1、表面張力

 

　　把液體表面任意單位長度的收縮力稱為表面張力，單位為N?m-1。

 

2、表面活性和表面活性劑

 

將能降低溶劑表面張力的性質(zhì)稱為表面活性，而具有表面活性的物質(zhì)稱為表面活性物質(zhì)。

 

把能在水溶液中分子發(fā)生締合且形成膠束等締合體，并具有較高的表面活性，同時還具有潤濕﹑乳化﹑起泡﹑洗滌等作用的表面活性物質(zhì)稱為表面活性劑。

 

3、表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)特點

 

　　表面活性劑是一種具有特殊結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的有機(jī)化合物，它們能明顯地改變兩相間的界面張力或液體(一般為水)的表面張力，具有潤濕﹑起泡﹑乳化﹑洗滌等性能。

 

就結(jié)構(gòu)而言，表面活性劑都有一個共同的特點，即其分子中含有兩種不同性質(zhì)的基團(tuán)，一端是長鏈非極性基團(tuán)，能溶于油而不溶于水，亦即所謂的疏水基團(tuán)或憎水基，這種憎水基一般都是長鏈的碳?xì)浠衔铮袝r也為有機(jī)氟﹑有機(jī)硅﹑有機(jī)磷﹑有機(jī)錫鏈等。另一端則是水溶性的基團(tuán)，即親水基團(tuán)或親水基。親水基團(tuán)必須有足夠的親水性，以保證整個表面活性劑能溶于水，并有必要的溶解度。由于表面活性劑含有親水基和疏水基，因而它們至少能溶于液相中的某一相。表面活性劑的這種既親水又親油的性質(zhì)稱為兩親性。

 

4、表面活性劑的類型

 

　　表面活性劑是一種既有疏水基團(tuán)又有親水基團(tuán)的兩親性分子。表面活性劑的疏水基團(tuán)一般是由長鏈的碳?xì)錁?gòu)成，如直鏈烷基C8～C20，支鏈烷基C8 ～C20，烷基苯基(烷基碳原子數(shù)為8 ～ 16)等。疏水基團(tuán)的差別主要是在碳?xì)滏湹慕Y(jié)構(gòu)變化上，差別較小，而親水基團(tuán)的種類則較多，所以表面活性劑的性質(zhì)除與疏水基團(tuán)的大小﹑形狀有關(guān)外，主要還與親水基團(tuán)有關(guān)。親水基團(tuán)的結(jié)構(gòu)變化較疏水基團(tuán)大，因而表面活性劑的分類一般以親水基團(tuán)的結(jié)構(gòu)為依據(jù)。這種分類是以親水基團(tuán)是否是離子型為主，將其分為陰離子型﹑陽離子型﹑非離子型﹑兩性離子型和其他特殊類型的表面活性劑。

 

5、表面活性劑水溶液的特性

 

①表面活性劑在界面上的吸附

 

　　表面活性劑分子中具有親油基和親水基，為兩親分子。水是強極性液體，當(dāng)表面活性劑溶于水中時，根據(jù)極性相似相引﹑極性相異相斥原理，其親水基與水相引而溶于水，其親油基與水相斥而離開水，結(jié)果表面活性劑分子(或離子)吸附在兩相界面上，使兩相間的界面張力降低。表面活性劑分子 (或離子)在界面上吸附越多，界面張力降低越大。

 

②吸附膜的一些性質(zhì)

 

吸附膜的表面壓力：表面活性劑在氣液界面吸附形成吸附膜，如在界面上放置一無摩擦可移動浮片，以浮片沿溶液面推動吸附質(zhì)膜，膜對浮片產(chǎn)生一壓力，此壓力稱為表面壓力。

 

表面黏度：與表面壓力一樣，表面黏度是由不溶性分子膜表現(xiàn)出的一種性質(zhì)。以細(xì)金屬絲懸吊一白金環(huán)，令其平面接觸水槽的水表面，旋轉(zhuǎn)白金環(huán)，白金環(huán)受水的黏度阻礙，振幅逐漸衰減，據(jù)此可測定表面黏度，方法是：先在純水表面進(jìn)行實驗，測出振幅衰減，然后測定形成表面膜后的衰減，從兩者的差值求出表面膜的黏度。

 

表面黏度與表面膜的牢固度密切有關(guān)，由于吸附膜有表面壓力和黏度，它必定具有彈性。吸附膜的表面壓力越大，黏度越高，其彈性模量就越大。表面吸附膜的彈性模量在穩(wěn)泡過程中有重要意義。

 

③膠束的形成

 

表面活性劑的稀溶液服從理想溶液所遵循的規(guī)律。表面活性劑在溶液表面的吸附量隨溶液濃度增高而增多，當(dāng)濃度達(dá)到或超過某值后，吸附量不再增加，這些過多的表面活性劑分子在溶液內(nèi)是雜亂無章的，抑或以某種有規(guī)律的方式存在。實踐和理論均表明，它們在溶液內(nèi)形成締合體，這種締合體稱為膠束。

 

臨界膠束濃度：表面活性劑在溶液中形成膠束的最低濃度稱為臨界膠束濃度。

 

④常見表面活性劑的cmc值。

 

6、親水親油平衡值

 

HLB是hydrophile lipophile balance的縮寫，表示了表面活性劑的親水基團(tuán)和親油基團(tuán)具有的親水親油平衡值，即表面活性劑HLB 值。HLB值大，表示分子的親水性強，親油性弱；反之親油性強，親水性弱。

 

①HLB值的規(guī)定

 

HLB值是個相對值，故在制定HLB值時，作為標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定無親水性能的石蠟的HLB值為 0，而水溶性較強的十二烷基硫酸鈉的HLB值為40。因此表面活性劑的 HLB 值一般在1～40范圍以內(nèi)。通常來說，HLB 值小于 10的乳化劑為親油性的，而大于10的乳化劑則是親水性的。因此，由親油性到親水性的轉(zhuǎn)折點約為10 。

 

　　根據(jù)表面活性劑的HLB值，可大致了解其可能的用途，如表1-3所示。

 

　　表1-3 HLB范圍及其應(yīng)用性能

由上表可知，適合于作油包水型乳化劑的表面活性劑的HLB值為3.5～6，而水包油型乳化劑的 HLB值為8～18。

 

②HLB值的確定(略) 。

 

7、乳化作用和增溶作用

 

　　兩種互不溶的液體，一種以微粒(液滴或液晶)分散于另一種中形成的體系稱為乳狀液。形成乳狀液時由于兩液體的界面積增大，所以這種體系在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的，為使乳狀液穩(wěn)定需要加入第三組分—乳化劑以降低體系的界面能。乳化劑屬于表面活性劑，其主要功能是起乳作用。乳狀液中以液滴存在的那一相稱為分散相 (或內(nèi)相﹑不連續(xù)相)，連成一片的另一相叫做分散介質(zhì)(或外相﹑連續(xù)相 ) 。

 

①乳化劑和乳狀液

 

　　常見的乳狀液，一相是水或水溶液，另一相是與水不相混溶的有機(jī)物，如油脂﹑蠟等。水和油形成的乳狀液，根據(jù)其分散情形可分為兩種：油分散在水中形成水包油型乳狀液，以O/W(油/水) 表示：水分散油中形成油包水型乳狀液，以W/O(水/油) 表示。此外還可能形成復(fù)雜的水包油包水 W/O/W型和油包水包油O/W/O型的多元乳狀液。

 

乳化劑是通過降低界面張力和形成單分子界面膜使乳狀液穩(wěn)定的。

 

　　在乳化作用中對乳化劑的要求：a：乳化劑必須能吸附或富集在兩相的界面上，使界面張力降低；b：乳化劑必須賦予粒子以電荷，使粒子間產(chǎn)生靜電排斥，或在粒子周圍形成一層穩(wěn)定的﹑黏度特別高的保護(hù)膜。所以，用作乳化劑的物質(zhì)必須具有兩親基團(tuán)才能起乳化作用，表面活性劑能滿足這種要求。

 

②乳化液的制備方法和影響乳狀液穩(wěn)定性的因素

 

制備乳狀液的方法有兩種：一種是采用機(jī)械法使液體以微小的粒子分散于另一種液體中，工業(yè)上多采用這種方法制備乳狀液；另一種是將液體以分子狀態(tài)溶于另一液體中，然后使其適當(dāng)?shù)鼐奂纬扇闋钜骸?

 

乳狀液的穩(wěn)定性是指反抗粒子聚集而導(dǎo)致相分離的能力。乳狀液在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的體系，有較大的自由能。因此所謂乳狀液的穩(wěn)定性實際上是指體系達(dá)到平衡狀態(tài)所需要的時間，即體系中一種液體發(fā)生分離所需要的時間。

 

　　當(dāng)界面膜中有脂肪醇﹑脂肪酸和脂肪胺等極性有機(jī)物分子時，膜強度顯著增高。這是因為，在界面吸附層中乳化劑分子與醇﹑酸和胺等極性分子發(fā)生作用形成“復(fù)合物”，使界面膜強度增高的緣故。

 

　　由兩種以上表面活性劑組成的乳化劑稱為混合乳化劑。混合乳化劑吸附在水/油界面上，分子間發(fā)生作用可形成絡(luò)合物。由于分子間強烈作用，界面張力顯著降低，乳化劑在界面上吸附量顯著增多，形成的界面膜密度增大，強度增高。

 

液珠的電荷對乳狀液的穩(wěn)定性有明顯的影響。穩(wěn)定的乳狀液，其液珠一般都帶有電荷。當(dāng)使用離子型乳化劑時，吸附在界面上的乳化劑離子其親油基插入油相，親水基處于水相，從而使液珠帶電。由于乳狀液的液珠帶同種電荷，它們之間相互排斥，不易聚結(jié)，使穩(wěn)定性增高。可見，液珠上吸附的乳化劑離子越多，其帶電量越大，防止液珠聚結(jié)能力也越大，乳狀液體系就越穩(wěn)定。

 

乳狀液分散介質(zhì)的黏度對乳狀液的穩(wěn)定性有一定影響。一般，分散介質(zhì)的黏度越大，乳狀液的穩(wěn)定性越高。這是因為分散介質(zhì)的黏度大，對液珠的布朗運動阻礙作用強，減緩了液珠之間碰撞，使體系保持穩(wěn)定。通常能溶于乳狀液的高分子物質(zhì)均能增高體系的黏度，使乳狀液的穩(wěn)定性增高。此外高分子還能形成堅固的界面膜，使乳狀液體系更加穩(wěn)定。

 

在某些情況下加入固體粉未也能使乳狀液趨于穩(wěn)定。固體粉未處于水﹑油中或界面上，取決于油﹑水對固體粉未的潤濕能力，若固體粉未完全為水潤濕，又能被油潤濕，才會滯留于水油界面上。

 

固體粉未使乳狀液穩(wěn)定的原因在于，聚集于界面的粉未增強了界面膜，這與界面吸附乳化劑分子相似，故固體粉未料子在界面上排列得越緊密，乳狀液越穩(wěn)定。

 

表面活性劑在水溶液中形成膠束后具有能使不溶或微溶于水的有機(jī)物的溶解度顯著增大的能力，且此時溶液呈透明狀，膠束的這種作用稱為增溶。能產(chǎn)生增溶作用的表面活性劑叫做增溶劑，被增溶的有機(jī)物稱為被增溶物。

 

8、泡沫

 

泡沫在洗滌過程中起著重要的作用。泡沫是指氣體分散在液體或固體中的分散體系，氣體為分散相，液體或固體為分散介質(zhì)，前者稱為液體泡沫，而后者稱為固體泡沫，如泡沫塑料，泡沫玻璃，泡沫水泥等。

 

(1)泡沫的形成

 

　　我們這里所說的泡沫，是指被液體薄膜隔開的氣泡的聚集物。這種泡沫由于分散相(氣體)和分散介質(zhì)( 液體 )的密度相差較大，加之液體的黏度低，因此氣泡總是能很快地升到液面。

 

形成泡沫的過程是將大量氣體帶入液體，液體中的氣泡又很快返回到液面，形成由少量液氣隔開的氣泡聚集體

 

泡沫在形態(tài)上具有兩個顯著的特點：其一是作為分散相的氣泡常常是呈多面體形狀，這是因為在氣泡的相交處，有一種液膜變薄的趨勢使氣泡成為多面體，當(dāng)液膜變薄到一定程度，則導(dǎo)致氣泡破裂；其二是，純凈液不能形成穩(wěn)定的泡沫，能形成泡沫的液體，至少是兩個以上的組分。表面活性劑的水溶液是典型的易產(chǎn)生泡沫的體系，其生成泡沫的能力與其他性能也有一定的關(guān)系。

 

起泡力好的表面活性劑稱為起泡劑。起泡劑盡管具有良好的泡沫能力，但形成的泡沫不一定能維持較長的時間，即其穩(wěn)定性不一定良好。為了保持泡沫的穩(wěn)定，常在起泡劑中加入能增加泡沫穩(wěn)定性的物質(zhì)，這種物質(zhì)稱為穩(wěn)泡劑，常用的穩(wěn)泡劑有月桂酰二乙醇胺和十二烷基二甲基胺的氧化物。

 

(2)泡沫的穩(wěn)定性

 

泡沫是一種熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，最后的趨勢是破泡之后體系內(nèi)液體的總表面積減小，自由能降低。消泡過程就是隔開氣體的液膜由厚變薄，直至破裂的過程。因此，泡沫的穩(wěn)定程度主要是由排液快慢和液膜的強度決定的。其影響因素還有以下幾種。

 

①表面張力

 

從能量觀點考慮，低表面張力對于泡沫的形成比較有利，但不能保證泡沫穩(wěn)定。表面張力低，壓差小，排液速度變慢，液膜變薄較慢，有利于泡沫的穩(wěn)定。

 

②表面黏度

 

決定泡沫穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素在于液膜強度，而液膜強度主要決定于表面吸附膜的堅固性，以表面黏度為其量度。實驗證明，表面黏度較大的溶液所生成的泡沫壽命較長。這是因為表面吸附分子間的相互作用導(dǎo)致膜強度增大，從而提高泡沫的壽命。

 

③溶液黏度

 

當(dāng)液體本身的黏度增大時，液膜中的液體不易排出，液膜厚度變薄的速度較慢，延緩了液膜破裂的時間，增加了泡沫的穩(wěn)定性。

 

④表面張力的“修復(fù)”作用

 

表面活性劑吸附于表面的液膜，有反抗液膜表面擴(kuò)張或收縮的能力，我們將這一能力稱為修復(fù)作用。這是因為有表面活性劑在表面上吸附的液膜，擴(kuò)張其表面積將降低表面吸附分子的濃度，增大表面張力。進(jìn)一步擴(kuò)大表面將需要做更大的功。反之表面積收縮將增加表面吸附分子的濃度，即減小表面張力，不利于進(jìn)一步的收縮。

 

⑤氣體通過液膜的擴(kuò)散

 

由于毛細(xì)壓力的存在，泡沫中小泡的壓力要比大泡壓力高，會造成小泡中的氣體透過液膜擴(kuò)散到低壓的大泡中，造成小泡變小，大泡變大，最終泡沫破裂的現(xiàn)象。如果加入表面活性劑，發(fā)泡時則可使泡沫均勻細(xì)密，不易消泡。由于表面活性劑緊密排列在液膜上，透氣困難，而使泡沫更加穩(wěn)定。

 

⑥表面電荷的影響

 

如果泡沫液膜帶有相同符號的電荷，液膜兩個表面將互相排斥，防止了液膜變薄乃至破壞。離子型表面活性劑可起這種穩(wěn)定作用。

 

綜上所述，液膜強度是決定泡沫穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。作為起泡劑和穩(wěn)泡劑的表面活性劑，其表面吸附分子排列的緊密性和牢固性是最重要的因素。表面吸附分子相互作用強時，吸附分子排列結(jié)構(gòu)緊密，這不僅使表面膜本身具有較高的強度，而且因表面黏度較高使鄰近表面膜的溶液不易流動，液膜排液相對困難，液膜的厚度易于維持。此外，排列緊密的表面分子還能減低氣體分子的透過性從而也可增加泡沫的穩(wěn)定性。

 

(3)泡沫的破壞

 

破壞泡沫的基本原則就是改變產(chǎn)生泡沫的條件或消除泡沫的穩(wěn)定因素，因而有物理和化學(xué)兩種消泡方法。

 

物理消泡就是在維持泡沫溶液的化學(xué)成分不變的情況下改變泡沫產(chǎn)生的條件，如外力的擾動﹑溫度或壓力的改變以及超聲處理等都是消除泡沫的有效物理方法。

 

化學(xué)消泡法是加入某些物質(zhì)與起泡劑發(fā)生作用，降低泡沫中液膜的強度進(jìn)而降低泡沫的穩(wěn)定性以達(dá)到消泡的目的，這樣的物質(zhì)稱為消泡劑。消泡劑大多數(shù)為表面活性劑。因此根據(jù)消泡的作用機(jī)理，消泡劑應(yīng)當(dāng)具有較強的降低表面張力的能力，容易吸附在表面上，且表面吸附分子間的相互作用較弱，吸附分子排列結(jié)構(gòu)較為疏松。

 

消泡劑的種類多種多樣，但基本上都為非離子表面活性劑。非離子表面活性劑在其濁點附近或濁點以上時具有防泡性能，常用作消泡劑。醇類，特別是有分支結(jié)構(gòu)的醇﹑脂肪酸及脂肪酸酯﹑多酰胺﹑磷酸酯﹑硅油等也是常用的優(yōu)良消泡劑。

 

(4)泡沫與洗滌

 

泡沫與洗滌作用并沒有直接的聯(lián)系，泡沫量的多少并不表示洗滌效果的好壞。例如非離子表面活性劑的起泡性能遠(yuǎn)不如肥皂，但其去污力卻比肥皂優(yōu)異得多。

 

在某些情況下，泡沫在去除污垢方面還是有幫助的。例如：家庭洗滌餐具時，洗滌液的泡沫可以將洗下來的油滴帶走；擦洗地毯時，泡沫有助于帶走塵土﹑粉未等固體污垢。另外，泡沫有時可以作為洗滌液是否有效的一個標(biāo)志，因為脂肪性油污對洗滌液的泡沫有抑制作用，當(dāng)油污過多﹑洗滌劑量少時，就不會有泡沫生成，或使原來的泡沫消失。泡沫有時還可以作為漂洗是否干凈的指示劑，因為漂洗液中泡沫量往往隨洗滌劑含量的減少而減少，因此可以泡沫量的多少來評價漂洗的程度。

 

9、洗滌過程

 

　　從廣義上講，洗滌是從被洗滌對象中除去不需要的成分并達(dá)到某種目的的過程。通常意義的洗滌是指從載體表面去除污垢的過程。在洗滌時，通過一些化學(xué)物質(zhì)(如洗滌劑等)的作用以減弱或消除污垢與載體之間的相互作用，使污垢與載體的結(jié)合轉(zhuǎn)變?yōu)槲酃概c洗滌劑的結(jié)合，最終使污垢與載體脫離，因被洗滌對象和要清除的污垢是多種多樣的，因此洗滌是一個十分復(fù)雜的過程，洗滌作用的基本過程可用如下簡單關(guān)系表示

 

　　載體??污垢+洗滌劑=載體+ 污垢?洗滌劑

 

洗滌過程通常可分為兩個階段：一是在洗滌劑的作用下，污垢與其載體分離；二是脫離的污垢被分散﹑懸浮于介質(zhì)中。洗滌過程是一個可逆過程，分散﹑懸浮于介質(zhì)中的污垢也有可能從介質(zhì)中重新沉淀到被洗物上。因此，一種優(yōu)良的洗滌劑除了具有使污垢脫離載體的能力外，還應(yīng)有較好的分散和懸浮污垢﹑防止污垢再沉積的能力。

 

(1)污垢的種類

 

　　即使是同一種物品，如果使用環(huán)境不同，則污垢的種類﹑成分和數(shù)量也會不同。油體污垢主要是一些動﹑植物油及礦物油(如原油﹑燃料油﹑煤焦油等)，固體污垢主要是煙塵﹑灰土﹑鐵銹﹑炭黑等。就衣服的污垢而言，有來自人體的污垢，如汗﹑皮脂﹑血等；來自食品的污垢，如水果漬﹑食用油漬﹑調(diào)味品漬﹑淀粉等；有化妝品帶來的污垢，如唇膏﹑指甲油等；從大氣中來的污垢，如煙塵﹑灰塵﹑泥土等；其他如墨水﹑茶水﹑涂料等。可以說形形色色，種類繁多。

 

各種各樣的污垢通常可分為固體污垢﹑液體污垢和特殊污垢三大類。

 

①固體污垢常見的固體污垢有灰﹑泥﹑土﹑鐵銹和炭黑等顆粒。這些顆粒表面大多帶有電荷，多數(shù)帶負(fù)電，容易吸附在纖維物品上。一般固體污垢較難溶于水，但可被洗滌劑溶液分散﹑懸浮。質(zhì)點較小的固體污垢，除去較為困難。

 

②液體污垢液體污垢大都是油溶性的，包括動植油﹑脂肪酸﹑脂肪醇﹑礦物油及其氧化物等。其中動植物油﹑脂肪酸類能與堿發(fā)生皂化作用，而脂肪醇﹑礦物油則不為堿所皂化，但能溶于醇﹑醚和烴類有機(jī)溶劑，并被洗滌劑水溶液乳化和分散。油溶性液體污垢一般與纖維物品具有較強的作用力，在纖維上吸附較為牢固。

 

③特殊污垢特殊污垢有蛋白質(zhì)﹑淀粉﹑血﹑人體分泌物如汗﹑皮脂﹑尿以及果汁﹑茶汁等。這類污垢大多能通過化學(xué)作用而較強地吸附在纖維物品上。故洗滌起來比較困難。

 

各種污垢很少單獨存在，往往是混在一起，共同吸附在物品上。污垢有時在外界的影響下還會氧化﹑分解或腐敗，從而產(chǎn)生新的污垢。

 

(2)污垢的黏附作用

 

衣服﹑手等之所以能沾上污垢，是因為物體與污垢之間存在著某種相互作用。污垢在物體上的黏附作用多種多樣，但不外乎物理性黏附和化學(xué)黏附兩種。

 

①煙灰﹑塵土﹑泥沙﹑炭黑等在衣物上的黏附屬物理黏附。一般來說，通過這種黏附的污垢，與被沾污的物體之間的作用相對較弱，污垢的去除也比較容易。依作用力的不同，污垢的物理黏附又可分為機(jī)械力黏附和靜電力黏附。

 

A：機(jī)械力黏附這一類黏附主要指的是一些固體污垢(如塵土﹑泥沙)的黏附作用。機(jī)械力黏附是污垢比較弱的一種黏附方式，幾乎可以用單純的機(jī)械方法將污垢去除掉，但當(dāng)污垢的質(zhì)點比較小時 (﹤0.1um)，去除起來比較困難。

 

B：靜電力黏附靜電力黏附主要表現(xiàn)在帶電的污垢粒子在異性電荷物體上的作用。大多數(shù)纖維性物品在水中帶負(fù)電，很容易被某些帶正電荷的污垢，如石灰類所黏附。有些污垢盡管帶負(fù)電荷，如水溶液中的炭黑粒子，但可以通過水中的正離子(如 Ca2+﹑Mg2+等)所形成的離子橋 ( 離子在多個異性電荷之間，與它們共同作用，起類似橋梁的作用)附著在纖維上。

 

靜電作用比簡單的機(jī)械作用要強，因而污垢去除相對困難些。

 

②化學(xué)黏附

 

化學(xué)黏附是指污垢通過化學(xué)鍵或氫鍵作用到物體上的現(xiàn)象。如極性固體污垢﹑蛋白質(zhì)﹑鐵銹等在纖維物品上的黏附，纖維中含有羧基﹑羥基﹑酰胺等基團(tuán)，這些基團(tuán)和油性污垢的脂肪酸﹑脂肪醇容易形成氫鍵。化學(xué)作用力一般比較強，因而污垢在物體上結(jié)合得較為牢固。這類污垢用通常的方法很難去除，需采用特殊的方法來處理。

 

污垢黏附的牢固程度與污垢本身的性質(zhì)和被黏附物的性質(zhì)有關(guān)。一般顆粒容易在纖維性物品上黏附。固體污垢質(zhì)點越小，則黏附得越牢固。親水性物體如棉花﹑玻璃等表面上的極性污垢要比非極性污垢黏附得更牢固。而非極性污垢的黏附強度比極性污垢如極性脂肪﹑灰塵﹑黏土等要大，更不容易去除和清洗。

 

(3)污垢的去除機(jī)理

 

　　洗滌的目的在于去除污垢。在一定溫度的介質(zhì)中(主要以水為介質(zhì))。利用洗滌劑所產(chǎn)生的各種物理化學(xué)作用，減弱或消除污垢與被洗物品的作用，在一定的機(jī)械力作用下( 如手搓﹑洗衣機(jī)的攪動﹑水的沖擊)，使污垢與被洗物品脫離，達(dá)到去污的目的。

 

①液體污垢的去除機(jī)理

 

A：潤濕液體污垢大多為油性污垢。油污能潤濕大部分的纖維物品，在纖維材料的表面上或多或少擴(kuò)散成一層油膜。洗滌作用的第一步，是洗滌液潤濕表面。為說明方便，可將纖維的表面看成是平滑的固體表面。

 

B：油污的脫離-卷縮機(jī)理洗滌作用的第二步是油污的去除，液體污垢的去除是用一種卷縮的方式來實現(xiàn)的。液體污垢原來是以鋪開的油膜形式存在于表面上，在洗滌液對固體表面( 即纖維表面)優(yōu)先潤濕作用下，逐級卷縮成為油珠，被洗滌液替換下來，在一定外力作用下最終離開表面。

 

②固體污垢的去除機(jī)理

 

液體污垢的去除，主要是通過洗滌液對污垢載體的優(yōu)先潤濕，而對于固體污垢的去除機(jī)理則有所不同，在洗滌過程中，主要是洗滌液對污垢質(zhì)點及其載體表面的潤濕。由于表面活性劑在固體污垢及其載體表面的吸附，減小了污垢與表面之間的相互作用，降低了污垢質(zhì)點在表面的黏附強度，因而污垢質(zhì)點容易從載體表面上除去。

 

不僅如此，表面活性劑，尤其是離子型表面活性劑，在固體污垢及其載體表面上的吸附有可能增加固體污垢及其載體表面的表面電勢，更有利于污垢的去除。固體或一般纖維表面在水介質(zhì)中通常帶負(fù)電，因此，在污垢質(zhì)點或固體表面上能形成擴(kuò)散雙電層。由于同性電荷相斥，因此，水中污垢質(zhì)點在固體表面上的黏附強度會有所減弱。當(dāng)加入陰離子表面活性劑時，由于陰離子表面活性劑能同時提高污垢質(zhì)點及固體表面的負(fù)表面電勢，使它們之間的排斥力更為增強，因而，質(zhì)點的黏附強度更加降低，污垢更易于除去。

 

非離子表面活性劑在一般帶電的固體表面上都能產(chǎn)生吸附，盡管不能明顯改變界面電勢，但吸附的非離子表面活性劑往往在表面上形成一定厚度的吸附層，有助于防止污垢再沉積。

 

對于陽離子表面活性劑，由于它們的吸附會使污垢質(zhì)點及其載體表面的負(fù)表面電勢降低或消除，這使得污垢與表面之間的排斥降低，因而不利于去除污垢；再者，陽離子表面活性劑在固體表面吸附以后，往往將固體表面變成疏水性，因而不利于表面的潤濕，也就不利于洗滌。

 

③特殊污垢的去除

 

蛋白質(zhì)﹑淀粉﹑人體分泌物﹑果汁﹑茶汁等這類污垢用一般的表面活性劑難以除去，需采用特殊的處理方法。

 

像奶油﹑雞蛋﹑血液﹑牛奶﹑皮膚排泄物等蛋白質(zhì)污垢容易在纖維上凝結(jié)變性，黏附較為牢固。對于蛋白質(zhì)污垢，可以利用蛋白酶將其除去。其中的蛋白酶能將污垢中的蛋白質(zhì)分解成水溶性氨基酸或低聚肽。

 

淀粉污垢主要來自于食品，其他的如肉汁﹑糨糊等，淀粉酶對淀粉類污垢的水解有催化作用，使淀粉分解成糖類。

 

脂肪酶能催化分解一些用通常方法難以除去的三脂肪酸甘油酯類污垢，如人體分泌的皮脂﹑食用油脂等，使三脂肪酸甘油酯分解成可溶性的甘油和脂肪酸。

 

一些來自果汁﹑茶汁﹑墨水﹑唇膏等有顏色的污漬，即使反復(fù)洗滌也常常難以徹底洗干凈。此類污漬可以通過一些像漂白粉之類的氧化劑或還原劑進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，破壞生色基團(tuán)或助色基團(tuán)的結(jié)構(gòu)，使之降解成較小的水溶性成分而除去。

 

(4)干洗的去污機(jī)理

 

以上所說實際上是針對以水為介質(zhì)的洗滌作用。實際上，由于衣物的種類和結(jié)構(gòu)不同，某些衣物采用水洗方式不方便或不容易洗干凈，有的衣物水洗后甚至變形﹑褪色等，例如：大部分天然纖維吸水易于膨脹，而干燥后又容易縮水，因此經(jīng)水洗后會變形；經(jīng)水洗的羊毛制品也常出現(xiàn)縮水現(xiàn)象，一些毛紡制品用水洗后還容易起球﹑顏色走樣；一些絲綢用水洗后手感變差﹑失去光澤等。對于這些衣物常常采用干洗的方法進(jìn)行去污。所謂的干洗一般是指在有機(jī)溶劑特別是在非極性溶劑中的洗滌方式。

 

相對于水洗，干洗是一種比較溫和的洗滌方式。因為干洗并不需要太大的機(jī)械作用，對衣物不至于造成損傷﹑起皺和變形，同時干洗劑不像水那樣，很少產(chǎn)生膨脹和收縮作用。只要技術(shù)處理得當(dāng)，就可以使衣物干洗后達(dá)到不變形﹑不褪色和延長使用壽命等優(yōu)良效果。

 

從干洗角度來說，各種污垢大致有以下三種。

 

①油溶性污垢油溶性污垢包括各種油和油脂，是液體或油膩狀，可溶于干洗溶劑。

 

②水溶性污垢水溶性污垢可溶于水溶液，但不溶于干洗劑，是以水溶液狀態(tài)吸附在衣物上，水揮發(fā)后析出顆粒狀固體，如無機(jī)鹽﹑淀粉﹑蛋白質(zhì)等。

 

③油水不溶性污垢油水不溶性污垢既不溶于水，也不溶于干洗溶劑，如炭黑﹑各種金屬的硅酸鹽和氧化物等。

 

由于各種污垢的性質(zhì)不同，因而在干洗過程中對于污垢的去除存在不同的作用方式。油溶性污垢，如動植油﹑礦物油和油脂等，易溶于有機(jī)溶劑，在干洗中較容易除去。干洗溶劑對油和油脂極好的溶解能力實質(zhì)上來自分子間的范德華作用力。

 

對于水溶性污垢如無機(jī)鹽﹑糖類﹑蛋白質(zhì)﹑汗等的去除，還必須在干洗劑中加入適量的水，否則水溶性污垢難以從衣物中去除。但水較難溶于干洗劑中，因此為增加水的量，還需加入表面活性劑。干洗劑中存在的水能使污垢及衣物的表面水化，從而容易與表面活性劑的極性基團(tuán)發(fā)生相互作用，有利于表面活性劑在表面的吸附。此外，在表面活性劑形成膠束時，水溶性污垢及水能被增溶進(jìn)膠束中。表面活性劑除能增加干洗溶劑中水的含量外，還能起到防止污垢再沉積的作用，以增強去污效果。

 

少量水的存在對去除水溶性污垢是必要的，但過量的水會導(dǎo)致一些衣物變形﹑起皺等，故干洗劑中水的含量必須適度。

 

既非水溶性也非油溶性的污垢如灰﹑泥﹑土和炭黑等固體顆粒一般以靜電力吸附或與油污結(jié)合附著在衣物上。在干洗中，溶劑的流動﹑沖擊能使以靜電力吸附的污垢脫落下來，而干洗劑能溶解油污，使與油污相結(jié)合并附著在衣物上的固體顆粒脫落于干洗劑中，干洗劑中的少量水和表面活性劑，則使那些脫落下來的固體污垢粒子能穩(wěn)定地懸浮﹑分散，防止其再沉積到衣物上。

 

(5)影響洗滌作用的因素

 

　　表面活性劑在界面上的定向吸附以及表面(界面)張力的降低是液體或固體污垢去除的主要因素。但洗滌過程較為復(fù)雜，即使同一類洗滌劑的洗滌效果還受到其他許多因素的影響。這些因素包括洗滌劑的濃度﹑溫度﹑污垢的性質(zhì)﹑纖維的種類﹑織物的組織結(jié)構(gòu)等。

 

①表面活性劑的濃度

 

　　溶液中表面活性劑的膠束在洗滌過程中起到重要作用。當(dāng)濃度達(dá)到臨界膠束濃度(cmc)時，洗滌效果急劇增加。因此溶劑中洗滌劑的濃度應(yīng)高于cmc值，才有良好的洗滌效果。但是當(dāng)表面活性劑的濃度高于 cmc值后，洗滌效果遞增就不明顯了，過多的增加表面活性劑的濃度是沒有必要的。

 

　　借助增溶作用去除油污時，即使?jié)舛仍?/span>cmc值以上，增溶作用仍隨表面活性劑濃度的提高而增加。這時就宜在局部集中使用洗滌劑，例如在衣服的袖口和衣領(lǐng)處污垢較多，洗滌時可先涂沫一層洗滌劑，以提高表面活性劑對油污的增溶效果。

 

②溫度對去污作用有很重要的影響。總的來說，提高溫度有利于污垢的去除，但有時溫度過高也會引起不利因素。

 

溫度提高有利于污垢的擴(kuò)散，固體油垢在溫度高于其熔點時易被乳化，纖維也因溫度提高而增加膨化程度，這些因素都有利于污垢的去除。但是對于緊密織物，纖維膨化后纖維之間的微隙減小了，這對污垢的去除是不利的。

 

　　溫度變化還影響到表面活性劑的溶解度﹑cmc值﹑膠束量大小等，從而影響洗滌效果。長碳鏈的表面活性劑溫度低時溶解度較小，有時溶解度甚至低于cmc值，此時就應(yīng)適當(dāng)提高洗滌溫度。溫度對 cmc 值及膠束量大小的影響，對于離子型和非離子型表面活性劑是不同的，對離子型表面活性劑，溫度升高一般能使cmc值上升而膠束量減小，這就意味著在洗滌溶液中要提高表面活性劑的濃度。對于非離子型表面活性劑，溫度升高，導(dǎo)致其cmc 值減小，而膠束量顯著增加，可見適當(dāng)提高溫度，有助于非離子型表面活性劑發(fā)揮其表面活性作用。但溫度不宜超過其濁點。

 

總之，最適宜的洗滌溫度與洗滌劑的配方及被洗滌的對象有關(guān)。有些洗滌劑在室溫下就有良好的洗滌效果，而有些洗滌劑冷洗和熱洗的去污效果相差很多。

 

③泡沫

 

人們習(xí)慣上往往把發(fā)泡能力與洗滌效果混為一談，認(rèn)為發(fā)泡力強的洗滌劑洗滌效果好。研究結(jié)果表明，洗滌效果與泡沫的多少并沒有直接關(guān)系。例如，用低泡洗滌劑進(jìn)行洗滌，其洗滌效果并不比高泡洗滌劑差。

 

泡沫雖與洗滌沒有直接關(guān)系，但在某些場合下，泡沫還是有助于去除污垢的，例如，手洗餐具時洗滌液的泡沫可以將洗下來的油滴攜帶走。擦洗地毯時，泡沫也可以帶走塵土等固體污垢粒子，地毯污垢中塵土占很大比例，因此地毯清洗劑應(yīng)具有一定的發(fā)泡能力。

 

發(fā)泡力對于洗發(fā)香波也是重要的，洗發(fā)或沐浴時液體產(chǎn)生的細(xì)密泡沫使人感到潤滑舒適。

 

④纖維的品種和紡織品的物理特性

 

除了纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)影響污垢的黏附和去除外，纖維的外觀形態(tài)以及紗線和織物的組織結(jié)構(gòu)對污垢去除的難易均有影響。

 

　　羊毛纖維的鱗片和棉纖維彎曲的扁平帶狀結(jié)構(gòu)比光滑的纖維更易積累污垢。例如，沾在纖維素膜(黏膠薄膜)上的炭黑容易去除，而沾在棉織物上的炭黑就難以洗脫。又如聚酯的短纖維織物比長纖維織物容易積聚油污，短纖維織物上的油污也比長纖維織物上的油污難以去除。

 

緊捻的紗線和緊密織物，由于纖維之間的微隙較小，能抗拒污垢的侵入，但同樣也能阻止洗滌液把內(nèi)部污垢排除出去，故緊密織物開始時抗污性好，但一經(jīng)沾污洗滌也比較困難。

 

⑤水的硬度

 

　　水中Ca2+﹑Mg2+等金屬離子的濃度對洗滌效果的影響很大，特別是陰離子表面活性劑遇到Ca2+ ﹑ Mg2+離子形成的鈣﹑鎂鹽溶解性均較差，會降低它的去污能力。在硬水中即使表面活性劑的濃度較高，其去污效果仍比在蒸餾中差得多。要使表面活性劑發(fā)揮最佳洗滌效果，水中Ca2+離子濃度要降到 1 ×10-6mol/L(CaCO3要降到0.1mg/L)以下。這就需要在洗滌劑中加入各種軟水劑。