1. Oppervlaktespanning
De samentrekkingskracht per lengte-eenheid op het oppervlak van een vloeistof wordt oppervlaktespanning genoemd en wordt gemeten in N • m-1.
2. Oppervlakteactiviteit en oppervlakteactieve stof
De eigenschap die de oppervlaktespanning van oplosmiddelen kan verlagen, wordt oppervlakteactiviteit genoemd. Stoffen met oppervlakteactiviteit worden oppervlakteactieve stoffen genoemd.
Oppervlakteactieve stoffen zijn oppervlakteactieve stoffen die micellen en andere aggregaten kunnen vormen in waterige oplossingen, een hoge oppervlakteactiviteit hebben en ook een bevochtigende, emulgerende, schuimende, wassende en andere functie hebben.
3. Moleculaire structurele kenmerken van oppervlakteactieve stoffen
Oppervlakteactieve stoffen zijn organische verbindingen met speciale structuren en eigenschappen die de grensvlakspanning tussen twee fasen of de oppervlaktespanning van vloeistoffen (meestal water) aanzienlijk kunnen veranderen. Ze hebben eigenschappen zoals bevochtiging, schuimvorming, emulgering en wassing.
Structureel gezien hebben oppervlakteactieve stoffen de gemeenschappelijke eigenschap dat ze twee verschillende functionele groepen in hun moleculen bevatten. Het ene uiteinde is een langketenige apolaire groep die oplosbaar is in olie, maar onoplosbaar in water, bekend als een hydrofobe groep of hydrofobe groep. Deze hydrofobe groepen zijn over het algemeen langketenige koolwaterstoffen, soms ook organische fluor, organosilicium, organofosfor, organotinketens, enz. Het andere uiteinde is een in water oplosbare functionele groep, namelijk een hydrofiele groep of hydrofiele groep. De hydrofiele groep moet voldoende hydrofiliciteit hebben om ervoor te zorgen dat de gehele oppervlakteactieve stof oplosbaar is in water en de vereiste oplosbaarheid heeft. Door de aanwezigheid van hydrofiele en hydrofobe groepen in oppervlakteactieve stoffen kunnen ze in ten minste één fase van de vloeistoffase oplossen. De hydrofiele en oleofiele eigenschappen van oppervlakteactieve stoffen worden amfifiliciteit genoemd.
4. Soorten oppervlakteactieve stoffen
Oppervlakteactieve stoffen zijn amfifiele moleculen met zowel hydrofobe als hydrofiele groepen. De hydrofobe groepen van oppervlakteactieve stoffen bestaan over het algemeen uit koolwaterstoffen met een lange keten, zoals rechte alkyl C8-C20, vertakte alkyl C8-C20, alkylfenyl (met 8-16 alkylkoolstofatomen), enz. Het verschil in hydrofobe groepen ligt voornamelijk in de structurele veranderingen van koolstof-waterstofketens, met relatief kleine verschillen, terwijl er meer soorten hydrofiele groepen zijn. Daarom zijn de eigenschappen van oppervlakteactieve stoffen voornamelijk gerelateerd aan hydrofiele groepen, naast de grootte en vorm van hydrofobe groepen. De structurele veranderingen van hydrofiele groepen zijn groter dan die van hydrofobe groepen, dus de classificatie van oppervlakteactieve stoffen is over het algemeen gebaseerd op de structuur van hydrofiele groepen. Deze classificatie is voornamelijk gebaseerd op de vraag of de hydrofiele groepen ionisch zijn, en verdeelt ze in anionische, kationische, niet-ionische, zwitterionische en andere speciale soorten oppervlakteactieve stoffen.
5. Kenmerken van de waterige oplossing van oppervlakteactieve stoffen
① Adsorptie van oppervlakteactieve stoffen aan grensvlakken
Oppervlakteactieve moleculen hebben lipofiele en hydrofiele groepen, waardoor ze amfifiele moleculen zijn. Water is een sterk polaire vloeistof. Wanneer oppervlakteactieve stoffen in water oplossen, volgens het principe van polariteitsgelijkenis en polariteitsverschilafstoting, worden hun hydrofiele groepen aangetrokken door de waterfase en lossen ze op in water, terwijl hun lipofiele groepen water afstoten en het water verlaten. Hierdoor adsorberen oppervlakteactieve moleculen (of ionen) aan het grensvlak tussen de twee fasen, waardoor de grensvlakspanning tussen de twee fasen afneemt. Hoe meer oppervlakteactieve moleculen (of ionen) er aan het grensvlak worden geadsorbeerd, hoe groter de afname van de grensvlakspanning.
② Enkele eigenschappen van het adsorptiemembraan
Oppervlaktedruk van het adsorptiemembraan: Oppervlakteactieve stoffen adsorberen aan het gas-vloeistofgrensvlak en vormen zo een adsorptiemembraan. Als een wrijvingsloze, beweegbare zwevende plaat op het grensvlak wordt geplaatst en de zwevende plaat het adsorptiemembraan langs het oplossingsoppervlak duwt, oefent het membraan druk uit op de zwevende plaat, wat oppervlaktedruk wordt genoemd.
Oppervlakteviscositeit: Net als oppervlaktedruk is oppervlakteviscositeit een eigenschap die onoplosbare moleculaire films vertonen. Hang een platina ring op aan een dunne metaaldraad, zorg dat het vlak in contact komt met het wateroppervlak van de gootsteen, draai de platina ring, de platina ring wordt gehinderd door de viscositeit van het water en de amplitude neemt geleidelijk af, waarna de oppervlakteviscositeit kan worden gemeten. De methode is als volgt: voer eerst experimenten uit op het zuivere wateroppervlak, meet de amplitudeverzwakking, meet vervolgens de verzwakking na de vorming van het oppervlaktegezichtsmasker en bereken de viscositeit van het oppervlaktegezichtsmasker op basis van het verschil tussen beide.
De oppervlakteviscositeit hangt nauw samen met de stevigheid van het oppervlaktegezichtsmasker. Omdat de adsorptiefilm een oppervlaktedruk en viscositeit heeft, moet deze elastisch zijn. Hoe hoger de oppervlaktedruk en viscositeit van het adsorptiemembraan, hoe groter de elasticiteitsmodulus. De elasticiteitsmodulus van de oppervlakteadsorptiefilm is van groot belang bij het stabiliseren van schuim.
③ Vorming van micellen
De verdunde oplossing van oppervlakteactieve stoffen volgt de wetten van ideale oplossingen. De adsorptiehoeveelheid van oppervlakteactieve stoffen aan het oppervlak van een oplossing neemt toe met de concentratie van de oplossing. Wanneer de concentratie een bepaalde waarde bereikt of overschrijdt, neemt de adsorptiehoeveelheid niet meer toe. Deze overmatige hoeveelheid oppervlakteactieve moleculen in de oplossing is ongeordend of bestaat op een regelmatige manier. Zowel de praktijk als de theorie hebben aangetoond dat ze aggregaten vormen in oplossing, die micellen worden genoemd.
Kritische micelconcentratie: De minimale concentratie waarbij oppervlakteactieve stoffen micellen vormen in een oplossing, wordt de kritische micelconcentratie genoemd.
④ De CMC-waarde van veel voorkomende oppervlakteactieve stoffen.
6. Hydrofiele en oleofiele evenwichtswaarde
HLB staat voor hydrofiele lipofiele balans, wat de hydrofiele en lipofiele evenwichtswaarden van de hydrofiele en lipofiele groepen van een oppervlakteactieve stof weergeeft, oftewel de HLB-waarde van de oppervlakteactieve stof. Een hoge HLB-waarde duidt op een sterke hydrofiliciteit en een zwakke lipofiliciteit van het molecuul; integendeel, het heeft een sterke lipofiliciteit en een zwakke hydrofiliciteit.
① Regelgeving over de HLB-waarde
De HLB-waarde is relatief. Bij het formuleren van de HLB-waarde wordt de HLB-waarde van paraffine zonder hydrofiele eigenschappen standaard op 0 gesteld, terwijl de HLB-waarde van natriumdodecylsulfaat met sterke wateroplosbaarheid op 40 wordt gesteld. De HLB-waarde van oppervlakteactieve stoffen ligt daarom over het algemeen tussen 1 en 40. Over het algemeen zijn emulgatoren met een HLB-waarde lager dan 10 lipofiel, terwijl emulgatoren met een HLB-waarde hoger dan 10 hydrofiel zijn. Het omslagpunt van lipofiliteit naar hydrofiliteit ligt daarom ongeveer bij 10.
7. Emulsificatie- en solubilisatie-effecten
Twee niet-mengbare vloeistoffen, waarvan de ene gevormd wordt door het dispergeren van deeltjes (druppels of vloeibare kristallen) in de andere, worden emulsies genoemd. Bij het vormen van een emulsie neemt het grensvlak tussen de twee vloeistoffen toe, waardoor het systeem thermodynamisch instabiel wordt. Om de emulsie te stabiliseren, moet een derde component - emulgator - worden toegevoegd om de grensvlakenergie van het systeem te verlagen. Emulgatoren behoren tot de oppervlakteactieve stoffen en hun belangrijkste functie is om als emulgator te fungeren. De fase waarin de druppeltjes zich in een emulsie bevinden, wordt de gedispergeerde fase (of interne fase, discontinue fase) genoemd, en de andere fase die met elkaar verbonden is, wordt het gedispergeerde medium (of externe fase, continue fase) genoemd.
① Emulgatoren en emulsies
Gangbare emulsies bestaan uit één fase water of een waterige oplossing en de andere fase organische verbindingen die niet mengbaar zijn met water, zoals oliën, wassen, enz. De emulsie gevormd door water en olie kan worden onderverdeeld in twee typen op basis van hun dispersie: olie gedispergeerd in water vormt een water-in-olie-emulsie, weergegeven door O/W (olie/water); water gedispergeerd in olie vormt een water-in-olie-emulsie, weergegeven door W/O (water/olie). Daarnaast kunnen er ook complexe water-in-olie-in-water-W/O/W- en olie-in-water-in-olie-O/W/O-emulsies worden gevormd.
De emulgator stabiliseert de emulsie door de grensvlakspanning te verminderen en een enkellaags gezichtsmasker te vormen.
Eisen aan emulgatoren bij emulgering: a: emulgatoren moeten kunnen adsorberen of verrijken op het grensvlak tussen de twee fasen, waardoor de grensvlakspanning afneemt; b: emulgatoren moeten deeltjes een elektrische lading geven, waardoor elektrostatische afstoting tussen deeltjes ontstaat of een stabiele, zeer viskeuze beschermlaag rond de deeltjes ontstaat. Stoffen die als emulgatoren worden gebruikt, moeten dus amfifiele groepen hebben om emulgerende effecten te hebben, en oppervlakteactieve stoffen kunnen aan deze eis voldoen.
2 Bereidingsmethoden voor emulsies en factoren die de stabiliteit van emulsies beïnvloeden
Er zijn twee methoden om emulsies te bereiden. De eerste is het gebruik van mechanische methoden om de vloeistof in kleine deeltjes te dispergeren in een andere vloeistof. Dit wordt veel gebruikt in de industrie om emulsies te bereiden. Een andere methode is het oplossen van een vloeistof in een moleculaire toestand in een andere vloeistof en het vervolgens op de juiste manier laten aggregeren om een emulsie te vormen.
De stabiliteit van emulsies verwijst naar hun vermogen om deeltjesaggregatie te weerstaan en fasescheiding te veroorzaken. Emulsies zijn thermodynamisch instabiele systemen met een aanzienlijke vrije energie. De stabiliteit van een emulsie verwijst daarom feitelijk naar de tijd die het systeem nodig heeft om evenwicht te bereiken, dat wil zeggen de tijd die een vloeistof in het systeem nodig heeft om zich te scheiden.
Wanneer er polaire organische moleculen zoals vetalcohol, vetzuur en vetamine in het gezichtsmasker aanwezig zijn, neemt de sterkte van het membraan aanzienlijk toe. Dit komt doordat de emulgatormoleculen in de grensvlak-adsorptielaag een interactie aangaan met polaire moleculen zoals alcohol, zuur en amine en zo een "complex" vormen, wat de sterkte van het grensvlak-gezichtsmasker vergroot.
Emulgatoren die bestaan uit twee of meer oppervlakteactieve stoffen worden gemengde emulgatoren genoemd. Gemengde emulgatoren adsorberen aan het water/olie-grensvlak, en intermoleculaire interacties kunnen complexen vormen. Door de sterke intermoleculaire interactie wordt de grensvlakspanning aanzienlijk verlaagd, neemt de hoeveelheid emulgator die aan het grensvlak wordt geadsorbeerd aanzienlijk toe en nemen de dichtheid en sterkte van het gevormde grensvlakmasker toe.
De lading van druppels heeft een aanzienlijke invloed op de stabiliteit van emulsies. Stabiele emulsies hebben doorgaans druppels met een elektrische lading. Bij gebruik van ionische emulgatoren voegen de emulgatorionen die aan het grensvlak zijn geadsorbeerd hun lipofiele groepen in de oliefase in, terwijl de hydrofiele groepen zich in de waterfase bevinden, waardoor de druppels geladen worden. Doordat de druppels van de emulsie dezelfde lading dragen, stoten ze elkaar af en klonteren ze niet gemakkelijk samen, wat resulteert in een verhoogde stabiliteit. Het is te zien dat hoe meer emulgatorionen er aan de druppels zijn geadsorbeerd, hoe groter hun lading is en hoe beter ze samensmelting van druppels kunnen voorkomen, waardoor het emulsiesysteem stabieler wordt.
De viscositeit van het emulsiedispersiemedium heeft een zekere invloed op de stabiliteit van de emulsie. Over het algemeen geldt: hoe hoger de viscositeit van het dispersiemedium, hoe hoger de stabiliteit van de emulsie. Dit komt doordat de viscositeit van het dispersiemedium hoog is, wat de Brownse beweging van de vloeistofdruppels sterk belemmert, de botsing tussen de druppels vertraagt en het systeem stabiel houdt. Polymeren die doorgaans oplosbaar zijn in emulsies, kunnen de viscositeit van het systeem verhogen en de stabiliteit van de emulsie verbeteren. Bovendien kan het polymeer ook een vast interface-gezichtsmasker vormen, waardoor het emulsiesysteem stabieler wordt.
In sommige gevallen kan het toevoegen van vast poeder de emulsie ook stabiliseren. Het vaste poeder bevindt zich niet in water, olie of op het grensvlak, afhankelijk van het bevochtigend vermogen van olie en water op het vaste poeder. Als het vaste poeder niet volledig door water wordt bevochtigd en wel door olie kan worden bevochtigd, blijft het op het grensvlak tussen water en olie.
De reden waarom het vaste poeder de emulsie niet stabiliseert, is dat het poeder dat zich op het grensvlak verzamelt het gezichtsmasker niet versterkt, wat vergelijkbaar is met de adsorptie-emulgatormoleculen op het grensvlak. Hoe dichter de vaste poederdeeltjes zich bij het grensvlak bevinden, hoe stabieler de emulsie zal zijn.
Oppervlakteactieve stoffen hebben het vermogen om de oplosbaarheid van organische verbindingen die onoplosbaar of slecht oplosbaar zijn in water aanzienlijk te verhogen na de vorming van micellen in een waterige oplossing, waarbij de oplossing op dat moment transparant is. Dit effect van micellen wordt solubilisatie genoemd. Oppervlakteactieve stoffen die een solubiliserend effect kunnen hebben, worden solubilizers genoemd, en organische verbindingen die solubiliseren, worden solubiliserende verbindingen genoemd.
8. Schuim
Schuim speelt een belangrijke rol in het wasproces. Schuim verwijst naar het dispersiesysteem waarin gas wordt verspreid in vloeistof of vaste stof. Gas is de dispersiefase en vloeistof of vaste stof is het dispersiemedium. De eerste wordt vloeibaar schuim genoemd, terwijl de laatste vast schuim wordt genoemd, zoals schuimplastic, schuimglas, schuimcement, enz.
(1) Vorming van schuim
Met schuim wordt hier de aggregatie van bellen bedoeld, gescheiden door een vloeistoffilm. Door het grote verschil in dichtheid tussen de gedispergeerde fase (gas) en het gedispergeerde medium (vloeistof) en de lage viscositeit van de vloeistof, kan het schuim altijd snel tot het vloeistofniveau stijgen.
Het proces van het vormen van schuim is om een grote hoeveelheid gas in de vloeistof te brengen, en de bellen in de vloeistof keren snel terug naar het vloeistofoppervlak, waarbij een bellenaggregaat wordt gevormd dat wordt gescheiden door een kleine hoeveelheid vloeistof en gas
Schuim heeft twee opmerkelijke morfologische kenmerken: ten eerste zijn bellen als gedispergeerde fase vaak polyhedraal, omdat de vloeistoffilm op de kruising van bellen de neiging heeft dunner te worden, waardoor de bellen polyhedraal worden. Wanneer de vloeistoffilm tot op zekere hoogte dunner wordt, zullen de bellen breken; ten tweede kan de pure vloeistof geen stabiel schuim vormen, maar bestaat de vloeistof die schuim kan vormen uit ten minste twee of meer componenten. De waterige oplossing van oppervlakteactieve stoffen is een typisch systeem dat gemakkelijk schuim genereert, en het vermogen om schuim te genereren hangt ook samen met andere eigenschappen.
Oppervlakteactieve stoffen met een goed schuimend vermogen worden schuimmiddelen genoemd. Hoewel het schuimmiddel een goed schuimend vermogen heeft, kan het gevormde schuim mogelijk niet lang behouden blijven, dat wil zeggen dat de stabiliteit mogelijk niet optimaal is. Om de stabiliteit van het schuim te behouden, wordt vaak een stof aan het schuimmiddel toegevoegd die de stabiliteit van het schuim kan verhogen, de zogenaamde schuimstabilisator. De meest gebruikte schuimstabilisatoren zijn lauroyldiethanolamine en dodecyldimethylamineoxide.
(2) Stabiliteit van schuim
Schuim is een thermodynamisch instabiel systeem. De laatste trend is dat het totale vloeistofoppervlak in het systeem afneemt en de vrije energie afneemt na het breken van de bel. Het ontschuimingsproces is het proces waarbij de vloeistoffilm die het gas scheidt van dikte verandert totdat deze scheurt. De stabiliteit van schuim wordt daarom voornamelijk bepaald door de snelheid van de vloeistofafvoer en de sterkte van de vloeistoffilm. Er zijn verschillende andere factoren die van invloed zijn.
① Oppervlaktespanning
Vanuit energieoogpunt is een lage oppervlaktespanning gunstiger voor de vorming van schuim, maar het kan de stabiliteit van het schuim niet garanderen. Een lage oppervlaktespanning, een laag drukverschil, een lage vloeistofuitstroomsnelheid en een langzame vloeistoffilmverdunning bevorderen de stabiliteit van het schuim.
② Oppervlakteviscositeit
De belangrijkste factor die de stabiliteit van schuim bepaalt, is de sterkte van de vloeistoffilm. Deze wordt voornamelijk bepaald door de stevigheid van de oppervlakte-adsorptiefilm, gemeten aan de hand van de oppervlakteviscositeit. Experimenten tonen aan dat schuim geproduceerd door een oplossing met een hogere oppervlakteviscositeit een langere levensduur heeft. Dit komt doordat de interactie tussen geadsorbeerde moleculen aan het oppervlak leidt tot een toename van de membraansterkte, waardoor de levensduur van het schuim wordt verlengd.
③ Viscositeit van de oplossing
Wanneer de viscositeit van de vloeistof zelf toeneemt, is het moeilijk om de vloeistof in de vloeistoffilm te lozen en is de snelheid waarmee de dikte van de vloeistoffilm afneemt laag, wat de tijd van breuk van de vloeistoffilm vertraagt en de stabiliteit van het schuim vergroot.
④ Het 'herstellende' effect van oppervlaktespanning
Oppervlakteactieve stoffen die aan het oppervlak van de vloeistoffilm zijn geadsorbeerd, hebben het vermogen om uitzetting of krimp van het vloeistoffilmoppervlak te weerstaan, wat we het reparatie-effect noemen. Dit komt doordat er een vloeibare film van oppervlakteactieve stoffen op het oppervlak is geadsorbeerd, en het vergroten van het oppervlak de concentratie van geadsorbeerde moleculen op het oppervlak vermindert en de oppervlaktespanning verhoogt. Verdere uitbreiding van het oppervlak vereist meer inspanning. Omgekeerd zal krimp van het oppervlak de concentratie van geadsorbeerde moleculen op het oppervlak verhogen, waardoor de oppervlaktespanning afneemt en verdere krimp wordt belemmerd.
⑤ De diffusie van gas door een vloeistoffilm
Door de capillaire druk is de druk van kleine belletjes in schuim hoger dan die van grote belletjes. Hierdoor diffundeert het gas in de kleine belletjes door de vloeistoffilm heen naar de grote, lagedrukbelletjes. Dit resulteert in het fenomeen dat de kleine belletjes kleiner worden, de grote belletjes groter worden en uiteindelijk het schuim breekt. Door toevoeging van oppervlakteactieve stoffen zal het schuim gelijkmatig en dicht zijn tijdens het schuimen, en is het moeilijk te ontschuimen. Omdat de oppervlakteactieve stof dicht op de vloeistoffilm ligt, is het moeilijk te ventileren, wat het schuim stabieler maakt.
⑥ De invloed van oppervlaktelading
Als de schuimvloeistoffilm hetzelfde symbool heeft, stoten de twee oppervlakken van de vloeistoffilm elkaar af, waardoor wordt voorkomen dat de vloeistoffilm dunner wordt of zelfs wordt vernietigd. Ionische oppervlakteactieve stoffen kunnen dit stabiliserende effect bewerkstelligen.
Concluderend is de sterkte van de vloeistoffilm de belangrijkste factor om de stabiliteit van schuim te bepalen. Als oppervlakteactieve stof voor schuimmiddelen en schuimstabilisatoren zijn de dichtheid en stevigheid van de aan het oppervlak geadsorbeerde moleculen de belangrijkste factoren. Wanneer de interactie tussen de geadsorbeerde moleculen op het oppervlak sterk is, zijn de geadsorbeerde moleculen dicht op elkaar geplaatst. Dit zorgt er niet alleen voor dat het gezichtsmasker zelf een hoge sterkte heeft, maar ook dat de oplossing naast het gezichtsmasker moeilijk vloeit vanwege de hoge oppervlakteviscositeit. Hierdoor is het relatief moeilijk voor de vloeistoffilm om af te voeren en is de dikte van de vloeistoffilm gemakkelijk te handhaven. Bovendien kunnen dicht op elkaar geplaatste oppervlaktemoleculen ook de permeabiliteit van gasmoleculen verminderen en zo de stabiliteit van schuim verhogen.
(3) Vernietiging van schuim
Het basisprincipe van het vernietigen van schuim is het veranderen van de omstandigheden voor het produceren van schuim of het elimineren van de stabiliteitsfactoren van schuim. Daarom zijn er twee methoden om schuim te ontschuimen: fysiek en chemisch.
Fysieke ontschuiming is het veranderen van de omstandigheden waaronder schuim ontstaat, terwijl de chemische samenstelling van de schuimoplossing ongewijzigd blijft. Externe krachten, temperatuur- of drukveranderingen en ultrasoonbehandeling zijn bijvoorbeeld allemaal effectieve fysieke methoden om schuim te verwijderen.
De chemische ontschuimingsmethode bestaat uit het toevoegen van stoffen die reageren met het schuimmiddel, de sterkte van de vloeistoffilm in het schuim verminderen en vervolgens de stabiliteit van het schuim verminderen om het doel van ontschuiming te bereiken. Dergelijke stoffen worden ontschuimers genoemd. De meeste ontschuimers zijn oppervlakteactieve stoffen. Volgens het ontschuimingsmechanisme zouden ontschuimers daarom een sterk vermogen moeten hebben om de oppervlaktespanning te verlagen, gemakkelijk aan het oppervlak geadsorbeerd kunnen worden en zwakke interacties moeten hebben tussen aan het oppervlak geadsorbeerde moleculen, wat resulteert in een relatief losse structuur van geadsorbeerde moleculen.
Er bestaan verschillende soorten antischuimmiddelen, maar het zijn meestal niet-ionogene oppervlakteactieve stoffen. Niet-ionogene oppervlakteactieve stoffen hebben antischuimeigenschappen die dicht bij of boven hun wolkpunt liggen en worden vaak gebruikt als antischuimmiddelen. Alcoholen, met name die met vertakte structuren, vetzuren en esters, polyamiden, fosfaten, siliconenoliën, enz., worden ook vaak gebruikt als uitstekende antischuimmiddelen.
(4) Schuim en wassen
Er is geen direct verband tussen schuim en waseffect, en de hoeveelheid schuim betekent niet dat het waseffect goed of slecht is. Zo is de schuimwerking van niet-ionogene oppervlakteactieve stoffen veel slechter dan die van zeep, maar hun reinigingskracht is veel beter dan die van zeep.
In sommige gevallen is schuim nuttig bij het verwijderen van vuil. Bijvoorbeeld, bij het afwassen van serviesgoed thuis, kan het schuim van het wasmiddel de oliedruppels verwijderen; bij het schrobben van tapijt helpt schuim om vast vuil zoals stof en poeder te verwijderen. Daarnaast kan schuim soms worden gebruikt als indicatie of het wasmiddel effectief is, omdat vette olievlekken de schuimvorming van het wasmiddel kunnen belemmeren. Wanneer er te veel olievlekken en te weinig wasmiddel zijn, zal er geen schuim zijn of zal het oorspronkelijke schuim verdwijnen. Soms kan schuim ook worden gebruikt als indicatie of het spoelen schoon is. Omdat de hoeveelheid schuim in het spoelwater de neiging heeft af te nemen naarmate het wasmiddelgehalte afneemt, kan de spoelgraad worden beoordeeld aan de hand van de hoeveelheid schuim.
9. Wasproces
In brede zin is wassen het proces waarbij ongewenste componenten van het te wassen object worden verwijderd en een bepaald doel wordt bereikt. Wassen in de gebruikelijke zin verwijst naar het proces waarbij vuil van het oppervlak van een drager wordt verwijderd. Tijdens het wassen wordt de interactie tussen vuil en de drager verzwakt of geëlimineerd door de werking van bepaalde chemische stoffen (zoals detergenten), waardoor de combinatie van vuil en drager wordt omgezet in de combinatie van vuil en detergent, wat uiteindelijk leidt tot het loslaten van vuil en drager. Omdat de te wassen objecten en het te verwijderen vuil divers zijn, is wassen een zeer complex proces. Het basisproces van wassen kan worden weergegeven door de volgende eenvoudige relatie:
Drager • Vuil+Wasmiddel=Drager+Vuil • Wasmiddel
Het wasproces kan doorgaans in twee fasen worden verdeeld: de eerste is de scheiding van vuil en de drager onder invloed van het wasmiddel; de tweede is het losgemaakte vuil dat in het wasmiddel wordt verspreid en gesuspendeerd. Het wasproces is een omkeerbaar proces, en vuil dat in het wasmiddel is verspreid of gesuspendeerd, kan ook vanuit het wasmiddel weer op het wasgoed neerslaan. Daarom moet een uitstekend wasmiddel niet alleen vuil van de drager kunnen losmaken, maar ook goed in staat zijn om vuil te verspreiden en te suspenderen, en te voorkomen dat het zich opnieuw afzet.
(1) Soorten vuil
Zelfs voor hetzelfde item zullen het type, de samenstelling en de hoeveelheid vuil variëren, afhankelijk van de gebruiksomgeving. Vuil van olielichamen omvat voornamelijk dierlijke en plantaardige oliën, evenals minerale oliën (zoals ruwe olie, stookolie, koolteer, enz.), terwijl vast vuil voornamelijk bestaat uit rook, stof, roest, roet, enz. Wat kledingvuil betreft, omvat het menselijk lichaam vuil, zoals zweet, talg, bloed, enz.; vuil van voedsel, zoals fruitvlekken, vlekken van eetbare olie, vlekken van kruiden, zetmeel, enz.; vuil afkomstig van cosmetica, zoals lippenstift en nagellak; vuil uit de atmosfeer, zoals rook, stof, aarde, enz.; en andere materialen zoals inkt, thee, verf, enz. Er kunnen verschillende soorten worden genoemd.
Verschillende soorten vuil kunnen over het algemeen worden onderverdeeld in drie categorieën: vast vuil, vloeibaar vuil en speciaal vuil.
① Veelvoorkomend vast vuil bestaat uit deeltjes zoals as, modder, aarde, roest en roet. De meeste van deze deeltjes hebben een oppervlaktelading, meestal negatief, en worden gemakkelijk geadsorbeerd aan vezelachtige voorwerpen. Vast vuil is over het algemeen moeilijk op te lossen in water, maar kan wel worden verspreid en gesuspendeerd door reinigingsoplossingen. Vast vuil met kleine deeltjes is moeilijk te verwijderen.
2 Vloeibaar vuil is voornamelijk oplosbaar in olie, waaronder dierlijke en plantaardige oliën, vetzuren, vetalcoholen, minerale oliën en hun oxiden. Dierlijke en plantaardige oliën en vetzuren kunnen verzepen met alkali, terwijl vetalcoholen en minerale oliën niet verzepen met alkali, maar wel kunnen oplossen in alcoholen, ethers en organische koolwaterstofoplosmiddelen, en geëmulgeerd en gedispergeerd kunnen worden door waterige detergentoplossingen. Vloeibaar vuil dat oplosbaar is in olie, heeft over het algemeen een sterke interactie met vezelachtige objecten en adsorbeert stevig aan vezels.
③ Speciaal vuil omvat eiwitten, zetmeel, bloed, menselijke afscheidingen zoals zweet, talg, urine, maar ook vruchtensap, thee, enz. De meeste van deze soorten vuil kunnen zich door chemische reacties sterk hechten aan vezelachtige voorwerpen. Daardoor is het vrij moeilijk te wassen.
Verschillende soorten vuil bestaan zelden afzonderlijk, maar zijn vaak vermengd en samen aan voorwerpen geadsorbeerd. Vuil kan soms oxideren, ontbinden of vergaan onder invloed van buitenaf, waardoor nieuw vuil ontstaat.
(2) Het hechtingseffect van vuil
De reden waarom kleding, handen, enz. vuil kunnen worden, is dat er een interactie is tussen voorwerpen en vuil. Er zijn verschillende hechtingseffecten van vuil op voorwerpen, maar deze zijn voornamelijk fysiek en chemisch.
① De fysieke hechting van sigarettenas, stof, sediment, roet en andere stoffen aan kleding. Over het algemeen is de interactie tussen het aangehechte vuil en het verontreinigde object relatief zwak en is het verwijderen van vuil ook relatief eenvoudig. Afhankelijk van de verschillende krachten kan de fysieke hechting van vuil worden onderverdeeld in mechanische hechting en elektrostatische hechting.
A: Mechanische hechting verwijst voornamelijk naar de hechting van vast vuil, zoals stof en sediment. Mechanische hechting is een zwakke hechtingsmethode voor vuil, dat vrijwel met eenvoudige mechanische methoden verwijderd kan worden. Wanneer de deeltjesgrootte van het vuil echter klein is (<0,1 µm), is het moeilijker te verwijderen.
B: Elektrostatische hechting manifesteert zich voornamelijk door de inwerking van geladen vuildeeltjes op objecten met tegengestelde ladingen. De meeste vezelachtige objecten dragen een negatieve lading in water en hechten zich gemakkelijk aan positief geladen vuil, zoals kalk. Sommige soorten vuil, hoewel negatief geladen, zoals roetdeeltjes in waterige oplossingen, kunnen zich aan vezels hechten via ionenbruggen die gevormd worden door positieve ionen (zoals Ca2+, Mg2+, enz.) in water (ionen werken samen tussen meerdere tegengestelde ladingen en gedragen zich als bruggen).
Statische elektriciteit is sterker dan eenvoudige mechanische actie, waardoor het relatief moeilijk is om vuil te verwijderen.
③ Verwijderen van speciaal vuil
Eiwitten, zetmeel, menselijke afscheidingen, vruchtensap, theewater en andere soorten vuil zijn moeilijk te verwijderen met algemene oppervlakteactieve stoffen en vereisen speciale behandelingsmethoden.
Eiwitvlekken zoals room, eieren, bloed, melk en huiduitwerpselen zijn gevoelig voor coagulatie en denaturatie op vezels en hechten zich daardoor steviger. Eiwitvervuiling kan worden verwijderd met behulp van protease. Protease kan eiwitten in vuil afbreken tot in water oplosbare aminozuren of oligopeptiden.
Zetmeelvlekken ontstaan voornamelijk uit voeding, maar ook uit andere bronnen, zoals vleessappen, pasta, etc. Zetmeelenzymen hebben een katalyserend effect op de hydrolyse van zetmeelvlekken, waarbij zetmeel wordt afgebroken tot suikers.
Lipase kan de afbraak van bepaalde triglyceriden katalyseren die moeilijk met conventionele methoden verwijderd kunnen worden, zoals talg dat door het menselijk lichaam wordt afgescheiden, eetbare oliën, enz., om triglyceriden af te breken in oplosbare glycerol en vetzuren.
Sommige gekleurde vlekken van vruchtensap, thee, inkt, lippenstift, enz. zijn vaak moeilijk grondig te verwijderen, zelfs na herhaaldelijk wassen. Dit type vlek kan worden verwijderd door oxidatie-reductiereacties met oxidanten of reductiemiddelen zoals bleekmiddel. Deze breken de structuur van de chromofoor of chromofoorgroepen af en breken deze af tot kleinere, in water oplosbare componenten.
Vanuit het perspectief van chemisch reinigen zijn er grofweg drie soorten vuil.
① In olie oplosbaar vuil omvat verschillende oliën en vetten, die vloeibaar of vettig zijn en oplosbaar in oplosmiddelen voor chemische reiniging.
2 Wateroplosbaar vuil is oplosbaar in waterige oplossingen, maar onoplosbaar in chemische reinigingsmiddelen. Het adsorbeert aan kleding in de vorm van een waterige oplossing en na verdamping van het water slaan korrelige vaste stoffen zoals anorganische zouten, zetmeel, eiwitten, enz. neer.
③ Vuil dat niet in olie of water oplosbaar is, is niet oplosbaar in water en oplosmiddelen voor chemische reiniging, zoals roet, verschillende metaalsilicaten en oxiden.
Vanwege de verschillende eigenschappen van verschillende soorten vuil zijn er verschillende manieren om vuil te verwijderen tijdens het chemisch reinigen. In olie oplosbaar vuil, zoals dierlijke en plantaardige oliën, minerale oliën en vetten, is gemakkelijk oplosbaar in organische oplosmiddelen en kan gemakkelijk worden verwijderd tijdens het chemisch reinigen. De uitstekende oplosbaarheid van oplosmiddelen voor chemisch reinigen van olie en vet is hoofdzakelijk te danken aan de vanderwaalskrachten tussen moleculen.
Voor het verwijderen van in water oplosbaar vuil, zoals anorganische zouten, suikers, eiwitten, zweet, enz., is het ook noodzakelijk om een geschikte hoeveelheid water aan het chemisch reinigingsmiddel toe te voegen, anders is in water oplosbaar vuil moeilijk uit kleding te verwijderen. Water is echter moeilijk oplosbaar in chemisch reinigingsmiddelen, dus om de hoeveelheid water te verhogen, moeten oppervlakteactieve stoffen worden toegevoegd. Het water in chemisch reinigingsmiddelen kan vuil en het oppervlak van kleding hydrateren, waardoor het gemakkelijk kan interageren met de polaire groepen van oppervlakteactieve stoffen, wat gunstig is voor de adsorptie van oppervlakteactieve stoffen aan het oppervlak. Bovendien kunnen in water oplosbaar vuil en water in de micellen oplossen wanneer oppervlakteactieve stoffen micellen vormen. Oppervlakteactieve stoffen kunnen niet alleen het watergehalte in oplosmiddelen voor chemisch reinigen verhogen, maar ook de herafzetting van vuil voorkomen en zo het reinigingseffect verbeteren.
Voor het verwijderen van in water oplosbaar vuil is een kleine hoeveelheid water nodig, maar te veel water kan ervoor zorgen dat sommige kledingstukken vervormen, kreuken, enz. Daarom moet het watergehalte in het droge wasmiddel gematigd zijn.
Vaste deeltjes zoals as, modder, aarde en roet, die noch in water noch in olie oplosbaar zijn, hechten zich over het algemeen aan kleding door elektrostatische adsorptie of door zich te verbinden met olievlekken. Bij chemisch reinigen kunnen de stroming en de impact van oplosmiddelen ervoor zorgen dat vuil dat door elektrostatische krachten is geadsorbeerd, loslaat, terwijl chemische reinigingsmiddelen olievlekken kunnen oplossen, waardoor vaste deeltjes die zich met de olievlekken verbinden en aan de kleding hechten, van het chemische reinigingsmiddel loslaten. De kleine hoeveelheid water en oppervlakteactieve stoffen in het chemische reinigingsmiddel kan de vaste vuildeeltjes die loskomen stabiel in suspensie brengen en verspreiden, waardoor ze zich niet opnieuw op de kleding kunnen afzetten.
(5) Factoren die het waseffect beïnvloeden
De gerichte adsorptie van oppervlakteactieve stoffen aan het grensvlak en de verlaging van de oppervlaktespanning (grensvlakspanning) zijn de belangrijkste factoren voor het verwijderen van vloeibare of vaste vervuiling. Maar het wasproces is relatief complex en zelfs het waseffect van hetzelfde type wasmiddel wordt beïnvloed door vele andere factoren. Deze factoren omvatten de concentratie van het wasmiddel, de temperatuur, de aard van het vuil, het type vezel en de structuur van de stof.
① Concentratie van oppervlakteactieve stoffen
De micellen van oppervlakteactieve stoffen in de oplossing spelen een belangrijke rol in het wasproces. Wanneer de concentratie de kritische micelconcentratie (CMC) bereikt, neemt het waseffect sterk toe. Daarom moet de concentratie van het detergent in het oplosmiddel hoger zijn dan de CMC-waarde om een goed waseffect te bereiken. Wanneer de concentratie oppervlakteactieve stoffen echter de CMC-waarde overschrijdt, neemt het toenemende waseffect af en is een excessieve verhoging van de oppervlakteactieve concentratie niet nodig.
Bij gebruik van solubilisatie om olievlekken te verwijderen, zelfs als de concentratie boven de CMC-waarde ligt, neemt het solubilisatie-effect nog steeds toe naarmate de concentratie oppervlakteactieve stoffen toeneemt. Het is dan raadzaam om wasmiddel lokaal te gebruiken, bijvoorbeeld op de manchetten en kragen van kleding waar veel vuil zit. Tijdens het wassen kan eerst een laagje wasmiddel worden aangebracht om het solubilisatie-effect van oppervlakteactieve stoffen op olievlekken te verbeteren.
② Temperatuur heeft een aanzienlijke invloed op het reinigingseffect. Over het algemeen is een hogere temperatuur gunstig voor het verwijderen van vuil, maar soms kan een te hoge temperatuur ook nadelige effecten hebben.
Een temperatuurstijging is gunstig voor de diffusie van vuil. Vaste olievlekken worden gemakkelijk geëmulgeerd wanneer de temperatuur boven hun smeltpunt ligt, en vezels zetten ook meer uit door de temperatuurstijging. Al deze factoren zijn gunstig voor het verwijderen van vuil. Bij strakke stoffen worden de microspleten tussen de vezels echter kleiner na het uitzetten van de vezels, wat niet bevorderlijk is voor het verwijderen van vuil.
Temperatuurveranderingen beïnvloeden ook de oplosbaarheid, CMC-waarde en micelgrootte van oppervlakteactieve stoffen en beïnvloeden daarmee het waseffect. Oppervlakteactieve stoffen met lange koolstofketens hebben een lagere oplosbaarheid bij lage temperaturen, en soms zelfs een lagere oplosbaarheid dan de CMC-waarde. In dit geval moet de wastemperatuur op passende wijze worden verhoogd. Het effect van temperatuur op de CMC-waarde en micelgrootte is verschillend voor ionische en niet-ionische oppervlakteactieve stoffen. Voor ionische oppervlakteactieve stoffen leidt een temperatuurverhoging over het algemeen tot een verhoging van de CMC-waarde en een afname van de micelgrootte. Dit betekent dat de concentratie oppervlakteactieve stoffen in de wasoplossing moet worden verhoogd. Voor niet-ionische oppervlakteactieve stoffen leidt een stijgende temperatuur tot een verlaging van hun CMC-waarde en een significante toename van hun micelgrootte. Het is duidelijk dat een passende temperatuurverhoging niet-ionische oppervlakteactieve stoffen kan helpen hun oppervlakteactiviteit uit te oefenen. Maar de temperatuur mag het troebelingspunt niet overschrijden.
Kortom, de meest geschikte wastemperatuur hangt af van de formule van het wasmiddel en het te wassen voorwerp. Sommige wasmiddelen hebben een goed reinigend effect bij kamertemperatuur, terwijl andere wasmiddelen een aanzienlijk ander reinigingseffect hebben bij koud en warm wassen.
③ Schuim
Mensen verwarren schuimvorming vaak met waseffect, in de veronderstelling dat wasmiddelen met een sterk schuimend vermogen een beter waseffect hebben. De resultaten tonen echter aan dat het waseffect niet direct verband houdt met de hoeveelheid schuim. Zo heeft het gebruik van een wasmiddel met een laag schuimend vermogen geen slechter waseffect dan een wasmiddel met een hoog schuimend vermogen.
Hoewel schuim niet direct verband houdt met wassen, is schuim in sommige situaties toch nuttig om vuil te verwijderen. Zo kan het schuim van het afwasmiddel oliedruppels wegzuigen bij het afwassen met de hand. Bij het schrobben van tapijt kan schuim ook vaste vuildeeltjes zoals stof verwijderen. Stof vormt een groot deel van het tapijtvuil, dus tapijtreinigers zouden een bepaald schuimend vermogen moeten hebben.
Schuimkracht is ook belangrijk voor shampoo. Het fijne schuim dat de vloeistof produceert tijdens het wassen van het haar of het baden, geeft mensen een comfortabel gevoel.
④ Soorten vezels en fysieke eigenschappen van textiel
Naast de chemische structuur van de vezels die van invloed is op de hechting en verwijdering van vuil, hebben ook het uiterlijk van de vezels en de organisatiestructuur van garens en stoffen invloed op de moeilijkheidsgraad van het verwijderen van vuil.
De schubben van wolvezels en de platte, strookachtige structuur van katoenvezels hechten zich sneller aan vuil dan gladde vezels. Zo is roet dat aan cellulosefolie (plakfolie) kleeft gemakkelijk te verwijderen, terwijl roet dat aan katoen kleeft moeilijk afwasbaar is. Polyester stoffen met korte vezels zijn bijvoorbeeld gevoeliger voor olievlekken dan stoffen met lange vezels, en de olievlekken op stoffen met korte vezels zijn ook moeilijker te verwijderen dan die op stoffen met lange vezels.
Strak gedraaide garens en strakke stoffen kunnen, dankzij de kleine microgaatjes tussen de vezels, het binnendringen van vuil tegengaan, maar voorkomen ook dat de reinigingsoplossing het vuil inwendig verwijdert. Strakke stoffen zijn daarom in het begin goed bestand tegen vuil, maar zijn na vervuiling moeilijk te reinigen.
⑤ De hardheid van water
De concentratie metaalionen zoals Ca2+ en Mg2+ in water heeft een aanzienlijke invloed op het waseffect, vooral wanneer anionische oppervlakteactieve stoffen in contact komen met Ca2+- en Mg2+-ionen en calcium- en magnesiumzouten vormen met een slechte oplosbaarheid, wat hun reinigende werking kan verminderen. Zelfs als de concentratie oppervlakteactieve stoffen hoog is in hard water, is hun reinigende werking nog steeds veel slechter dan bij destillatie. Om het beste waseffect van oppervlakteactieve stoffen te bereiken, moet de concentratie Ca2+-ionen in water worden verlaagd tot minder dan 1 × 10-6 mol/l (CaCO3 moet worden verlaagd tot 0,1 mg/l). Dit vereist het toevoegen van verschillende wasverzachters aan het wasmiddel.
Plaatsingstijd: 16-08-2024