskozitu systému a zlepšit jeho stabilitu. Polymer může navíc také tvořit pevnou mezivrstvu, čímž se emulzní systém stabilizuje.
V některých případech může přidání pevného prášku také stabilizovat emulzi. Pevný prášek se nenachází ve vodě, oleji ani na rozhraní, v závislosti na smáčivosti oleje a vody na pevném prášku. Pokud pevný prášek není zcela smáčen vodou a může být smáčen olejem, zůstane na rozhraní voda-olej.
Důvod, proč pevný prášek nestabilizuje emulzi, je ten, že prášek shromážděný na rozhraní nezpevňuje rozhraní obličejové masky, které je podobné rozhraní adsorpčních molekul emulgátoru. Čím blíže jsou tedy částice pevného prášku uspořádány na rozhraní, tím stabilnější bude emulze.
Povrchově aktivní látky mají schopnost významně zvýšit rozpustnost organických sloučenin, které jsou nerozpustné nebo málo rozpustné ve vodě po vytvoření micel ve vodném roztoku, a roztok je v tomto okamžiku průhledný. Tento efekt micel se nazývá solubilizace. Povrchově aktivní látky, které mohou vyvolat solubilizační účinky, se nazývají solubilizátory a organické sloučeniny, které jsou solubilizovány, se nazývají solubilizované sloučeniny.
8. Pěna
Pěna hraje důležitou roli v procesu praní. Pěna označuje disperzní systém, ve kterém je plyn dispergován v kapalině nebo pevné látce. Plyn je disperzní fáze a kapalina nebo pevná látka je disperzním médiem. První se nazývá kapalná pěna, zatímco druhá se nazývá pevná pěna, jako je například pěnový plast, pěnové sklo, pěnový cement atd.
(1) Tvorba pěny
Pěna se zde vztahuje na agregaci bublin oddělených kapalným filmem. Vzhledem k velkému rozdílu v hustotě mezi dispergovanou fází (plynem) a dispergovaným médiem (kapalinou) a nízké viskozitě kapaliny může pěna vždy rychle vystoupat na hladinu kapaliny.
Proces tvorby pěny spočívá v přivedení velkého množství plynu do kapaliny a bublinky v kapalině se rychle vracejí na povrch kapaliny, čímž vytvářejí bublinový agregát oddělený malým množstvím kapaliny a plynu.
Pěna má dvě pozoruhodné morfologické vlastnosti: za prvé, bubliny jako dispergovaná fáze jsou často polyedrické, protože v místě průsečíku bublin existuje tendence k ztenčení kapalného filmu, čímž se bubliny stávají polyedrickými. Když se kapalný film ztenčí do určité míry, bubliny prasknou; za druhé, čistá kapalina nemůže tvořit stabilní pěnu, ale kapalina, která může tvořit pěnu, se skládá alespoň ze dvou nebo více složek. Vodný roztok povrchově aktivní látky je typický systém, který snadno vytváří pěnu, a jeho schopnost vytvářet pěnu souvisí také s dalšími vlastnostmi.
Povrchově aktivní látky s dobrou pěnivostí se nazývají pěnidla. Přestože pěnidlo má dobrou pěnivost, vytvořená pěna nemusí být schopna dlouho vydržet, tj. její stabilita nemusí být dobrá. Aby se udržela stabilita pěny, často se do pěnidla přidává látka, která může zvýšit její stabilitu, nazývaná stabilizátor pěny. Běžně používanými stabilizátory pěny jsou lauroyldiethanolamin a dodecyldimethylaminoxid.
(2) Stabilita pěny
Pěna je termodynamicky nestabilní systém a konečným trendem je, že po prasknutí bubliny se celkový povrch kapaliny v systému zmenšuje a volná energie klesá. Proces odpěňování je proces, při kterém kapalný film oddělující plyn mění tloušťku, dokud se neroztrhne. Stabilita pěny je proto určena především rychlostí vytékání kapaliny a pevností kapalného filmu. Existuje několik dalších ovlivňujících faktorů.
① Povrchové napětí
Z energetického hlediska je nízké povrchové napětí příznivější pro tvorbu pěny, ale nemůže zaručit její stabilitu. Nízké povrchové napětí, nízký tlakový rozdíl, pomalá rychlost vytékání kapaliny a pomalé ztenčování kapalného filmu přispívají ke stabilitě pěny.
② Povrchová viskozita
Klíčovým faktorem určujícím stabilitu pěny je pevnost kapalného filmu, která je určena především pevností povrchového adsorpčního filmu, měřenou povrchovou viskozitou. Experimenty ukazují, že pěna vytvořená roztokem s vyšší povrchovou viskozitou má delší životnost. Je to proto, že interakce mezi adsorbovanými molekulami na povrchu vede ke zvýšení pevnosti membrány, a tím i ke zlepšení životnosti pěny.
③ Viskozita roztoku
Když se viskozita samotné kapaliny zvýší, kapalina v kapalném filmu se obtížně vypustí a rychlost ztenčování kapalného filmu je pomalá, což zpomaluje dobu prasknutí kapalného filmu a zvyšuje stabilitu pěny.
④ „Opravný“ efekt povrchového napětí
Povrchově aktivní látky adsorbované na povrchu kapalného filmu mají schopnost odolávat rozpínání nebo smršťování povrchu kapalného filmu, což označujeme jako opravný efekt. Je to proto, že na povrchu je adsorbován kapalný film povrchově aktivních látek a zvětšení jeho povrchu sníží koncentraci molekul adsorbovaných na povrchu a zvýší povrchové napětí. Další zvětšení povrchu bude vyžadovat větší úsilí. Naopak, zmenšení povrchu zvýší koncentraci adsorbovaných molekul na povrchu, čímž se sníží povrchové napětí a zabrání se dalšímu smršťování.
⑤ Difúze plynu kapalným filmem
Vzhledem k existenci kapilárního tlaku je tlak malých bublin v pěně vyšší než tlak velkých bublin, což způsobuje difuzi plynu v malých bublinách do nízkotlakých velkých bublin skrz kapalný film. Výsledkem je jev, že se malé bubliny zmenšují, velké bubliny zvětšují a pěna se nakonec rozpadá. Pokud se přidá povrchově aktivní látka, pěna bude při pěnění rovnoměrná a hustá a nebude snadné ji odpěňovat. Protože je povrchově aktivní látka těsně usazena na kapalném filmu, je obtížné ji odvětrávat, což zvyšuje stabilitu pěny.
⑥ Vliv povrchového náboje
Pokud je pěnový tekutý film nabitý stejným symbolem, oba povrchy tekutého filmu se budou vzájemně odpuzovat, což zabrání jeho ztenčení nebo dokonce zničení. Tento stabilizační účinek mohou zajistit iontové povrchově aktivní látky.
Závěrem lze říci, že pevnost tekutého filmu je klíčovým faktorem určujícím stabilitu pěny. Jako povrchově aktivní látka pro pěnidla a stabilizátory pěny jsou nejdůležitějšími faktory těsnost a pevnost molekul adsorbovaných na povrchu. Když je interakce mezi adsorbovanými molekulami na povrchu silná, adsorbované molekuly jsou uspořádány těsně u sebe, což nejen zvyšuje pevnost samotného povrchu obličejové masky, ale také ztěžuje průtok roztoku v blízkosti povrchu obličejové masky kvůli vysoké povrchové viskozitě, takže je pro tekutý film relativně obtížné odtékat a tloušťka tekutého filmu se snadno udržuje. Kromě toho mohou těsně uložené povrchové molekuly také snížit propustnost molekul plynu a tím zvýšit stabilitu pěny.
(3) Zničení pěny
Základním principem ničení pěny je změna podmínek pro tvorbu pěny nebo odstranění faktorů stability pěny, proto existují dvě metody odpěňování, fyzikální a chemická.
Fyzikální odpěňování spočívá ve změně podmínek, za kterých se pěna vytváří, a zároveň zachování chemického složení pěnového roztoku beze změny. Například působení vnější síly, změna teploty nebo tlaku a ultrazvukové ošetření jsou účinné fyzikální metody k odstranění pěny.
Chemická metoda odpěňování spočívá v přidání některých látek, které interagují s pěnidlem, snižují pevnost kapalného filmu v pěně a následně snižují stabilitu pěny, aby se dosáhlo cíle odpěňování. Takové látky se nazývají odpěňovače. Většina odpěňovačů jsou povrchově aktivní látky. Proto by podle mechanismu odpěňování měly mít odpěňovače silnou schopnost snižovat povrchové napětí, snadno se adsorbovat na povrch a mít slabé interakce mezi molekulami adsorbovanými na povrchu, což vede k relativně volné struktuře uspořádání adsorbovaných molekul.
Existují různé typy odpěňovačů, ale většinou se jedná o neiontové povrchově aktivní látky. Neiontové povrchově aktivní látky mají protipěnivé vlastnosti v blízkosti nebo nad bodem zákalu a běžně se používají jako odpěňovače. Jako vynikající odpěňovače se také běžně používají alkoholy, zejména ty s rozvětvenou strukturou, mastné kyseliny a estery, polyamidy, fosfáty, silikonové oleje atd.
(4) Pěna a mytí
Neexistuje přímý vztah mezi pěnou a pracím účinkem a množství pěny neznamená, že prací účinek je dobrý nebo špatný. Například pěnivost neiontových povrchově aktivních látek je mnohem horší než u mýdla, ale jejich čisticí síla je mnohem lepší.
V některých případech je pěna užitečná při odstraňování nečistot. Například při mytí nádobí doma může pěna čisticího prostředku odstranit spláchnuté kapky oleje; při drhnutí koberců pomáhá pěna odstraňovat pevné nečistoty, jako je prach a prášek. Kromě toho lze pěnu někdy použít jako ukazatel účinnosti čisticího prostředku, protože mastné olejové skvrny mohou bránit pěnění čisticího prostředku. Pokud je olejových skvrn příliš mnoho a čisticího prostředku příliš málo, pěna se nevytvoří nebo původní pěna zmizí. Někdy lze pěnu také použít jako ukazatel toho, zda je oplachování čisté. Protože množství pěny v oplachovacím roztoku má tendenci klesat se snižujícím se obsahem čisticího prostředku, lze stupeň oplachování hodnotit podle množství pěny.
9. Proces praní
V širším smyslu je praní proces odstraňování nežádoucích složek z mytého předmětu a dosažení určitého účelu. Praní v běžném smyslu označuje proces odstraňování nečistot z povrchu nosiče. Během praní je interakce mezi nečistotami a nosičem oslabena nebo eliminována působením některých chemických látek (například detergentů), čímž se kombinace nečistot a nosiče transformuje na kombinaci nečistot a detergentu, což nakonec vede k oddělení nečistot a nosiče. Vzhledem k tomu, že myté předměty a odstraňované nečistoty jsou rozmanité, je praní velmi složitý proces a základní proces praní lze znázornit následujícím jednoduchým vztahem.
Nosič • Nečistoty + Čisticí prostředek = Nosič + Nečistoty • Čisticí prostředek
Proces praní lze obvykle rozdělit do dvou fází: první je oddělení nečistot a jejich nosiče působením pracího prostředku; druhou je disperze a suspenze uvolněných nečistot v médiu. Prací proces je vratný proces a nečistoty, které jsou dispergovány nebo suspendovány v médiu, se mohou z média také znovu srážet na prádlo. Proto by měl mít vynikající prací prostředek nejen schopnost oddělit nečistoty od nosiče, ale také dobrou schopnost dispergovat a suspendovat nečistoty a zabránit jejich opětovnému usazování.
(1) Druhy nečistot
I u stejného předmětu se typ, složení a množství nečistot liší v závislosti na prostředí použití. Mezi nečistoty z olejového tělesa patří především živočišné a rostlinné oleje, stejně jako minerální oleje (jako je ropa, topný olej, černouhelný dehet atd.), zatímco pevné nečistoty zahrnují především kouř, prach, rez, saze atd. Pokud jde o nečistoty z oděvů, existují nečistoty z lidského těla, jako je pot, kožní maz, krev atd.; nečistoty z jídla, jako jsou skvrny od ovoce, jedlého oleje, koření, škrobu atd.; nečistoty z kosmetiky, jako je rtěnka a lak na nehty; nečistoty z atmosféry, jako je kouř, prach, hlína atd.; a další materiály, jako je inkoust, čaj, barvy atd. Lze říci, že existují různé a rozmanité typy.
Různé typy nečistot lze obvykle rozdělit do tří kategorií: pevné nečistoty, tekuté nečistoty a speciální nečistoty.
① Mezi běžné pevné nečistoty patří částice jako popel, bláto, zemina, rez a saze. Většina těchto částic má povrchový náboj, většinou negativní, a snadno se adsorbuje na vláknité předměty. Pevné nečistoty se obecně obtížně rozpouštějí ve vodě, ale lze je dispergovat a suspendovat roztoky detergentů. Pevné nečistoty s malými částicemi se obtížně odstraňují.
② Tekuté nečistoty jsou většinou rozpustné v oleji, včetně živočišných a rostlinných olejů, mastných kyselin, mastných alkoholů, minerálních olejů a jejich oxidů. Mezi nimi mohou živočišné a rostlinné oleje a mastné kyseliny podléhat zmýdelnění alkáliemi, zatímco mastné alkoholy a minerální oleje se alkáliemi zmýdelňovat nemohou, ale mohou se rozpustit v alkoholech, etherech a uhlovodíkových organických rozpouštědlech a být emulgovány a dispergovány vodnými roztoky detergentů. Tekuté nečistoty rozpustné v oleji mají obecně silnou interakční sílu s vláknitými předměty a pevně se adsorbují na vlákna.
③ Mezi speciální nečistoty patří bílkoviny, škrob, krev, lidské sekrety, jako je pot, kožní maz, moč, a také ovocné šťávy, čajové šťávy atd. Většina těchto typů nečistot se může silně adsorbovat na vláknité předměty chemickými reakcemi. Proto je jejich mytí poměrně obtížné.
Různé druhy nečistot zřídka existují samostatně, často se smíchají a adsorbují na předmětech. Nečistoty mohou někdy vlivem vnějších vlivů oxidovat, rozkládat se nebo hnít, což vede ke vzniku nových nečistot.
(2) Adhezní účinek nečistot
Důvod, proč se může oblečení, ruce atd. zašpinit, je ten, že mezi předměty a nečistotami dochází k určité interakci. Existují různé adhezní účinky nečistot na předměty, ale jedná se především o fyzikální a chemickou adhezi.
① Fyzikální přilnavost cigaretového popela, prachu, usazenin, sazí a dalších látek k oděvu. Obecně řečeno, interakce mezi přilnutými nečistotami a kontaminovaným předmětem je relativně slabá a odstranění nečistot je také relativně snadné. Podle různých sil lze fyzikální přilnavost nečistot rozdělit na mechanickou a elektrostatickou.
A: Mechanická adheze se týká především adheze pevných nečistot, jako je prach a usazeniny. Mechanická adheze je metoda slabé adheze nečistot, kterou lze téměř odstranit jednoduchými mechanickými metodami. Pokud je však velikost částic nečistot malá (<0,1 μm), je jejich odstranění obtížnější.
B: Elektrostatická adheze se projevuje hlavně působením nabitých částic nečistot na předměty s opačným nábojem. Většina vláknitých předmětů nese ve vodě záporný náboj a snadno se k nim přichytí kladně nabité nečistoty, jako je vápno. Některé nečistoty, i když jsou záporně nabité, jako například částice sazí ve vodných roztocích, mohou k vláknům přilnout prostřednictvím iontových můstků vytvořených kladnými ionty (jako je Ca2+, Mg2+ atd.) ve vodě (ionty působí společně mezi více opačnými náboji a fungují jako můstky).
Statická elektřina je silnější než jednoduché mechanické působení, takže je relativně obtížné odstranit nečistoty.
③ Odstranění speciálních nečistot
Bílkoviny, škrob, lidské sekrety, ovocné šťávy, čajové šťávy a další druhy nečistot se obtížně odstraňují běžnými povrchově aktivními látkami a vyžadují speciální metody ošetření.
Skvrny od bílkovin, jako je smetana, vejce, krev, mléko a kožní exkrementy, jsou náchylné ke srážení a denaturaci na vláknech a pevněji přilnou. V případě znečištění bílkovinami lze k jeho odstranění použít proteázu. Proteáza dokáže rozložit bílkoviny v nečistotách na ve vodě rozpustné aminokyseliny nebo oligopeptidy.
Škrobové skvrny pocházejí převážně z jídla, zatímco jiné, jako jsou masové šťávy, pasta atd. Škrobové enzymy mají katalytický účinek na hydrolýzu škrobových skvrn, které štěpí škrob na cukry.
Lipáza může katalyzovat rozklad některých triglyceridů, které je obtížné odstranit konvenčními metodami, jako je kožní maz vylučovaný lidským tělem, jedlé oleje atd., a rozložit triglyceridy na rozpustný glycerol a mastné kyseliny.
Některé barevné skvrny od ovocné šťávy, čaje, inkoustu, rtěnky atd. je často obtížné důkladně vyčistit i po opakovaném praní. Tento typ skvrny lze odstranit oxidačně-redukčními reakcemi za použití oxidačních činidel nebo redukčních činidel, jako je bělidlo, které rozkládají strukturu chromoforu nebo chromoforových skupin a rozkládají je na menší ve vodě rozpustné složky.
Z pohledu chemického čištění existují zhruba tři typy nečistot.
① Nečistoty rozpustné v oleji zahrnují různé oleje a tuky, které jsou kapalné nebo mastné a rozpustné v rozpouštědlech pro chemické čištění.
② Ve vodě rozpustné nečistoty jsou rozpustné ve vodném roztoku, ale nerozpustné v chemických čisticích prostředcích. Adsorbují se na oděv ve formě vodného roztoku a po odpaření vody se vysrážejí granulované pevné látky, jako jsou anorganické soli, škrob, bílkoviny atd.
③ Nečistoty nerozpustné v olejové vodě jsou nerozpustné jak ve vodě, tak v rozpouštědlech pro chemické čištění, jako jsou saze, různé kovové silikáty a oxidy.
Vzhledem k různým vlastnostem různých typů nečistot existují různé způsoby jejich odstraňování během procesu chemického čištění. Nečistoty rozpustné v oleji, jako jsou živočišné a rostlinné oleje, minerální oleje a tuky, jsou snadno rozpustné v organických rozpouštědlech a lze je snadno odstranit během chemického čištění. Vynikající rozpustnost rozpouštědel pro chemické čištění olejů a mastnot je v podstatě způsobena van der Waalsovými silami mezi molekulami.
Pro odstranění ve vodě rozpustných nečistot, jako jsou anorganické soli, cukry, bílkoviny, pot atd., je nutné do čisticího prostředku přidat také odpovídající množství vody, jinak se ve vodě rozpustné nečistoty z oděvů obtížně odstraňují. V čisticích prostředcích se však voda obtížně rozpouští, proto je pro zvýšení množství vody nutné přidat povrchově aktivní látky. Voda přítomná v čisticích prostředcích může hydratovat nečistoty a povrch oděvů, což usnadňuje interakci s polárními skupinami povrchově aktivních látek, což je prospěšné pro adsorpci povrchově aktivních látek na povrchu. Kromě toho, když povrchově aktivní látky tvoří micely, mohou se ve vodě rozpustné nečistoty a voda rozpustit v micelách. Povrchově aktivní látky mohou nejen zvýšit obsah vody v čisticích rozpouštědlech, ale také zabránit opětovnému usazování nečistot, čímž se zvýší čisticí účinek.
Přítomnost malého množství vody je nezbytná pro odstranění nečistot rozpustných ve vodě, ale nadměrné množství vody může způsobit deformaci, zmačkání atd. některých oděvů, takže obsah vody v suchém pracím prostředku musí být mírný.
Pevné částice, jako je popel, bláto, zemina a saze, které nejsou rozpustné ani ve vodě, ani v oleji, obvykle ulpívají na oděvu elektrostatickou adsorpcí nebo kombinací s olejovými skvrnami. Při chemickém čištění může proudění a náraz rozpouštědel způsobit odpadávání nečistot adsorbovaných elektrostatickými silami, zatímco čisticí prostředky mohou rozpouštět olejové skvrny, což způsobuje odpadávání pevných částic, které se s olejovými skvrnami spojí a ulpí na oděvu, z čisticího prostředku. Malé množství vody a povrchově aktivních látek v čisticím prostředku může stabilně suspendovat a rozptýlit odpadávající pevné částice nečistot a zabránit jejich opětovnému usazování na oděvu.
(5) Faktory ovlivňující prací účinek
Směrová adsorpce povrchově aktivních látek na rozhraní a snížení povrchového (mezifázového) napětí jsou hlavními faktory pro odstraňování kapalných nebo pevných znečištění. Proces praní je však relativně složitý a i prací účinek stejného typu pracího prostředku je ovlivněn mnoha dalšími faktory. Mezi tyto faktory patří koncentrace pracího prostředku, teplota, povaha nečistot, typ vlákna a struktura tkaniny.
① Koncentrace povrchově aktivních látek
Micely povrchově aktivních látek v roztoku hrají důležitou roli v procesu praní. Když koncentrace dosáhne kritické micelární koncentrace (CMC), prací účinek prudce vzroste. Proto by koncentrace detergentu v rozpouštědle měla být vyšší než hodnota CMC, aby se dosáhlo dobrého pracího účinku. Pokud však koncentrace povrchově aktivních látek překročí hodnotu CMC, zvyšující se prací účinek se stává méně významným a nadměrné zvyšování koncentrace povrchově aktivních látek není nutné.
Při použití solubilizace k odstranění olejových skvrn, i když je koncentrace vyšší než hodnota CMC, se solubilizační účinek stále zvyšuje se zvyšující se koncentrací povrchově aktivní látky. V této době je vhodné používat prací prostředek lokálně, například na manžety a límce oděvů, kde je hodně nečistot. Při praní lze nejprve nanést vrstvu pracího prostředku, aby se zlepšil solubilizační účinek povrchově aktivních látek na olejové skvrny.
② Teplota má významný vliv na čisticí účinek. Celkově je zvýšení teploty prospěšné pro odstranění nečistot, ale někdy může nadměrná teplota způsobit i nepříznivé faktory.
Zvýšení teploty je prospěšné pro difuzi nečistot. Pevné olejové skvrny se snadno emulgují, když je teplota nad jejich bodem tání, a vlákna také zvyšují svůj stupeň roztažnosti v důsledku zvýšení teploty. Všechny tyto faktory jsou prospěšné pro odstraňování nečistot. U hustých tkanin se však po roztažení vláken zmenšují mikromezery mezi vlákny, což nevede k odstraňování nečistot.
Změny teploty také ovlivňují rozpustnost, hodnotu CMC a velikost micel povrchově aktivních látek, a tím ovlivňují prací účinek. Povrchově aktivní látky s dlouhým uhlíkovým řetězcem mají při nízkých teplotách nižší rozpustnost a někdy dokonce nižší rozpustnost než hodnota CMC. V tomto případě by měla být teplota praní přiměřeně zvýšena. Vliv teploty na hodnotu CMC a velikost micel se liší pro iontové a neiontové povrchově aktivní látky. U iontových povrchově aktivních látek obvykle vede zvýšení teploty ke zvýšení hodnoty CMC a snížení velikosti micel. To znamená, že by se měla zvýšit koncentrace povrchově aktivních látek v pracím roztoku. U neiontových povrchově aktivních látek vede zvýšení teploty ke snížení jejich hodnoty CMC a významnému zvětšení velikosti micel. Je zřejmé, že přiměřené zvýšení teploty může pomoci neiontovým povrchově aktivním látkám uplatnit jejich povrchovou aktivitu. Teplota by však neměla překročit bod zákalu.
Stručně řečeno, nejvhodnější teplota praní souvisí se složením pracího prostředku a praným předmětem. Některé prací prostředky mají dobré čisticí účinky při pokojové teplotě, zatímco jiné prací prostředky mají výrazně odlišné čisticí účinky při praní za studena a za horka.
③ Pěna
Lidé si často pletou schopnost pěnění s pracím účinkem a domnívají se, že prací prostředky se silnou schopností pěnění mají lepší prací účinky. Výsledky ukazují, že prací účinek přímo nesouvisí s množstvím pěny. Například použití pracího prostředku s nízkou pěnivostí nemá horší prací účinek než prací prostředek s vysokou pěnivostí.
Přestože pěna přímo nesouvisí s mytím, v některých situacích je stále užitečná k odstranění nečistot. Například pěna mycího prostředku může při ručním mytí nádobí odnášet kapky oleje. Při drhnutí koberce může pěna také odstraňovat pevné částice nečistot, jako je prach. Prach tvoří velkou část nečistot na koberci, proto by čistič koberců měl mít určitou schopnost pěnění.
Pěnivost šamponu je také důležitá. Jemná pěna, kterou tekutina vytváří při mytí vlasů nebo koupání, lidem poskytuje příjemný pocit.
④ Druhy vláken a fyzikální vlastnosti textilií
Kromě chemické struktury vláken, která ovlivňuje přilnavost a odstraňování nečistot, má na obtížnost odstraňování nečistot vliv také vzhled vláken a organizační struktura přízí a tkanin.
Šupiny vlněných vláken a plochá proužková struktura bavlněných vláken jsou náchylnější k usazování nečistot než hladká vlákna. Například saze přilepené k celulózové fólii (lepicí fólii) se snadno odstraňují, zatímco saze přilepené k bavlněné tkanině se obtížně odstraňují. Například polyesterové tkaniny s krátkými vlákny jsou náchylnější k usazování olejových skvrn než tkaniny s dlouhými vlákny a olejové skvrny na tkaninách s krátkými vlákny se také obtížněji odstraňují než na tkaninách s dlouhými vlákny.
Pevně stočené příze a těsné tkaniny díky malým mikromezerám mezi vlákny dokáží odolat vniknutí nečistot, ale také brání čisticímu roztoku v odstranění vnitřních nečistot. Pevné tkaniny proto mají zpočátku dobrou odolnost vůči nečistotám, ale po znečištění je také obtížné je čistit.
⑤ Tvrdost vody
Koncentrace kovových iontů, jako jsou Ca2+ a Mg2+, ve vodě má významný vliv na prací účinek, zejména když aniontové povrchově aktivní látky setkávají ionty Ca2+ a Mg2+ za vzniku vápenatých a hořečnatých solí se špatnou rozpustností, což může snížit jejich čisticí schopnost. I když je koncentrace povrchově aktivních látek v tvrdé vodě vysoká, jejich čisticí účinek je stále mnohem horší než při destilaci. Pro dosažení nejlepšího pracího účinku povrchově aktivních látek by měla být koncentrace iontů Ca2+ ve vodě snížena pod 1 × 10⁻⁶ mol/l (CaCO3 by měl být snížen na 0,1 mg/l). To vyžaduje přidání různých změkčovadel do pracího prostředku.
Čas zveřejnění: 16. srpna 2024